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        GISELA型氣體絕緣開關設備性能研究

        2012-10-26 07:42:28許繼德理施爾電氣有限公司馬儀成徐慧強宋曉生
        河南科技 2012年9期
        關鍵詞:開關設備氣室電弧

        許繼德理施爾電氣有限公司 馬儀成 徐慧強 閻 偉 宋曉生

        GISELA型氣體絕緣開關設備性能研究

        許繼德理施爾電氣有限公司 馬儀成 徐慧強 閻 偉 宋曉生

        SF6氣體因其優(yōu)異的電氣性能在高壓GIS開關中得到了廣泛應用,目前,中壓領域的很多知名廠家也將SF6氣體應用到他們的產(chǎn)品中,包括ABB、施奈德、西門子、歐馬嘉寶、德國德理施爾等國際知名廠家,均在大力發(fā)展中壓C-GIS環(huán)網(wǎng)開關設備。其中,德國德理施爾公司生產(chǎn)的GISEA型氣體絕緣開關設備以其運行安全可靠、體積小、重量輕、占地面積小、環(huán)保節(jié)約等諸多優(yōu)點,在國內(nèi)外電力市場和鐵路市場上得到了廣泛應用。本文,筆者對德國德理施爾公司生產(chǎn)的GISELA型氣體絕緣開關設備的性能進行了介紹,同時針對其特點對其技術優(yōu)勢及核心部件(內(nèi)部故障電弧限制裝置)進行了分析,并與國際同類知名產(chǎn)品進行了比較。

        一、基本結構性能

        GISELA型氣體絕緣開關設備采用了充氣隔室,使開關設備的主回路布置可以避開環(huán)境因素的影響,避免了所需絕緣距離過大的致命缺點,實現(xiàn)了體積小、可靠性高、適應環(huán)境多樣性和變化的發(fā)展目標,實現(xiàn)了真正意義上的免維護。

        該產(chǎn)品將所有帶電部件及開關均封閉在充有SF6氣體的不銹鋼殼體內(nèi),開關柜金屬外殼接地,起到了最大程度的防護作用。殼體采用壁厚不小于3 mm的優(yōu)質不銹鋼由機器人焊接而成,具有足夠的機械強度和剛度,能夠起到支承和防護作用,保證了裝置的穩(wěn)固性。當設備內(nèi)產(chǎn)生故障時,不會出現(xiàn)變形、折斷等外部效應,可以滿足短時間的水下運行需求。

        但是,C-GIS中壓環(huán)網(wǎng)開關設備在運行過程中,如若發(fā)生內(nèi)部故障電弧,在封閉小室的能量平衡中,大電弧電流及其周圍之間有幾種不同的能量轉移:電弧功率的一部分導致弧根加熱、弧根材料的熔化和蒸發(fā);另一部分作為電弧的輻射功率散至外界,使氣體加熱,導致壓力上升。如設備內(nèi)壓力過高,打開壓力釋放裝置可避免殼體的破壞,但是灼熱氣體通過壓力釋放口進入配電室后,會使室內(nèi)壓力上升,墻壁也會受到相應應力。內(nèi)部電弧故障產(chǎn)生的影響和破壞程度與殼體大小、電弧電壓(電弧長度)、電弧持續(xù)時間以及短路電流大小有關。

        針對上述情況,GISELA型氣體絕緣開關設備安裝了內(nèi)部故障電弧限制裝置。一般來說,開關設備中內(nèi)部電弧故障經(jīng)歷壓縮、膨脹、發(fā)射和熱效應等4個階段。該限制裝置通過安裝在電纜室內(nèi)的自動快速接地開關來完成。在內(nèi)部故障電弧膨脹階段,也就是在故障電弧產(chǎn)生的瞬間,接地開關可迅速熄弧,避免了高溫氣體從SF6氣體絕緣部分散逸,提供了良好的人身及設備保護。故障排除后,只需對開關設備進行檢查即可繼續(xù)投入運行。

        二、結構特點及同類產(chǎn)品性能比較

        1.結構緊湊精巧。由于GISELA型氣體絕緣開關設備使用性能優(yōu)異的SF6氣體絕緣,縮小了柜體尺寸,負荷開關單元寬度僅有315 mm,負荷開關與熔絲組合單元寬370 mm,斷路器單元寬370 mm。與同電壓等級的空氣絕緣開關設備相比,其安裝面積和體積大幅縮減。各類型開關設備具體尺寸和重量見表1。

