气体绝缘组合式开关设备在核电厂中的应用

季 林，黄鹏波，常新爱

(中国电力工程有限公司，北京 100048)

气体绝缘组合式开关(GIS)设备，是采用低气压的六氟化硫（SF6）气体作为开关设备的绝缘介质，用真空或SF6为灭弧介质，将母线、断路器、隔离开关等元件集中密闭在箱体中，综合运用现代绝缘技术、开断技术、制造技术、传感技术、数字技术生产的集智能控制、保护、监视、测量、通信于一体的高新技术产品。图1为ABB公司ELK-3型GIS设备剖面图。

图1 ABB公司ELK-3型GIS设备剖面图Fig.1 Section view of ELK-3 gas insulated switchgear of ABB

自20世纪五六十年代，很多国家开始从事GIS设备的试验和研制，近些年我国电力事业快速发展，国外知名厂家纷纷在华建立合资企业，我国本土电气设备制造企业也纷纷上马GIS生产线，产品的竞争日益激烈和产能的扩张，设备的性价比有了显著的提高。

1 自然环境适应能力

基于冷却水系统的考虑，我国目前核电厂的厂址多在沿海地区，这些地区普遍的气候特点是盐雾，它不仅会降低电气设备的绝缘性能，还会对金属造成腐蚀，严重影响设备的运行寿命。相对于传统敞开式布置（AIS）变电站，GIS设备将除变压器以外的几乎所有一次设备封闭在SF6气体中，各间隔间采用了法兰及密封圈连接，隔绝了外部因素，如盐雾、积雪等不利气候因素的影响。由于GIS设备的体积相对较小，某些核电厂的升压站将它置于厂房内，实现了温度湿度的可控，这虽然增加了一定的费用，从很大程度上摆脱了气候因素对设备的影响，有利于设备长期稳定运行。

GIS整体设备可以增加抗震能力，目前核电厂装机容量大，向外输出电压等级多采用500 kV或2200 kV，这类GIS设备断路器的操作机构多采用卧式，设备的重心低，有利于设备的抗震。

由于采用了金属材料作为封闭体，高压电器设备产生电磁和静电被通过直接接地的金属壳体屏蔽，气体绝缘组合式开关设备没有无线电干扰的问题。配备消音器，离断路器30m远处噪声小于80 dB。

可见，气体绝缘组合式开关设备相对于传统的电器设备，在自然环境适应能力上的优势是明显的。

2 设备使用的安全性

相对于传统AIS设备，GIS设备的安全性在于其内部气体的纯度和气密性。GIS设备中充满的SF6气体，这种气体是目前最优良的绝缘介质和火弧介质。它无色、无味、无毒、不燃烧；在常温常压下，化学性能稳定。由于采用了SF6气体绝缘，相对于油绝缘高压电器设备，GIS设备有着更好的绝缘性。如果气体发生泄漏或含有其他杂质，将影响设备内部的绝缘，导致放电、损坏内部设备。

目前GIS设备金属外壳采用无碳钢和不锈钢制作，连接处采用激光焊接，国产设备的年漏气率可保证在1%以下。气室内还装有压力检测仪器或气体密度监控器，如果气压低于设定值，仪表会将报警信号上传至中控室或调度室。气室内还装有吸附剂，用于吸附水分和SF6分解产生的气体。由此可见，GIS设备的可靠性和安全性是有保障的。

但由于紧凑的设计，同样存在某些安全隐患，这就更需要采购方在设备监造、出厂试验和安装等方面严格把关，同时，也需要常备一些专用检修和检测设备，培养专业的工作人员，做到及时发现问题，及时处理。

3 经济效益

3.1 优点

核电厂升压站适于使用GIS设备的原因是：在高电压系统中使用分离原件，随着电压等级的提高，要求增大相间间隙，而核电厂等多处于沿海区域，难以找到大片的平整土地，GIS的使用可以很好的解决这一问题。对比AIS变电站，GIS设备可以在很大程度上节约用地面积。如220 kV等级，GIS的占地面积为AIS的10%，而500 kV等级，GIS的占地面积为AIS的5%（注：由于各电站的变压器数量和出线数量的不同，主接线的设计形式也存在差异，具体比例可能和本文中所列数据有些许偏差）。利用现代的科学技术，变电站的占地面积已经从原来的足球场大小降到了幼儿园大小，如图2所示。

3.2 电气设备造价及相关建设费用

相对于AIS设备，由于其技术含量大，对制造工艺要求高，GIS设备的造价相对较高，但由于GIS设备的模块化设计，省去了构支架及其土建的费用，安装也相对较低。

图2 GIS用地比较示意图Fig.2 Land occupation comparison for GIS

下面以一个500/220 kV变电站为例进行费用比较，该变电站500 kV侧采用线路至变压器组直接接线，220 kV侧采用双母线接线。GIS设备的价格如表1所示，GIS和AIS变电站的部分投资费用比较如表2所示。

