110kVSF6气体绝缘金属封闭开关设备及运用分析

110kVSF6气体绝缘金属封闭开关设备及运用分析

赵伟1，高聪2

山东电工电气日立高压开关有限公司，山东省济南市，250000

摘要：为解决GIS设备在结构设计、现场安装环节存在的技术难题，通过引入一种SF6气体绝缘金属封闭开关设备进行元件组成与连接方式设计，围绕土建、暖通、现场吊装、环境控制以及接地设计等层面进行设备安装技术要点的梳理，并探讨其在110kV变电站中的具体应用效果，为同类GIS设备设计与安装项目提供重要参考。

关键词：开关设备；SF6气体绝缘；设计方案；现场安装

引言：据电力企业联合会统计，目前我国110kV及以上变电站数量已超过3万座，进一步拓宽输变电工程覆盖范围。SF6气体绝缘金属封闭开关设备作为典型GIS设备，将其应用于变电站中能够有效发挥对电气元件的绝缘保护功能，并且在设备运行可靠性、运维检修便捷度等方面体现出显著性能优势，具备良好应用价值。

1开关设备技术方案

1.1设备组成

SF6气体绝缘金属封闭开关设备是以SF6气体为介质的GIS设备，该设备在柜体内划分出断路器区、母线三工位隔离开关区、操作机构区、电缆区、二次控制区、泄压通道区等多个间隔，在柜体表面设有操作面板[1]。其中断路器区内安装有断路器，开设补气接口与隔离气室连通，以SF6气体作为绝缘、灭弧介质，可发挥电场屏蔽效应，并将故障电流等数值显示在操作面板上；母线三工位隔离开关区由隔离动/静触头组件、传动轴、接地开关触头、操作机构组成三工位隔离开关，传动轴采用高强绝缘材料、设计为通轴结构，将动触头组件与传动轴以传动形式连接设计，利用操作机构带动组件与不同触头接触，控制隔离开关通过执行分合闸动作实现在隔离、接地等部位间的灵活切换；母线经穿墙套管设置在隔离开关区内，并将整柜与一次系统模拟母线集成在操作面板上；在断路器区下方设有电缆，沿断路器与隔离开关区之间分别设有二次控制区和操作机构区，另一侧设置泄压通道；在开关设备中还设有避雷器、电流/电压互感器，用于实现开关设备功能。

1.2技术要点

1.2.1土建专业要求

由于开关设备具有结构精密、电气元件数量多等特点，设备安装布置对于室内地面的硬度、耐磨性、防滑效果、平整度等指标均提出较高要求。因此需在设备安装前做好室内平整度、沉降量的检测，避免因基础产生不均匀沉降引发设备变形、漏气等问题，并尽量避免跨结构变形缝进行设备布置，保证供电安全与稳定运行。

1.2.2暖通专业要求

由于开关设备内涵多种绝缘介质，一旦发生气体逸出将在空气中分解，并发生化学反应、形成多种有害物质，因此需对设备布置场所落实通风系统的设计，例如在开关设备室的房间上部安装风机、下部安装排风及净化处理装置，借此防范气体外逸造成空气污染。

1.2.3设备吊装工艺

考虑到开关设备体积、占地面积相对较大，需根据设备实际重量与安装、调试工艺要求，在配电装置室内提前布置起吊设备。由设备供应商在工厂内完成开关设备的间隔组装、运输至安装现场，由现场操作人员进行开关设备的整体组装、充入SF6气体，并选用5t行车与起吊设备配合完成各设备间隔的逐一吊装，确保将开关设备吊装就位。

1.2.4环境温度控制

根据SF6气体理化性质进行气室压力值的精确计算，例如将断路器气室压力设定为0.6MPa，气体液化温度为-25°C[2]。倘若环境温度超出限值，将使气室压力增大，一定程度上增加开关设备漏气风险；倘若环境温度过低，可能使气体发生部分液化现象，由此削弱断路器灭弧性能，影响设备整体绝缘效果。因此在开关设备实际运行环节，需在配电室内布设若干测点、安装温度传感器，采取制冷或电加热方式将室内温度控制在恒定区间内。

