500kVGIS安装与试验技术探讨

刘蓉蓉，张东胜

（中国三峡集团，四川 成都 610042）

1 GIS

GIS是英文“Gas Isolator Switchgear”即气体绝缘开关装置的简称（以下简称GIS），GIS具有寿命长、结构紧凑、占地面积小、基本不受环境因素的影响、安装方便、运行安全可靠、维护工作量小等优点，因此，自上世纪80年代以来，500kVGIS被广泛应用于电力工程之中。

2 GIS安装

500kVSF6GIS安装对安装环境的要求较高，安装工艺复杂，这给现场安装带一定的困难，设备缺陷或在安装过程中出现疏忽不能及时发现，直接结果是不能通过高压试验，而需将设备解体处理，再安装再试验，GIS设备经多次解体、安装、试验，不但减少了它的使用寿命，同时也严重影响了工程的投产工期，因此把握和控制现场的安装条件、环境和安装过程中的关键工序、工艺显得特别突出和重要。

2.1 GIS安装应具备的条件

（1）土建工程及装修已检查验收；

（2）设备基础、预埋件及接地、电缆沟槽等已施工完毕；

（3）地面孔洞临时性封堵完毕；

（4）安装区域的防尘、防潮、临时施工设施、安全设施布置完毕；

（5）专用工器具、测试仪器、仪表和清洁密封材料等已准备就绪；

（6）安装起吊机具布置到位并经检查合格；

（7）安装必须的文件、图纸、表格等资料已准备；

（8）GIS安装的技术交底及人员培训已进行；

（9）GIS设备已到工地仓库。

2.2 GIS设备的到货与开箱验收控制

GIS设备的接收、装卸、开箱和储存流程见图1。

图1 GIS设备的接收、装卸、开箱和储存流程

GIS设备一般从工厂运抵工地装箱数量比较大，如：三峡一期左、右岸电站约2000多箱左右，向家坝约800多箱左右；如此多的装箱一但无序运到安装现场必将导至现场安装场地受限安装环境恶化，因此设备必须依据安装顺序，编制提货计划，确认设备编号后，有序运输至安装区。

GIS设备运到安装区入口处后，应先对箱体上的振动监视仪（如果装有）进行检查，然后对箱体上的标志及外观检查，以确认箱号的准确性及外观的完整性，当确认完好后，开箱清点与检查，清点与检查内容主要包括：设备及零部件外表、数量、规格等，清点与检查的结果应与装箱清单一致；充气运输的设备气室内的压力应在允许范围。设备开箱清点检查确认完毕后，应及时将完好的设备及零部件运到安装地点或运抵临时存放区存放；对清点检查不合格的设备和零部件应及时返厂处理。

设备一旦开箱必须立即进入安装或进入临时存放点存放，大型工程设备零部件现场存放量大，存放的时间还特别长，有的工程长达几个月到半年之久，因此必须对设备及零部件现场保管工作进行规范与量化管理，通常规定如下：

（1）盆式绝缘子、支撑绝缘子、绝缘件、绝缘材料、密度继电器、仪表、阀门、管路、吸附剂、SF6气体等必须按设备厂家的要求储存。

（2）对于充气设备应定期检查气室内的压力并记录，一但气压降低超过允许值，应及时查明原因或补入同样气体，防止受潮。

（3）母线筒、支架、外壳接地连接件、气瓶等当无条件必须室外存时，应做到比存放地面至少高出150 mm，设备须用蓬布完全盖住，并用绳子绑好保证防雨、防潮。

（4）每月应进行检查一次储存状况，以防潮、防盗、防损伤。

（5）短期存储（一般少于6个月），每个运输组件（装配单元，外壳，瓷套等）应将SF6气体的压力保持在约0.5kg/cm2（0.05MPa），或带有供存储用的吸附剂。若由于某种原因导致运输组件不密封，应确认漏泄的准确部位并进行修复，然后更换吸附剂，以清除设备的湿气。机构和控制箱应进行保护，要防潮和防尘，防磕碰，并放在户内保存。

（6）若长期存储（超过6个月），要仔细检查运输组件是否有由于湿气，灰尘和生锈而造成的损坏。如果发现任何损坏，应对设备进行修理，并更换吸附剂。对设备抽真空到133.3Pa，保持抽真空2h，按照厂家的技术文件的要求做真空试验。结果符合技术要求后，再重新充入储存时要求的气体。

