预装式户内GIS变电站预制舱设计探讨

燕飞飞 何显江 卢旭涛

摘 要：为使GIS设备免受台风、暴雨、冰雹等恶劣天气影响，更好地保护GIS设备及各类传感器等，提高GIS设备可靠性、稳定性，根据GIS设备特性及在户内布置的场景，针对GIS预制舱的要求做了具体分析和阐述，并提出了相应的技术解决措施和方案。

关键词：预装式户内GIS变电站预制舱;SF6探测报警系统;接地系统;滤震隔音

0    引言

近年来随着户外GIS设备运行经验的积累，其各类缺点也逐渐暴露。现运行的户外GIS设备以国产设备居多，大批运行时间3～5年的设备已出现不同程度的壳体表面锈蚀现象，且GIS本体安装的各类传感器及零部件故障率较高，给运行维护单位带来了很大不便。以上问题在腐蚀性较强的海上环境、沿海地区和污秽等级较高的区域更为严重，大大增加了维护工作量。另外，GIS设备的密封结构在雨、雾、冰、雪等恶劣天气条件下遭到了极大的挑战，GIS设备密封系统易因材质快速老化而出现泄漏现象。

相较户外GIS，将GIS设备布置在户内的方案可有效保护GIS设备免受恶劣环境影响，且GIS预制舱内部维持恒温恒湿环境，进一步延长了GIS设备使用寿命，能够大大降低GIS设备故障率，减少设备后期运行维护难度及成本，因而成为当前GIS变电站建设的首选方案。户内GIS变电站如图1所示。在户内GIS变电站逐步被接受的背景下，希望本文对GIS预制舱的阐述可以为后续GIS变电站建设提供设计参照。

1    GIS预制舱SF6探测报警系统

（1）GIS设备内部采用SF6气体作为绝缘介质，若SF6气体泄漏，会影响到设备可靠运行及运营人员安全，设计SF6探测报警装置可及时探测到泄漏，提示检修维护人员进行设备检修。SF6气体的密度大约是空气的5倍，浓度过大会使人窒息，设置自动排除SF6装置，可有效保障检修维护人员人身安全。

（2）SF6探测报警系统包含监测主机、SF6/O2采集模块、温湿度探头、人体红外探头、声光报警器等子系统。系统可以实时监测舱内SF6浓度、氧气含量及温湿度等环境数据，并通过大量数据分析处理做出控制并进行及时告警，保证人员进入开关室的安全。

（3）SF6监测系统主要有以下功能：

1）SF6浓度和氧气含量监测：实时监测开关站环境SF6浓度和氧气含量，系统主机和监控室计算机同步显示监测结果。

2）温湿度在线监测：实时监测并动态显示当前开关站环境温度和湿度数值。

3）系统运行状态实时监测：实时监测系统内各监测单元的通信状态，系统主机和监控站界面同步显示监测结果。

4）自动语音提示：人员靠近开关站入口时系统自动以语音方式提示环境安全状况，提醒工作人员是否可以安全进入开关室。

5）声光告警：监测到SF6浓度超标或缺氧时，系统以高频笛音以及告警灯报警提示现场人员及时处理。

6）风机运行状态指示：显示当前风机的运行状态，便于判断进入开关室前是否需要强制通风。

7）数据自动保存功能：能夠存储不低于5年的历史数据，自动更新覆盖5年以上的信息记录，系统掉电的情况下，永不丢失数据。

8）历史数据查询功能：可以通过菜单进入系统界面，查询历次报警信息和5年以内的历史监测数据。

（4）安全控制：

1）风机联动控制：实时监测到SF6浓度超标或缺氧低时，自动控制风机通风，直到SF6和氧气浓度恢复正常。

2）风机定时控制：自定义时段通风，保证开关室每天都能按时通风。

3）远动告警：提供硬接点的形式与RS485通信，实现主控室或调度中心的通信和远程告警。

SF6气体在线监测系统原理图如图2所示。

2    GIS预制舱密封

2.1    底部

GIS舱体为了避免水浸，一般会设计封闭式或架空式基础，GIS舱体底部处于悬空状态。当变电站建设在湿气比较严重的区域时，为防止潮气经GIS舱体底部缝隙进入舱体，对GIS设备造成腐蚀，宜采用喷涂发泡聚氨酯工艺对舱体底部进行整体防潮密封处理，如图3所示。

2.2    舱体墙面

GIS母线连接需要在舱体墙面进出，在舱体设计时应确保GIS管道及法兰可以整体穿过舱体墙面，且后期安装好设备后应做二次防水密封处理，密封材料宜选择非导磁材料。为了确保防水性、稳定性、耐久性、可靠性，宜采取设置防水翻边，加装硅橡胶密封胶条+阻燃泡料+防水扣板的模式，拼接处采用密封结构+密封材料的双保险处理，实现防水密封的双重保证，如图4所示。

