高寒地区HGIS设备冬季低温应对措施

周万骏，陈文滨，马卫华，江海涛，潘宏承，李盈盈

(1.国家电网公司交流建设分公司，北京 100052；2.国网福建省电力有限公司漳州供电公司，福建 漳州 363000)

0 引言

内蒙地区煤炭资源比较丰富，但其热值不高，远距离运输后进行火力发电的经济性非常低，就近转化成清洁的电能是最好的选择。某变电站位于内蒙古锡林浩特市，海拔较高，冬季严寒，极端最低气温-42.4 ℃，极端最低气温累年平均值为-33.7 ℃。为了满足极限温度-42.4 ℃环境下正常运行的要求，需对HGIS(hybrid gas insulated switchgear)设备采取低温应对措施，防止绝缘气体液化造成HGIS闭锁。

1 HGIS SF6低温运行问题

HGIS是一种组合电器，主要包含断路器(GCB)、隔离开关(DS)、接地开关(ES)和电流互感器(CT)等元件。根据需要对各元件进行模块设计组合，连接成一体后封闭于金属壳体中。HGIS的金属壳体内常以SF6为绝缘气体。SF6是惰性气体，密度大，具有较高的电气强度、灭弧性能和优良的冷却特性。

某变电站500 kV HGIS金属壳体内断路器室绝缘气体额定压力为0.6 MPa，报警压力为0.52 MPa，闭锁压力为0.5 MPa。在0.6 MPa的额定压力下，SF6气体的液化温度为-25℃，所以该站的HGIS在冬季运行时会面临SF6气体液化的风险。

目前，在面临高寒地区低温环境下SF6气体饱和及压力降低的问题时，国内常采取在SF6气体中混入一定比例N2的方法。但将这种混合气体作为绝缘、灭弧介质时，HGIS断路器的热开断能力及绝缘开断能力均会下降一个等级。采用这种方法对于500 kV电压等级的HGIS而言，得不偿失；其次，该站冬季的环境温度远低于HGIS断路器室额定压力下SF6的液化温度，因此采用这种方法可能消除不了SF6的液化风险。

2 HGIS低温防护措施

由于该站冬季过于严寒，为防止SF6液化，需要对HGIS采用外部加热的方式来保证设备温度始终高于SF6液化温度。

GCB的组装姿态如图1所示，该站的HGIS在断路器、接地开关、隔离开关及套管处都采取外置伴热带的方式，由温控器控制交流接触器，根据设备温度自动地补热或切断加热电源。

3 HGIS罐体外置式伴热带

3.1 伴热带介绍

该站HGIS外置式伴热带为河南平芝高压开关有限公司提供的HGIS罐体外置式伴热带。安装完成后如图2所示。

该外置式伴热带使用304不锈钢外壳和进口EPDM保温棉作保温层，发热膜采用日本进口304镍铬发热膜和美国进口硅橡胶制作而成，伴热带结构如图3所示。伴热带的额定电压为220 V，一组伴热带的额定功率为1.5 kW，通过汇控柜中温控器控制的交流接触器组与工频交流电源连接，从而控制伴热带的上电加热与失电待用状态。其中，发热膜厚度为0.05—0.08 mm，是一个扁平体；发热面与硅胶有效接触面大，占总体发热面的80 %(普通电阻丝方式为40 %)。因为发热膜是扁平体，加热快且均匀，不存在拼丝、短路、引线脱离的现象。

图1 GCB的组装姿态

图2 安装完成的HGIS罐体外置式伴热带

图3 外置式伴热带主要结构

3.2 伴热带配置

HGIS金属壳体内的气室压力是不同的，各元件的外置伴热带配置方案也有所区别。HGIS的套管和断路器对环境温度要求更为苛刻，因此需配置2组伴热带，根据环境温度变化情况分组投入。同时，还需配置1组备用伴热带，用于应对特殊极寒情况或伴热带检修更换。相对于断路器，隔离开关和接地开关对环境温度要求稍低，需配置1组常用及1组备用伴热带。

4 伴热带投切方案

HGIS伴热带的投切使用主要以其配置方案为基础。HGIS断路器和套管的2组外置式伴热带，在低温环境下需根据环境温度阈值分档投入。进入冬季，站内环境温度低于-20 ℃时，温控器自动投入1组伴热带进行绝缘加热；当站内温度低于-30 ℃时，2组伴热带将同时投入运行。出冬季时，环境温度逐渐上升，当站内达到-25 ℃时，温控器自动断开1组伴热带；当环境温度继续上升达到-15 ℃时，剩余1组运行的伴热带也将被切除。此时断路器和套管无外置式伴热带带电，将有伴热带投切信号发送至主控。

HGIS隔离开关和接地开关的1组外置式伴热带运行时间是断路器和套管的2组外置式伴热带运行时间的并集。当站内环境温度低于-20 ℃时，投入运行；当环境温度升高并达到-15 ℃时，这组伴热带即停止加热，同时将会有伴热带投切信号发送至主控。

在操作较少的特高压变电站，HGIS的备用伴热带是严寒时进一步确保不会造成SF6液化闭锁的关键。通过三相不平衡电流法，用电流继电器监视断路器和套管第1组、第2组和备用组伴热带。当电流继电器监测到第1组或第2组伴热带存在故障时，电流继电器发出告警信号至主控，并在同一时刻自动投入备用组伴热带，并切断故障伴热带组电源。同样，隔离开关和接地开关的常用组和备用组伴热带也是通过三相不平衡电流法，用电流继电器进行监视。当电流继电器监测到常用组伴热带故障时，电流继电器发出告警信号至主控，备用组伴热带自动投入，并切断常用组伴热带电源。

该站地处风口，冬季严寒，HGIS运行于户外，运行环境恶劣。因此，HGIS的伴热带在突发情况下人工可强制投入运行，并且具备最高优先级。断路器和套管的第1组、第2组、备用伴热带组均可通过小型断路器强制带电，可以单组强制运行，也可以多组同时强制运行。此时由于运行状态处于最高优先级，伴热带不再受温控器控制，并有伴热带强投信号发送至主控。

同样，隔离开关和接地开关的常用组和备用组伴热带，均可单组强制投入运行；也可2组同时强制带电，并不再受温控器控制，且有伴热带强投信号发送至主控。

5 GCB单元及套管低温试验

在该站未投运，HGIS的低温应对措施未经严寒冬季考验时，已在实验室通过低温试验。

2015年12月底，GCB单元及套管(BG)外置伴热带在某地完成了-40 ℃的低温试验，试验结果表明：伴热带对HGIS气室的升温效果良好。

低温试验流程按照GB 1985—2014《高压交流隔离开关和接地开关》进行，试验结果如表1，2所示。

表1 伴热带-40 ℃低温试验数据

表2 伴热带断电2 h试验数据(-40 ℃低温) ℃

根据表1和表2中的数据可知，该站HGIS的低温应对措施是可行的。该站的极端最低气温是-42.4 ℃，试验模拟环境温度虽然是-40 ℃，但由于试验数据留有裕度，伴热带加热效果仍然满足防止SF6液化的既定目标。HGIS低温应对措施的试验是在HGIS空载的情况下进行的，用于模拟该站HGIS设备冷过冬，因此相对于带电运行的HGIS设备，表1和表2中的裕度值更宽。

6 结束语

目前该站已于2017年年底正式投运，HGIS设备运行可靠，未出现闭锁动作，实际验证了GCB单元及套管低温试验的有效性；同时也验证了该变电站HGIS设备冬季低温应对措施具有较高的可行性。