GIS 设备在固海扬水泵站的应用

白智勇

（宁夏回族自治区固海扬水管理处，宁夏 中卫 755100）

0 引言

我国现在的变电站主要有3 类，分别是常规敞开式开关设备、气体绝缘金属封闭开关设备和复合式气体绝缘金属封闭开关设备。宁夏回族自治区固海扬水管理处在2020 年之前变电所使用的是常规敞开式开关设备（air insulated switchgear）即AIS，在此之后扩灌系泵站更新改造所用的是气体绝缘金属封闭开关设备（gas insulated switchgear），即GIS。

1 三种开关设备的区别

1.1 常规敞开式开关设备（AIS）

常规敞开式开关设备也称空气绝缘敞开式开关设备，它是通过空气与外置绝缘使带电部分与地之间绝缘，由隔离开关、SF6 断路器、电流互感器、电压互感器、避雷器以及中性点等组成。一次设备可见，使设备日常维护检修更为方便、快捷；但由于外露设备多，导致其占地面积大，对气候变化依赖较高，对系统安全及可靠运行影响较大[1]。

1.2 气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）

气体绝缘金属封闭开关设备又称为GIS 设备，是将包括断路器、电压互感器、电流互感器、三工位开关、快速接地开关、避雷器、母线、电缆终端或进出线套管等元件紧凑组合在一起，并以一定压力的SF6 气体作为绝缘介质的成套开关设备[2]。它的优点是结构紧凑，大大节省了占地空间，由于带电部分全部密封于SF6气体中，不与空气接触，大大减少了气候的影响，提高了运行可靠性；由于除变压器以外的一次设备全部在一个封闭的金属壳体内，导致其对变电所场地的要求较高，检修时停电时间长，停电范围广，故障点难找，使检修或者扩建难度增大，再加上为了防止SF6 气体泄露，必须加强GIS 设备的密封处理。

1.3 复合式气体绝缘金属封闭开关设备（H-GIS）

复合式气体绝缘金属封闭开关设备是常规敞开式开关设备与气体绝缘金属封闭开关设备的组合体，适用于超高压和特高压的开关设备。H-GIS 对于GIS 的区别在于H-GIS 的母线是外露的，不在气室之内，其结构简单、明了，接线清晰可见，安装和检修较GIS 方便。

H-GIS 设备电压等级越高，优势越发明显。由于固海扩灌系统电压等级为35kV、110kV，故使用GIS 设备的安全、可靠、经济、高效运行远高于AIS 和H-GIS设备。

2 固海扬水泵站变电所GIS 设备

2.1 固海变电所GIS 主要规格

宁夏固海扬水管理处扩灌系统扩灌一泵站—扩灌六泵站于2020 年9 月开始改造，2021 年3 月开始试运行。变电所GIS 设备使用的是山东泰开高压开关有限公司的ZF10-126 型气体绝缘金属封闭开关设备，适用于扩灌一泵站—扩灌六泵站频率50Hz、额定电压110KV 的环境，使用全三相共箱设计。该设计紧凑、占地少、最小间隔宽度只有0.8m。

扩灌七泵站至扩灌十二泵站由于2021 年9 月动工，2022 年3 月试运行。其扩七、扩十二泵站因为电压等级为35kV 中性点不接地系统，电气设备绝缘程度低于110kV 系统，故采用空气绝缘敞开式开关设备。其余泵站采用上海思源高压开关有限公司ZF28A-126 型SF6 气体绝缘金属封闭开关设备[3]。