2.3 GIS设备安装技术

（1）断路器调整就位及固定

根据设计图纸及土建预埋坐标样点，进行GIS轴线放点，并检查其中心、高程是否与接口设备如变压器、电抗器、GIL相符后，确定断路器的基础点并划线；测量断路器基础点高程并通过加装垫片调平；GIS整体安装完成后对断路器进行固定。

（2）电流互感器、隔离开关安装

打开CT隔离开关（接地开关）、断路器本体运输端盖，检查绝缘盆子、弹簧触指、导体以及管母线的内壁和法兰面，认真清扫、洁净后，将CT、隔离开关与断路器对接。

（3）主母线、分支母线之间的连接

按照安装图纸，把不同编号的管母线放置在临时支撑上并依次摆放，打开需要拼装的管母线的运输端盖，检查绝缘盆子、弹簧触指、导体以及管母线内壁和法兰面，然后清扫、洁净；母线在拼装前，先在导体内壁均匀涂抹适量电力复合脂，最后拼装各导体，各连接件必须使用适当的紧固力矩。

（4）母线支架及检修平台安装、调整及固定

在母线安装前，按照设计图纸把不同规格、型号的母线支架拼装好，安装前利用桥机吊到安装位置并进行临时固定。在完成主母线、分支母线安装后，调整支架进行最终固定。主母线、分支母线安装：先把组装好若干节管母线用桥机吊到即将安装的位置；先紧固对角的螺栓，然后调整母线的水平与垂直，调整完毕后用适当的力矩紧固所有螺栓。

（5）进线和出线单元的安装

先在GIS室把管母线按A、B、C三相依次进行拼装；然后利用桥机与手动葫芦把组装好的管母线吊至靠近安装位置；仔细清扫对接的两个法兰面；三相安装完毕后，进行管母线的垂直方向调整。

（6）500kVSF6高压套管安装、调整就位及固定

安装前检查高压套管应外观完整、无机械损伤；瓷套法兰连接处密封完好。整体起吊时，吊索固定在规定的吊环上，不得利用瓷裙起吊，并不得碰伤瓷瓶；安装面水平，并列安装的排列整齐。与GIS连接处的接触面，除去氧化层，并均匀涂以适量电力复合脂。均压环安装牢固、水平且方向正确；按制造厂规定可靠接地。

（7）SF6气体作业

主体安装开始后，将装配完的气室安装上吸附剂、更换密封圈并均匀涂抹密封胶且在30min以内进行抽真空；抽真空持续12h达到极限真空状态后静置，再充注SF6气体；充注前检查SF6气体的出厂试验报告及合格证件。并对SF6气体进行10%的抽样化验检查。对于不同气室所充SF6气体压力和充气程序必须按照厂家技术要求进行。在耐压试验前，根据气体-温度压力曲线在现场的环境温度下，对每一个气室的气压值做最后的调整。

2.4 GIS设备安装过程中质量控制重点

GIS对于气室内的清洁度和含水量要求非常高，这有几方面的原因：如果气室内有悬浮物或颗粒在盆式绝缘子表面，在高电场内就会形成导电桥，易于引起局部放电而造成设备损坏；如果气室内残留金属碎削或表面不平，就会引起局部电场过强，发生尖端放电现象；在有电弧产生的气室内，SF6气体会发生电离，产生有毒的SF2和SF4气体，这两种气体不稳定，与气室中残留的水分发生水解反应，生成具有腐蚀作用的氢氟酸，腐蚀导体和接触面，引起导电不良，所以必须控制气室内的微水含量，通常气室内的微水含量是通过充入合格的SF6气体到额定压力并到规定时间后取出定量的气体进行微水测量来判断的。

为了保证气室内的清洁和微水含量不超标，安装过程中，对于环境的温度、湿度及粉尘含量提出较高要求，环境温度必须高于0℃，空气相对湿度低于80%，所以在安装设备前土建工程要求全部结束，屋顶防水、室内净地面、墙面装修、沟道、照明、应事先安装完毕，通过验收移交安装部门。另外要设专人对室内进行不间断清扫、洁净，保持室内卫生干燥。同时，室内增设温度仪、湿度仪，监视温湿度；定期或不定期使用空气质量监测仪，监视GIS室内粉尘质量，保证满足上述要求。