1.2.5设备接地设计

为满足变电站安全高效运行需求，通常需为GIS开关设备配置专用接地网，选用至少4根连接线接入站内主接地网中，并依据单相接地故障条件下不对称电流最大值的35%进行连接线热稳定性的检验。在将开关设备与电力电缆直连时，需将电缆金属护套、屏蔽层均通过接地导体，完成最短接线路径的计算，保证与专用接地网间实现距离最近。为避免开关设备的接触电位差过大，还需在开关设备外壳与连接电力线缆的金属护套间加装过电压保护装置，以此发挥保护作用。

2开关设备在变电站中的应用

2.1现场安装工艺要求

待GIS设备运输就位后，采用1～3个垫片调节各间隔基础预埋件高度，将相邻间隔基础的高度差控制在±2mm以内；随后以母联间隔为基准向两侧依次完成各间隔的安装，先按中心线将母联间隔吊放至基础上方，沿X、Y、Z方向调节母联间隔位置，并依次完成其他间隔的安装就位，与母线连接；接下来分别检查包装、运输单元气压状态，完成法兰面的清理，待所有间隔均就位后进行主母线连接结构的安装，在充气前安装主母线拉杆，注意控制好导体与触头底座的插入距离，将密封圈嵌入槽内；在完成相邻两间隔的对接后，检测其连接部位电阻、确保阻值不超过2.5μΩ，并将主回路电阻与出厂值偏差控制在10%以内；最后进行分支母线结构的连接处理，检测气室压力、放出N

2气体，拆卸盖板，清理法兰面，并完成连接电阻测试及电气试验，确保各项参数检测结果均满足要求后，即可实现GIS开关设备的通电运行。

2.2实际应用效果

以某110kV变电站为例，该变电站于2017年建成投运，主变容量为2×63MVA，设计有110kV、35kV、10kV三个电压等级，其中110kV、10kV侧均为单母线分段接线，110kV组合电器为ZF12-126型SF6气体绝缘金属封闭开关设备，进线、母联断路器额定电流2000A，配电装置包含7个间隔，分别为电源进线、主变进线、母线PT、母线分段等。

针对GIS设备进行技术经济性分析，主要体现在以下两个方面：（1）技术方面，该设备利用封闭式金属外壳有效隔绝外部环境因素对高压元件及导体的干扰，降低绝缘被击穿概率安全可靠性强；选用SF6为不可燃气体，补气周期最短为5年，有效延长断路器等期间的使用寿命、减少维护检修工作量；设备整体结构紧凑、占用室内空间较小，满足后续变电站扩容及改造要求；采用工厂内装配模式，在出厂前完成设备调试，可有效减轻前期安装、调试作业量，进一步提高安装效率。（2）经济性方面，整套设备投资金额控制在50万元左右，同比原开关设备提高约30%，但能够有效节约运行维护费用，且延长设备使用寿命，因此可获得良好经济效益。现GIS开关设备投入运行已满5年，实现高可靠性、免维护，占地空间较小，且满足恶劣环境下安全运行要求，具有良好技术经济性优势与实用价值。

结论：通过综合运用设备结构优化与安装方案完善等技术措施，能够在提升GIS设备使用性能的基础上，满足变电站设备运维与检修作业需求。在此基础上，未来还可引入数值分析方法与ANSYS仿真分析软件进行现有设备结构、技术方案的优化设计，更好地改进产品研发工艺，为GIS设备的安全可靠及高效运行提供示范经验。

参考文献：

[1]何振宇,袁明哲,卿俊杰,等.220kV气体绝缘金属封闭组合电器断路器SF_(6)低气压闭锁回路改进方案[J].电气技术,2021,(04):98-101.

[2]邓亚,史恒超,张木壮,等.气体绝缘金属封闭母线SF_(6)检漏可靠性研究[J].电工技术,2022,(05):144-146.