水利枢纽GIS开关设备选型的几点思考

摘 要：从目前的情况来看，气体绝缘金属封闭式开关设备（GIS开关）是水利枢纽工程中应用最广泛的一种开关设备。基于此，结合实际案例，分别介绍了GIS开关设备和普通中型敞开式开关设备的特点，并对两种开关设备的经济性进行了比较，最后提出了GIS开关设备安装时的注意事项，期望可以为同类工程项目GIS开关设备选型提供些许理论参考。

关键词：水利枢纽;GIS开关;设备选型

0    引言

时下，在水利枢纽工程持续发展的利好背景下，其数量和规模不断增加与扩张，这对GIS开关设备选型提出了更加严格的要求。GIS开关指的是在GIS的基础上，将母线设置于金属外壳内，减少外界环境对GIS开关的影响，其具有占地小、可靠性高、防污好、安装周期短以及工作量小等显著特点，因而在水利枢纽工程中得到了广泛应用[1]。

1    案例概况

某水利枢纽工程位于新疆维吾尔自治区喀什地区，其是一座集防洪、发电和灌溉功能于一体的大型水利枢纽工程项目，总装机容量700 MW，年利用小时数2 540 h，多年平均风速16 m/s，污秽等级Ⅳ级，地震烈度Ⅷ度。本工程升高压侧电压等级为220 kV，双母线分段。

2    升高压侧开关设备选型方案

对于本工程项目升高压侧设备选型可采用SF6全封闭组合电器和220 kV普通中型敞开式开关设备两种方案。

2.1    SF6全封闭组合电器选型方案

本工程项目GIS开关设备装配位置在副厂房地上第三层内，下层为GIS电缆夹层，主变位于副厂房地上第一层内，出线平台位于副厂房屋顶。GIS开关设备与主变使用SF6气体管道相互连接在一起，GIS开关设备至出线平台之间使用SF6气体管道相连，整个GIS开关设备占地面积约为960 m2（80 m×12 m），主要技术参数如下：额定电压/电流为220 kV/3 150 A;最高额定电压为245 kV;额定频率为50 Hz;额定雷电冲击电压（峰值）为1 050 kV（相对值）/

1 250 kV（断口间）;1 min额定工频率（有效值）为44 kV。

GIS开关设备结构示意图如图1所示。

2.2    220 kV普通中型敞开式开关设备选型方案

根据现场勘察，本工程项目所处区域为山区，地形较陡，坡度很大，如在厂房上游侧布置户外开关站，需开挖100多米高的山体，工程造价巨大。对此，可选择在厂房下游河床边布置户外开关站，土方回填需约2.3×105 m3，开挖需约4×104 m3。采用220 kV普通中型敞开式开关设备，占地面积约为15 000 m2（150 m×100 m），敞开式开关设备至主变装置通过钢芯铝绞线连接，主要技术参数如下：断路器型号为LW23-252，In=2 000 A、Ib=50 kA;隔离开关型号为GW7-252，In=2 000 A、Is=50 kA/3 s;220 kV普通中型敞开式开关母线型号为LGJQ-2X240。

3    水利枢纽开关设备方案比选

3.1    GIS开关设备特点

（1）占地空间和面积较小。经过推算，220 kV GIS开关设备与普通中型敞开式开关设备相比较而言，面积占比uA=1/15.6。占地面積的缩小，将大大减少土地的征用和场地费用，相应也简化了设施设备，缩减了土建工程量，可为中标单位节约大量安装成本。（2）不受环境和气候影响。GIS开关设备运行安全可靠。根据调查分析，GIS开关设备内、外绝缘事故发生比例为10：1，GIS开关设备很少或基本不会暴露在空气中，其绝缘的可靠性和安全性大幅提高。另外，对于近期投入运营的GIS开关设备的统计数据表明，其可靠性、安全性与普通中型敞开式开关电器相比近似为10：1，能有效避免污秽、大风、降雨、冰雪、潮湿、海拔高度及气压变化引起的绝缘事故。（3）抗震能力优。GIS开关设备重心低，脆性和瓷套元件较少，抗震能力优。（4）GIS开关设备被绝缘物体所包围，发生人为触电事故的概率较低。（5）GIS开关设备的动、热稳定性较普通中型敞开式开关设备好。（6）GIS开关设备安装周期短、检修周期长，这主要是因为GIS开关在出厂前已经是合格产品，且各个分部位已经组装好，运抵施工现场后工作人员对其进行整装和调试即可，因此安装周期较短[2]。同时，国内外相关数据表明，GIS设备的检修周期为10～15年，但每一次检修时间较长且要求极高。（7）GIS开关设备主要布置在厂房外，可通过监控系统实现可视化和自动化管理。（8）GIS开关设备投资高，是普通中型敞开式开关设备的2～2.5倍。