在清扫、洁净用的消耗材料的选择上，酒精和丙酮选用分析纯，应选择纯度99.99%；擦用纸应为不起毛的白色专用纸。

气室的清扫、洁净工作一定要在一定时间内完成，在解除气室密封后尽量减少内部结构暴露在空气中的时间，以减少内部结构吸收水分。在进入气室内清扫、洁净时，必须穿上无钮扣连身洁净的工作服、工作头罩、工作鞋。

在气室清扫、洁净完毕，应立即更换新干燥的吸附剂并封闭气室，准备抽真空工作。更换吸附剂应先检查吸附剂真空是否破除，吸附剂内湿度试纸是否变色。

吸附剂更换完毕后立即对气室进行抽真空。抽真空的时间与真空度应在设备厂家规定的范围内，一般采用高极限真大容量双极真空机组进行抽真空，这样在短的时间内对气室内的水份抽出效果会更好。

充SF6气体前应对到货的气体微水和纯度进行检查，对于微水含量超标的气体严禁使用。

充SF6气体的管路和减压阀及法兰面必须保持严格的气密性，充SF6气体时,室内湿度应不大于80%，20℃时充SF6气体压力为0.5MPa，其余温度下按SF6温度-压力对照表换算，充气后24h测量水分含量，断路器气室应不大于150ppm（v/v），普通气室应不大于250ppm（v/v）。

在开关站全部完工后应对所有现场分解连接面进行包扎检漏，其年泄露率应不大于1%。

3.GIS现场试验

3.1 现场试验项目

GIS设备现场试验是检查安装质量的一个重要环节，试验结果是判断安装质量的重要依据，GIS安装完毕后，按照国家标准规定、合同和设备厂家文件要求进行现场试验，试验项目如下：

（1）GIS现场试验项目

主回路绝缘试验（老练试验；工频耐压试验；冲击电压试验；局部放电试验）；

辅助回路的绝缘试验；

主回路电阻测量；

SF6气体质量验证及气密性试验；

SF6气体湿度的测量；

检查和核实（装配符合制造厂的图纸和说明书；所有管接头的密封、螺栓和连接的紧固性；接线的正确性；测量、监控、保护和调整设备的正确功能；各设备接地的连线检查连接系统的正确连接）；

闭锁装置的性能试验；

（2）断路器现场试验项目

辅助回路和控制回路工频耐压试验；

回路电阻测量；

工频耐压试验；

SF6气体湿度测定；

辅助设备检查；

气体密封性试验；

分、合闸线圈的直流电阻和最低动作电压测量；

机械操作试验（现地和远方）；

闭锁校核试验；

开、合空载架空线试验；

分、合闸时间试验；

主、辅触头分、合闸同期性试验。

（3）隔离开关现场试验项目

机械特性试验并测量分合闸时间，闭锁装置功能检查；

主回路及接地开关回路电阻测量；

绝缘电阻测量；

控制回路和辅助回路的交流耐压试验；

操动机构最低动作电压检查。

（4）电压互感器现场试验项目

励磁特性测量；

空载电流测量；

变比检查。

（5）电流互感器现场试验项目

励磁特性曲线测量；

变比检查。

（6）避雷器现场试验项目

外观检查；

绝缘电阻测量；

最大工作电压持续电流试验；

标称放电电流残压试验；

工频参考电压试验；

放电计数器动作情况及底座绝缘检查。

3.2 一般常规性试验项目的意义与要求

（1）测量导体直流电阻；直流电组的值能够反映安装导体的接触是否良好，所以应跟随安装进度，随时进行各段导电体的直流电组，并与出厂值相比较，不超过出厂测量值的120%，确定安装质量。

（2）到货SF6气体复检（测微水），充入气室SF6气体微水检测、泄漏率检测。SF6气体在到货后就应进行微水量的检查，微水超标的气体不准使用。有条件时还应抽检SF6气体的纯度。部分工地视情况还需对新气进行全分析化验。在每个气室充气至额定压力24h后要进行气室内SF6气体微水的测试，断路器气室水分含量应不大于150ppm（v/v），其他气室水分含量应不大于250ppm（v/v）。年泄露率的检测采用局部包扎法（用缩料膜包裹密封面）包扎24h后用定量捡漏仪测量，经过计算年泄露率应不大于1%/年。