3    GIS预制舱接地系统设计

GIS的母线和筒体是一对同轴的电极，构成稍不均匀的电场。当大电流在母线通过时，母线感应电场会在筒体产生较大的感应电流，并在周边的铁磁导体中产生涡流，影响设备的可靠性，并有潜在的触电风险。为了避免上述情况的发生，GIS设备应充分接地。

（1）对于一体式的GIS，应采用全链多点接地的方案;对于分段绝缘的GIS设备应在每一段设置一个接地点。

（2）对于三相共筒式GIS，应采用多点重复接地，以避免三相平衡时筒体的感应电流危害。对于分相式GIS，不得将接地线串联后接地，应将每相接地单独引出短接后接至接地点。

（3）设备附属安装的扶手、爬梯等也应用专用接地导体连接至接地点。

（4）GIS设备的接地必须保证其可靠性，当正常工作时所有金属外壳都运行在地水平电位，母线各段间电位差在允许范围内，接地导体应保证热稳定性要求（热稳定电流取单相接地故障时最大不对称电流有效值的35%），且和现场主接地网可靠连接，不可直接用简单的连大地作为接地点。

考虑GIS设备的接地点数量较多，接地可靠性需求较高，可在GIS设备外围设置一圈接地母排，该母排四角通过4根不低于50 mm2接地电缆和主接地网直接相连。

4    GIS设备滤震隔音设计

GIS设备在运行过程中会有频率50 Hz的振动，且会有噪声产生。运行过程中振动会对舱体强度、密封等造成一定影响。特别是将GIS舱体设计在二层钢结构上时表现尤为明显，为了减少GIS舱体对下层舱体或钢结构的影响，特设计一款抗震装置对GIS舱体进行减震。

本文以断路器数量为1、重量为8 t的GIS设备为例，以设备动载荷15 kN、设备承载钢结构尺寸面积等信息为基准信息，进行减震垫选型。设备安装如图5所示。

4.1    设备钢梁布置及载荷信息

（1）GIS设备底部钢梁材料为14#槽钢，槽钢翼宽58 mm;

（2）钢梁接触面长度共计：6.6×2+0.6+0.4×2=14.6 m;

（3）受力面积：14.6×1 000×58=846 800 mm2;

（4）螺栓需要空缺30 mm位置忽略不计;

（5）设备总重8 t，即80 kN静载压力;

（6）设备动载荷15 kN，即当设备运行时，总载荷为80+15=95 kN。

4.2    设备静载及动载受力计算

（1）设备静载压力：

80 000÷846 800≈0.094 N/mm2

（2）设备动载压力：

95 000÷846 800≈0.11 N/mm2

4.3    减震垫使用面积计算

（1）不同厚度减震垫承受静载应≯0.11 N/mm2，不同厚度减震垫承受动载应≯0.16 N/mm2;如果超载将导致减震垫失效，失去减振能力。

（2）根据受力分析计算受力面积：

80 000÷0.11≈727 000 mm2

95 000÷0.16=593 750 mm2

为了确保动载及静载条件下减震垫均不失效，减震垫接触面积应≥727 000 mm2（0.727 m2），条件允许的情况下应尽可能多填充，建议将受力面积（14.6×1 000×58=846 800 mm2）全部填充减震垫。减震垫填充位置如图6所示。

4.4    减震垫厚度选型及分析

（1）不同厚度減震材料分别在设备静载及动载条件下固有频率如表1所示，动载条件下减震效率对比如表2所示。

（2）根据表1及表2综合分析：

1）考虑到厚度12.5 mm减震垫动载及动载性能均与其他厚度差异较大，所以放弃使用12.5 mm厚度减震垫;

2）25 mm、37.5 mm、50 mm厚度减震垫性能接近，且均能满足使用要求;

3）考虑到经济性、施工便利性、减小运输风险、尽可能减小对舱体内部净高影响等因素，综合考虑建议采用厚度为25 mm的减震垫;

4）选择25 mm减震垫可达到94%～97%的隔震率，降低噪声25～30 dB，是综合功能性与经济性的最优选择。

5    结语

预装式户内GIS变电站预制舱能够大大改善设备运行环境，延长GIS设备使用寿命，减少设备故障率，有效保障变电站可靠运行，是未来变电站特别是海上风电项目建设的大趋势。本文主要以配合GIS设备使用需求为侧重点阐述预装式户内GIS变电站预制舱设计要点，可为后续预装式户内GIS变电站设计提供借鉴。

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收稿日期：2020-07-08

作者简介：燕飞飞（1988—），男，安徽宿州人，结构设计工程师，研究方向：模块化智能变电站预制舱。