由于各变电站的地质条件及设计基础标高存在差异，土建的开挖量和回填量等重要指标存在不确定性，土建费用很难估算准确。但是，由于GIS占地面积小，此部分的土建费用也会低于AIS设备。同时，相对小的变电站面积，会使工程所需的接地材料、动力和控制电缆等材料大大节约。

由此可见，GIS设备的造价远大于AIS设备，但却可在安装和土建等其他方面节省部分投资。总的来讲，去除占地费用，GIS的总体投资仍大于AIS设备。

4 设备制造、运输及现场安装

4.1 设备制造

GIS设备由于其涉及的电器设备多、工艺复杂，其生产周期较AIS设备长。但随着工艺的日趋成熟，某国外公司甚至创造了14周供货，从设计到调试耗时6个月的记录。

表1 各厂家GIS报价Table 1 Quotation by GIS manufacture 单位：万元人民币

表2 GIS和AIS变电站的投资费用比较表Table 2 Comparison between GIS and AIS substation investment

4.2 设备运输

GIS在组装过程中，对环境和材料的要求很高，必须在户内安装和试验。这样的工艺要求必然决定了GIS是按间隔整体运输的。

4.3 设备现场安装

不同于AIS的设备安装，GIS设备安装省去了组立构支架，安装母线、绝缘子和连接金具等工序，仅需少量的地锚和钢支架就能使组合电器固定在基础之上，然后安装单位在设备制造厂家技术人员的指导和配合下，拼接各间隔的组件。完成GIS设备安装后，要将GIS设备壳体内抽真空，然后充满SF6气体，在用专业设备检测没有漏气之后，就可以进行设备的高压试验了。

由此可见，GIS设备的使用减少了安装工序，这极大地减少了现场安装投入的人力、物力，并大大缩短了工期，便于工程进行更有效的管理。但值得一提的是，GIS设备的安装环境要求和质量控制都比AIS设备要严格得多，例如需采取防尘措施、连接部位的防腐处理、设备安装的精度等都有相应的要求。这些都对安装人员的水平提出了更高的要求。

5 运行和维护

5.1 设备运行

GIS暴露的外绝缘少，内部采用SF6气体绝缘，加上机械结构简单，其故障概率较常规设备低很多；GIS内部有很多由盆式绝缘子分隔而成的气隔。每个气隔都在气体密度继电器的监控之下，而且GIS的二次回路可以相当方便地与微机监控系统相连，这样就使GIS较常规电气设备有更高的整体有效性，提高了向用户供电的连续性。另外，当GIS内部故障时，气隔可以有效地限制故障范围，并方便迅速地确定故障点。根据国家电监会电力可靠性管理中心发布的2007年全国220 kV及以上电压等级13类输变电设施的可靠性数据，架空线路、电缆线路及全封闭组合电器的运行可靠性指标见表3。

由表3可见，从参数值方面而论，架空线、高压电缆和GIS三种出线方式中，GIS在各方面都优于其他两种方式。

5.2 设备维护

GIS的断路器的开断性能好,触头烧损轻微,加上SF6气体绝缘性能稳定,又无氢化问题，因此,断路器的检修周期可以大大延长。表4为某厂家所推荐的检修时间。

表3 输变电设施运行可靠性指标Table 3 Reliability index of transmission and distribution installations

表4 某厂家所推荐的检修时间Table 4 Maintenance schedule recommended by a manufacture

6 扩建

GIS便于扩建。由于GIS采用积木式设计，其多样的法兰连接件可以为变电所的布置提供高度的灵活性。而且，法兰件可以通过附加元件进行改造，实现不同厂家之间的GIS对接或常规电气设备与GIS之间的连接，对变电所的扩建十分有利。

7 结论

近年来，气体绝缘开关设备在我国也得到了迅速地推广与应用，特别是随着我国对开关设备提出了小型化、智能化、免维护、全工况等新的更高要求，高性能、高品质的GIS设备在国内的需求越来越强烈。由于传统空气绝缘开关设备受环境条件（如高海拔、潮湿、盐雾、污秽、腐蚀等）的局限，已不能满足某些用户的要求。核电厂由于受占地面积、空间限制等因素制约，GIS设备可谓是首选。目前国内所使用的大部分为进口产品，但随着我国经济实力的增强以及国家对电力行业的重视，GIS设备国产化率将逐步提高，产品质量也将随之提升。GIS设备应用必将拥有广阔的前景。

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