        表1 GIS ELA型氣體絕緣開關設備尺寸重量

        2.更加環(huán)保和節(jié)約。在采用精巧設計后,C-GIS環(huán)網(wǎng)柜在減小體積的同時,也大大節(jié)省了材料的使用。GISELA型氣體絕緣開關設備最小的單元僅重90 kg,同時SF6用量也很低。由于采用了充氣隔室的設計理念,氣室容積僅為0.13 m3,而且氣箱壓力很低,僅為0.017 MPa,在環(huán)境溫度為20℃時,SF6氣體密度為4 kg/m3,所需要的SF6氣體重量僅為0.52 kg。

        3.與國際同類產(chǎn)品的性能比較。與國際同類產(chǎn)品相比,GISELA型氣體絕緣開關設備也有諸多優(yōu)勢,見表2。

        表2 中壓C-GIS氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜主要性能對比

        本文,筆者以京滬高鐵常用柜型組合要求為例,將西門子的8DJ20型和德國德理施爾公司的GISELA型產(chǎn)品進行對比。對比分析如下。

        (1)由圖1和圖2的接線方案中可以看到,GISELA型氣體絕緣開關設備可以直接從母線引出,而8DJ20型開關設備不能直接從母線引出PT。為滿足方案要求,8DJ20型只有從兩路進線同時引出PT,這樣存在的隱患有:一是開關套管電纜接頭連接過長,形成懸臂梁結構,易造成電纜連接不牢,引起過熱燒毀;二是標準電纜室內(nèi)只能滿足主回路進線、避雷器2節(jié)連接,要接入PT,必須重新改造、加厚電纜室門,這樣將降低接地開關與電纜室聯(lián)鎖可靠性,且易導致整體外觀凹凸不平。

        圖 1 采用德國德理施爾G I S ELA氣體開關設備接線方案

        圖 2 采用西門子8 D J 2 0高壓環(huán)網(wǎng)柜接線方案

        (2)GISELA型氣體絕緣開關設備采用雙重氣室,滅弧與絕緣相分離;8DJ20型采用單一氣室。與單一氣室相比,雙重氣室的優(yōu)點有:一是降低了氣箱的充氣壓力,減少了SF6氣體的用量,箱體充氣后無變形;二是隔離了電弧分解物對氣箱內(nèi)SF6氣體的污染,確保了產(chǎn)品在壽命終結時SF6氣體能夠回收。

        (3)GISELA型氣體絕緣開關設備整體體積比8DJ20型減小1/3,有效地縮小了整個箱體的體積。

        三、應用展望

        隨著我國電力負荷需求的逐年增加,保證輸電系統(tǒng)的安全可靠就顯得尤為重要。在輸電線路的終端用戶端,對于一次開關設備的快速投切能力也提出了更高的要求。一次設備作為電網(wǎng)的基本單元,其智能化程度關系到智能電網(wǎng)的整體水平。為了避免長時間大范圍停電,一次開關設備的遠程控制能力起到了重要作用。GISELA型氣體絕緣開關設備可以預留遙控、遙測、遙信等功能接口,安裝電動操作機構和開關輔助觸點,實現(xiàn)遙控功能;可以在電纜室內(nèi)安裝電流互感器,實現(xiàn)對饋線潮流的遠方測量;可以通過控制器設置電流限制,檢測到故障電流后上傳報警信號和低氣壓報警信號,通過開關輔助觸點上傳開關的位置信號等遙信功能;可以適應配網(wǎng)自動化未來的發(fā)展,方便升級改造。

        由于GISELA型氣體絕緣開關設備采用全絕緣、全密封式結構,其帶電部件以及開關均封閉在不銹鋼的殼體內(nèi),耐受短時間水下浸泡,能夠安全可靠地運行,故已廣泛應用于城市配網(wǎng)、鐵路建設、小區(qū)供電及各種大中型配網(wǎng)工程中。例如,在奧運場館、世博場館、北京城網(wǎng)等重大工程項目中,均有這種GIS系列的開關柜在運行;在京津城際高鐵、京滬客運專線、武廣高鐵、鄭西客運專線、哈大線、甬臺溫客運專線,也已經(jīng)得到了廣泛應用。

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