2.2 GIS 设备构造要求

2.2.1 GIS 主体构造

固海GIS 设备主要采用的是全三相共箱式设计，双母线间隔，将除变压器之外的一次设备导电部分封闭在充气的金属壳体中。扩灌泵站一般分为四个间隔，进线间隔、两个主变间隔、母线设备间隔，最后通过爬电比为31mm/kV 的套管向变压器输送电能。又分为若干个气室，每个气室通过O 型密封圈加以D05 气体密封胶的法兰相连接。拿扩灌一泵站为例，F1 间隔（1#主变间隔）包含检修接地开关101-0、三工位隔离接地开关（101-3 隔离刀闸，101-03 接地刀闸）、电流互感器CT、101 断路器、电流互感器CT、三工位隔离接地开关（101-1 隔离刀闸，101-01 接地刀闸），连接母线；F2 间隔（进线间隔）、F4 间隔（2#主变间隔）与F1 间隔接法相同，只是F2 间隔为快速接地开关111-0；F3 间隔（母线设备间隔）包含快速接地开关11-0、三工位隔离接地开关（11-9 隔离刀闸，11-09 接地刀闸）、电压互感器TV。以三工位隔离接地开关为分界点，每个间隔里断路器与电流互感器为一个气室，母线分为两个气室，电压互感器单独一个气室。一般来说GIS 采用SF6 无间隙金属氧化物避雷器，为单独的一个气室，但为了提高避雷器的保护效果，扩灌泵站在进线处采用敞开式避雷器，用避雷器的接地端与GIS 金属外壳连接后以增大GIS 内部波阻抗。

2.2.2 GIS 用断路器

断路器的主要作用是能关合、承载和开断回路正常电流并切断故障电路。GIS 所用断路器一般采用共箱罐式结构，由本体、拐臂箱以及CT26 型弹簧操纵机构组成。SF6 断路器一般分为简单开断式、双压式吹弧、单压式吹弧、自能式吹弧SF6 断路器。由于简单开断式SF6 断路器灭弧效果不太理想，双压式吹弧SF6 断路器结构复杂、操作困难以被淘汰，单压式吹弧SF6 断路器主要是在短时间内提高压气室内的压力来达到灭弧效果，灭弧效果低于自能式吹弧SF6 断路器。扩灌改造前使用的是LW36A-126 型自能式SF6 断路器。改造后则采用最新的ZF10-126 型自能式SF6 断路器，此断路器采用“热膨胀+助吹”的自能式灭弧原理，通过使用动弧触头和静弧触头在分闸弹簧的作用下所产生的电弧能量来加热SF6 气体，通过增加气体的压力来进行吹弧，达到灭弧效果[4]。表1 为扩一泵站ZF10-126 型技术参数。

表1 扩一泵站ZF10-126 型技术参数

当开断短路电流时，由于电流大，动静弧触头间产生巨大的电弧能量，通过热膨胀室加热SF6 气体，随之热膨胀室压力增大，与外部产生压力差。当电流过零时，动触头分闸达到临界，使静弧触头处产生断口，热膨胀室内强大的压力通过断口产生气吹，使电弧在电流过零时熄灭。而在分闸时压缩空气通过底部的弹性释压阀使压气和放气同时进行，从而降低机构的操作。

2.2.3 GIS 用隔离开关

隔离开关的主要起隔离电路作用，不允许带负荷分和隔离开关。扩灌泵站改造前使用的是传统的GW4-126D 型户外高压接地隔离开关，性能可靠，结构简单，但由于带接地刀很容易发生误操作，带接地刀合隔离刀闸，带隔离刀闸合接地刀，安全性能低。扩灌泵站改造后，GIS 设备一律采用ZF10-126/TPS 型三工位隔离接地开关，所谓的三工位隔离接地开关是指把隔离开关和接地开关组合到一起，三个工作位置（合闸位置、隔离位置、接地位置）共用一把刀来实现联锁功能来避免误操作的可能性，比传统的隔离开关主刀、接地刀两把刀分用更具有安全性。当三工位隔离接地开关在合闸位置时，必须先进行分闸操作，只有分闸到位时才能进行接地开关的合闸，反过来只有当接地开关分闸到位才能进行隔离开关的合闸。当隔离或接地分闸不到位时，接地或隔离合闸产生自锁。