3.2    普通中型敞开式开关设备特点

（1）将该设备放置在一定的高度，让带电部件与高度保持距离，这样施工人员能安全地进行各项作业操作。（2）布置清晰明了，检修方便，工程量小，工期较短。（3）防污秽性能差，但抗震性能较好。（4）占地面积较大。

3.3    GIS开关设备与普通中型敞开式开关设备比较

对于本工程项目的开关配电设备，可选择220 kV GIS开关设备和普通中型敞开式开关设备两种方案。以下就GIS开关设备和普通中型敞开式开关设备的投资费用、土建开挖费用、高压线缆及避雷针费用、运行费用、故障损失费用等进行比较分析。

（1）设备投资总额。在本工程项目中，若采用GIS开关设备投资额约为2 040万元;普通中型敞开式开关设备投资额为1 259万元（主要包括高压设施设备、开关设备的保护与控制、辅助设施设备、电缆钢构架与搭架、GIS开关设备护栏与接地网等方面的费用）。

（2）土建开挖费用。在本工程项目中，GIS开关设备安装于副厂房中，占地面积约为960 m2（80 m×12 m），土建开挖费用大约为380万元。普通中型敞开式开关只能安装于户外，其占地面积约为15 000 m2（150 m×100 m），土建开挖费用大约为410万元。

（3）高压线缆及避雷针费用。本工程项目GIS开关设备安装于副厂房中，与户外出线平台之间使用SF6气体管道相连，没有高压线缆费用，设备为户内布置，也不需要设置避雷针。普通中型敞开式开关设备高压电缆费用约为40万元，户外设备需设置3座避雷针，费用约为79万元。

（4）运行费用。GIS开关设备运行费用主要包括设备维护费、工具费、人工费用、培训费用以及安保费用等。假如该设备的运行年限为30年，GIS开关设备的运行费用占总投资额的3%，普通中型敞开式开关设备为12.8%，即：GIS开关设备运行费用为2 040×3%=61.2万元;普通中型敞开式开关设备运行费用为1 259×12.8%≈161.2万元。

（5）故障损失费用。已投入使用的GIS开关设备统计数据表明，其安全性、可靠性与普通中型敞开式开关比较为10：1，但目前尚无具体且详细的数据信息可供比较。

（6）GIS开关设备与普通中型敞开式开关设备经济性比较如表1所示。

4    GIS开关设备安装事项说明

（1）GIS开关设备上不得施加外力，不得重击设备的套管、管路以及箱体等部位;（2）具体安装过程中，应当特别注意避免灰尘、杂物等进入GIS开关设备内部;（3）开展GIS开关清理和安装工作时，应当身穿防护衣物，手戴塑料薄膜手套;（4）为防止灰尘、杂物等进入GIS开关设备内部，应立即对清理后的导体和壳体进行安装，连接部位应用专门的塑料布包裹，对于暂时不能安装的部位，应将保护盖板部位取下;（5）抽真空工作开始之前，要迅速更换干燥剂，减少和缩短GIS设备开关在空气中的暴露时间，不得直接通过气瓶向气室注入SF6气体，必须经过减压阀减压;（6）电缆终端装配作业开始之前，需要确定SF6气体已回收，且表压为0，此时才能松开盖板和法兰处的连接螺栓，螺栓必须沿着GIS开关设备的圆周方向均匀松动，严禁直接拆卸;（7）气体回收之后，进行GIS开关设备壳体安装，此时必须检查氧气的浓度，必要时应当采取相应的换气措施，否则工作人员不得进入内部作业，同时，进入壳体内部时应当委派专业人员监护。

5    结语

基于对以上两种方案的全面比较和安装事项说明，GIS开关设备具有占地面积小、抗震性能优、安装周期短、检测周期长以及可实现自动化和可视化控制等特点，尽管该设备投资合计比普通中型敞开式开关设备多532万元，但考虑到本工程项目所在地区风沙较大、设备工作环境较差、敞开式设备距离厂房较远导致母线以及出线断路器故障概率较高、运行维护工作不方便、地震烈度较高、使用寿命等问题，GIS开关设备的技术性、经济性、安全性和可靠性依然优于普通中型敞开式开关设备。故此，本工程项目采用GIS开关设备选型方案。

[参考文献]

[1] 周逸萍.邕宁水利枢纽电气优化设计研究[D].南宁：广西大学，2018.

[2] 高云龙.大藤峡水利枢纽GIS开关设备选型问题探讨[J].广西水利水电，2019（4）：101-104.

收稿日期：2021-03-19

作者簡介：於文汇（1989—），女，安徽淮南人，工程师，从事水利水电勘察设计方面的工作。