气体绝缘全封闭组合电器应用于发电厂变电站的技术经济分析

王克挺

（华北电力大学工商管理学院，北京102206）

0 引言

GIS是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称，也称SF6全封闭组合电器，自20世纪60年代以来，已广泛运行于世界各地。相比常规敞开式变电站，GIS具有结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强、维护工作量小等优点。GIS的定义为[1]：全部或部分采用气体而不采用处于大气压下的空气作为绝缘介质的金属封闭开关设备；它是由短路器、母线、隔离开关、电压互感器、电流互感器、避雷器、套管7种高压电器组合而成的高压配电装置。GIS采用的是绝缘性能和灭弧性能优异的六氟化硫(SF6)气体作为绝缘和灭弧介质，并将所有的高压电器元件密封在接地金属筒中，因此与传统敞开式配电装置相比[2]，GIS具有占地面积小、元件全部密封不受环境干扰、运行可靠性高、运行方便、检修周期长、维护工作量小、安装迅速、运行费用低、无电磁干扰等优点。随着全球电力系统自身的发展以及对系统运行可靠性要求的日益提高，GIS技术必将持续发展，并将成为本世纪高压电器的发展主流。

1 工程背景

石嘴山发电厂位于宁夏石嘴山市惠农区，属于宁夏北部煤炭集中地区，年平均相对湿度为81%，多年平均降雨量为1 587 mm，历年最大降雨量高达2 420.4 km。该厂厂区处于当地工业园区，周边高耗能企业较多，仅上风口就有铁合金厂40余家，电石厂、碳化硅厂、树脂厂、水泥厂分布四周，多年测得该厂小机组110 kV升压站盐密值为0.62 mg/cm2，属于e级污秽，现有小机组110 kV变电站，虽然采取了喷涂RTV涂料、加装了防污伞裙等措施，但仍然经常发生污闪事故。2003年，该厂在原有小机组场地上筹建2×330 MW机组“以大代小”技改工程，变电站电压等级为 220 kV，采用双母线接线，4回出线，其中1回备用。考虑到当地恶劣的自然环境，在工程设计阶段，通过对GIS变电站和敞开式变电站的技术经济分析，最终选用了新东北电气（沈阳）高压开关有限公司的220 kV（户内）气体绝缘金属全封闭组合电器（GIS），作为该技改工程变电站设计方案。

2 GIS与常规敞开式变电站方案比选

2.1 设备选型[3]

方案1：常规敞开式变电站。采用屋内型设备（普通绝缘），管型母线双层布置。其体积较大，需建造庞大的配电装置楼，配电装置楼长63 m、宽43 m、高约15 m（断路器列）和25（母线列），与屋外架空进出线连接采用穿墙套管。

方案2：GIS变电站。使用GIS组合电器，配电装置楼尺寸为长36 m、宽17 m、高约12 m，需配置行车等检修设备。另外由于 GIS间隔宽度为3 m，与屋外架空进出线（间隔宽度15 m）连接需采用较长封闭母线和屋外型柱式连接套管。

GIS变电站结构紧凑，可最大限度地缩小整套配电装置的占地面积和空间体积。

2.2 可靠性

GIS变电站12～15年不需要检修，而敞开式变电站则每年需检修一次。且 GIS组合电器将所有电气设备均放置于 GIS外壳中，运行更为安全可靠。

2.3 设备费

常规敞开式设备价格与 GIS组合电器设备价格分别如表1和表2所示。通过比较表1、表2可看出，GIS变电站方案设备费比敞开式变电站方案设备费高约476万元人民币。

2.4 土建及电气安装费

因 GIS已实现三相共筒化，由整体或若干单元组成，可大大缩短安装工期，即使在安装费用视作相当的前提下，按照配电装置楼设计尺寸估算，仅在土建工程造价方面，GIS变电站方案就比敞开式变电站方案低约1 250万元人民币。

表1 常规敞开式电器设备价格Tab.1 Prices of conventional open-type electrical equipment

表2 GIS组合电器设备价格Tab.2 Prices of GIS combinative electrical equipment

2.5 检修维护费用

根据调研提供资料，某同类型电厂使用的常规户内敞开式变电站每年仅母线清扫费用为20多万元，但GIS变电站12～15年不需要维修，按12年计算，这部分差值约为240万元。

2.6 投资费用综合比较

GIS变电站与常规敞开式变电站的投资费用综合对比如表3所示。

表3 GIS变电站与常规敞开式变电站投资费用比较表Tab.3 Comparison for investment charge between GIS transformer substation and the conventional open-type transformer substation 万元

2.7 比选结果

通过技术、经济等方面的比较，虽然 GIS变电站方案的设备费比敞开式变电站方案的贵约500万元，但土建造价、安装及维护费用方面，GIS变电站方案比敞开式变电站方案低约1 500万元，总体投资可节省1 000余万元，而且 GIS在技术上占有绝对优势，因此，该工程采用了 GIS变电站方案。

3 应用效果

通过论证比选，石嘴山发电厂2×330 MW机组技改工程最终选用了气体绝缘金属全封闭组合电器 (GIS)变电站，并得到了中国电力工程顾问有限公司（原中国电力规划设计总院）的批准，其主要优点如下：

（1）安装方便。因 GIS已向三相共筒化、复合化和智能化方向发展，一般由整体或若干单元组成，可大大缩短安装工期。

（2）灭弧能力强，介电强度高，绝缘性能好，断口电压可以做得很高，使用安全可靠。

（3）介质恢复速度快，冷却好，开断近区故障的性能较好，使用寿命长。

（4）SF6气体电弧分解场中不含有碳等影响绝缘能力的物质，触头在开断电弧中烧损极其轻微，允许开断次数多、安装操作简便、检修周期长、运行可靠。

（5）由于GIS既封闭又组合，结构十分紧凑，占地面积小，占用空间少，基本不受外界环境影响，不产生噪声和无线电干扰。

（6）不受雨雷、尘沙及盐雾等各种恶劣自然条件的影响，减少了设备事故的可能性，适合工业污染和气候恶劣以及高海拔地区。

4 经济效益分析

自2006年9月该公司220 kV升压站投运以来，设备性能表现优良，维护工作量少。相比之下，国电石嘴山发电厂老机组110 kV升压站已经污闪两次而且升压站的高压瓷瓶和开关每年清扫两次并喷涂RTV涂料，安装增爬伞裙，工作量非常大，而且安全隐患多。按照开放式变电站污闪一次造成的最低损失计算：1台机组跳闸，恢复时间至少需要15 h，损失电量450万kW h，减少收入约110万元；燃油35 t，费用约30万；设备维修及人员费用约70万元，合计经济损失约210余万元。

因此，采用 GIS变电站后，企业降低了经济损失，减少了安全隐患，保证了机组长周期安全运行和可靠供电，提高了网架系统的运行稳定性，对电力安全生产起到了重要作用。

5 结论

根据以上技术、经济分析和应用效果，气体绝缘全封闭组合电器（GIS）作为已成熟的工艺，其技术、经济性能已远超过常规敞开式开关设备，产生的经济和社会效益显著，是高压电器的发展主流，为发电厂在变电站的设计上提供了更广阔的选择空间。