（3）CT特性PT特性试验，内容：变比，极性，VA特性。CT与PT的特性测试应在安装前进行。

（4）仪器、仪表效验：所有SF6气体压力表和密度继电器到达现场后均应进行准确度和动作值的复检，并和出厂值比较判定是否合格。合格后方能投入使用。

（5）开关特性试验：测试断路器三相同期、分合闸时间、速度、动作行程，分合闸线圈直流电组测试。

（6）连锁、传动试验：在设备整体安装完毕后，电缆和二次接线均已完成，操作和动力电源已送上。设备本体的油压和机械操作系统试运完毕后，进行连锁和传动试验，检验各个动作机构的电气和机械闭锁是否满足要求，进行远方和就地操作观测指示信号是否准确无误，进行模拟保护跳闸，确认继点保护装置是否安全可靠。

3.3 GIS现场高压试验

3.3.1 GIS现场高压试验的特殊性

GIS是一种“集木式“组合电器，被组合的设备中，各自都有自已的绝缘特性，它们经运输和现场组装后，绝缘性能是否下降必须经过高压试验来判断；另外，GIS设备在出厂试验时，不可能复盖设备的全部及出厂试验，不可能做到如现场条件、环境、现场设备全体组装一模一样形态，换言之，出厂试验必然存在盲区，这种试验盲区只可能用现场试验来弥补；因此GIS设备现场安装完毕后的，整体高压试验显得特别突出和重要，这也正是它的特殊性所在。

3.3.2 GIS现场高压试验标准与方法

现场高电压试验值不应低于工厂试验电压的80%，GIS现场耐压可采用交流电压、振荡操作冲击电压和振荡雷电冲击电压等试验装置进行。

交流耐压试验是GIS现场耐压试验最常见的方法，它能够有效地检查内部导电微粒的存在、绝缘子表面污染、电场严重畸变等故障；雷电冲击耐压试验对检查异常的电场结构（如电极损坏）非常有效。现场一般采用振荡雷电冲击电压试验装置进行；操作冲击电压试验能够有效地检查GIS内部存在的绝缘污染、异常电场结构等故障，现场一般也采用振荡型试验装置。

3.3.3 GIS现场交流耐压试验

（1）交流耐压试验电压值与时间规定

GIS试验为老练试验和交流耐压试验结合，交流耐压试验值为出厂试验值的80%，耐受时间为1 min。

（2）试验方法及手段

试验采用串联谐振试验装置，利用串谐设备的电抗器与试品（GIS）电容构成谐振回路，谐振频率由谐振回路的电感和电容量确定，试验频率在规程所要求的10～300Hz范围内，并通过所匹配的电抗器使谐振频率尽可能接近50Hz。试验时在低电压下调节频率接近谐振点，然后按试验程序进行升压。

（3）试验工况

GIS全部安装工作及开关设备的机械特性测试等工作全部结束；气室气压、水份测量合格；

GIS外壳及基架接地完好；

GIS回路电阻测试符合要求；

GIS回路电容校该测量工作已完毕；

GIS高压试验的安全布置工作已完毕；

对GIS进行相对地交流耐压试验；试验时应依试验设备容量允许，可分段或分相试验，非被试相可靠接地；

试验电压较低的设备（如避雷器）和接口设备（变压器）应有效的隔离。

（4）升压过程（含老练程序）

交流耐压试验在额定SF6气体压力下进行。试验流程如图2所示：在1.0倍额定相电压下老练10min；然后升压至80%试验电压老练3min；最后上升到最终耐受电压耐受1min。

图2 耐压流程

（5）GIS耐压试验击穿故障的定位方法

GIS现场耐压试验过程中对击穿故障点的准确判断、定位一直是倍受试验人员和安装人员关注的事，其原因主要有，故障点判断、定位准确与否，直接影响设备及气室解体工作量的大小，由此带来的查找故障点及后续故障点的处理和气体作业等工作，即费时又费力。早期的故障点判断、定位多是靠人耳的监听，实践证明仅靠人耳的监听容易发生误判；现在一般均采用依据放电产生冲击波而引起外壳振动的原理，研制的故障定位器来判断和定位故障点，这种方法既准确又方便，当然所要求的定位器数量比较多（一般与被探测点数成正比）。在实践中，如果因故障定位器的传感器数量有限，使放电或击穿发生未预报时，根据监听放电的情况，多次加压直到找到放电或击穿部位，效果也比较理想。