扩灌泵站所用ZF10-126/TPS 型三工位隔离接地开关采用电动操动机构，能实现电动操作和手动操作。其机构由两个电机、丝杠、辅助开关、行程开关、齿轮等组成，通过电机的正反转带动丝杠连接齿轮转动来实现合闸—隔离—接地功能，其中一个电机负责隔离开关的分和，另一个电机负责接地开关的分和。当需要手动操作时，电动机电源自动切断，实现保护操作人的安全。在进行隔离、接地的手动操作时要注意先要检查是否符合连锁条件，隔离开关合时或接地开关合时禁止接地、隔离的手动操作，操作完后进行挡板的复位检查分合闸指示。

2.2.4 GIS 用接地开关

GIS 用接地开关分为快速接地开关、检修接地开关以及三工位开关里的工作接地开关，以扩灌一泵站为例进线处111-0 接地刀闸、电压互感器处11-0 接地刀闸属于快速接地开关，又称为故障接地开关，在变电所检修时或发生线路故障时则需要合111-0 刀闸来确保线路无电。101 断路器处101-0 接地刀闸，102 断路器处102-0 接地刀闸则属于检修接地开关，安装在隔离开关的两侧，主要用于在设备检修过程中保护检修人员安全。最大的区别在于使用的操作机构不同，快速接地开关使用电动弹簧操作机构，通过弹簧储能来实现快速分合闸；而检修接地开关则使用的是电动机机构，通过电动机正反转实现分合闸。

2.2.5 GIS 用电压、电流互感器

扩灌泵站GIS 用电流互感器使用LR（D）型一般装设在断路器两侧，把大电流变为标准小电流（5A 或1A），主要做电气测量和继电保护装置。GIS 用电流互感器为三相共箱式，一次绕组作为电磁感应的导体，二次绕组缠绕在铁芯处。

扩灌泵站GIS 用电压互感器使用JSQ-110 型设置在母线设备间隔，通过电磁感应来改变电压的装置，来实现电压量的测量，实际上是一种容量小的降压变压器。JSQ-110 时一种电磁式电压互感器，在运行时二次侧严禁短路，否则将会产生特大电流烧毁电压互感器。

3 GIS 主要试验

3.1 开关特性试验

开关特性试验用于测试各种电压等级的高压开关的机械特性参数的测试与测量[5]。其中包含断路器、接地开关、隔离开关分合闸时间、分合闸同期性、主触头行程、开距等数据。我们一般采用EKC-Ⅶ开关特性测试仪进行测试，拿扩灌一泵站101 断路器来说，试验前首先合上101-01 接地开关，合上101-03 接地开关；拆除101-01、101-03 接地外壳相连的接地母线，将测试仪的黄绿红三根测试线分别连接至101-01 接地开关的动触头上，在对测试线黑线进行短接分别连接到101-03 接地开关的动触头处，与主回路进行连接；合闸测试时将合闸控制线（红色）连接HQ-1 线，公共线（黑色）连接HQ-2 线，分闸测试时分闸控制线（绿色）连接TQ1-1、TQ2-1 线，公共线（黑色）连接TQ1-2、TQ2-2 线来进行分合闸信号的传输。表2 为101 断路器开关特性试验记录。

表2 101 断路器开关特性试验记录

3.2 回路电阻测试

回路电阻测试用于开关设备的接触电阻测试，我们采用EHL-200 回路电阻测试仪进行测试，测试电流一般为100A。试验的前期准备和开关特性试验一致，只有当101 断路器在合闸时才能进行接触电阻的测试，把红色测试线通过测试夹夹到101-01 接地开关的A 相动触头上，将黑色测试夹夹到101-03 接地开关的A 相动触头上，形成回路进行测试，B 相、C 相同上。试验标准为≤250μΩ，测得A 相190.1μΩ、B 相198.4μΩ、C 相179.3μΩ。

4 结语

宁夏固海扬水工程是宁夏最早的也是灌溉面积最大的扬水工程，GIS 设备在扩灌泵站的应用使宁夏固海扬水工程在自动化、信息化、高效节能化上迈进了一个新的台阶。通过GIS 设备的运行可靠、配置灵活、智能化控制使得扬水泵站在运维改革中大大领先宁夏灌区内的其他扬水工程。