3.3.4 雷电冲击试验

雷电冲击试验被用于研究电力设备遭受大气过电压（雷电）时的绝缘性能。雷电振荡操作冲击试验在工频耐压试验合格后进行。

冲击电压的破坏作用决定于波形、幅值和波形陡度。目前国内冲击电压发生器能产生8种冲击波形。下面简单介绍一下：

（1）GB311《高压输变电设备的绝缘配合-高电压试验技术》规定了三种标准冲击波形：

1）1.2/50μs标准雷电冲击全波；

2）1.2/2～5μs标准雷电截波；过零系数：0.25～0.35；

3）250/2500μs的标准操作冲击波；Tf为20～250μs，90%持续时间≥200μs；

过零时间≥500μs。

（2）IEC517规定GIS组合电器现场冲击试验的二种标准冲击波形：

1）Tf＜15μs的振荡雷电冲击波；

2）Tcr＞100μs的振荡操作冲击波。

标准雷电冲击电压波形见图3。

图3 标准雷电冲击电压波形

（3）根据标准规定，GIS设备雷电冲击试验中，雷电冲击波的波前时间≤8μs，振荡雷电冲击波的波前时间≤15μs。

雷电冲击试验程序为：

1）在GIS主回路交流耐压试验合格后进行调波试验。

2）在30%试验电压下施加正极性冲击电压一次，进行调波试验，调整波形使波头时间不大于15μs。

3）在60%试验电压下施加正极性冲击电压一次。

4）在100%试验电压下施加正极性冲击电压三次。试验间隔时间不小于5min。

5）在30%试验电压下施加负极性冲击电压一次，进行调波试验，调整波形使波头时间不大于15μs。

6）在60%试验电压下施加负极性冲击电压一次。

7）在100%试验电压下施加负极性冲击电压三次。试验间隔时间不小于5min。

雷电冲击试验对检查异常电场情况，例如电极损坏特别灵敏。但因为试品电容大，所需的冲击电压发生器体积庞大，且雷电波的波头较陡，会在尺寸较大的被试品中引起波的反射，因此在现场很少采用雷电冲击电压试验。标准规定，如进行雷电冲击试验，波前时间可延长到8μs；如采用振荡雷电波，则波前时间可延长到约15μs。

（4）结合国标与三峡集团公司GIS采购合同的要求，三峡工程地下电站GIS进行了现场雷电冲击试验。

1）试验方法：GIS主回路施加1340kV的雷电振荡冲击波，正负极性各3次，波头时间不大于15μs。

2）试验结果：第1段B、C相和第2段A、C相均通过雷电冲击试验；第1段A相和第2段B相在进行雷电冲击时出现闪络现象，GIS设备内部的绝缘部件可能击穿，试验未能通过。

3）故障查找结果与处理：为确定设备故障区域，对第1段A相和第2段B相设备进行了分段和不同电压等级冲击试验，最终确定了大致的故障范围，并对相关区域内的设备进行解体处理。

GIS雷电冲击试验中共发现15个绝缘盆子放电（试验电压1340kV），其他放电点4个。主要原因为：部分开口盆在开口处未倒角，在高压下发生电场畸变，易造成沿面爬电，绝大多数闪络击穿盆均属此类；在电压互感器、避雷器断开点临时加装的屏蔽罩造型为扁平状，电场畸变可能引起二次闪络。处理情况：要求对开口盆在开口处进行倒角处理，更换后，再次试验合格（试验电压1240kV）。

4 结语

在我国电力行业正在大量的建设和使用GIS设备，尤其是中大型水电站基本上是采用GIS设备作为接入电力系统的配电装置，因此GIS设备安装与试验的质量好坏将直接影响水电站的电能输送质量和经济效益；通过对已建的GIS安装工程经验和教训进行总结、分析、归纳、提升，这一有益的工作必将对日后GIS安装工程的设计、制造、安装、运行的质量起到一定的推进作用。

总之，对于GIS现场安装与试验技术的研究是一个比较实用的问题，其中涉及的理论和方法非常广泛，作者学识浅薄，文中一定有不少未尽之处，望各位读者能提出宝贵意见，给予批评和指正。