氣體絕緣全封閉組合電器應用于發電廠變電站的技術經濟分析

王克挺

（華北電力大學工商管理學院，北京102206）

0 引言

GIS是氣體絕緣全封閉組合電器的英文簡稱，也稱SF6全封閉組合電器，自20世紀60年代以來，已廣泛運行于世界各地。相比常規敞開式變電站，GIS具有結構緊湊、占地面積小、可靠性高、配置靈活、安裝方便、安全性強、環境適應能力強、維護工作量小等優點。GIS的定義為[1]：全部或部分采用氣體而不采用處于大氣壓下的空氣作為絕緣介質的金屬封閉開關設備；它是由短路器、母線、隔離開關、電壓互感器、電流互感器、避雷器、套管7種高壓電器組合而成的高壓配電裝置。GIS采用的是絕緣性能和滅弧性能優異的六氟化硫(SF6)氣體作為絕緣和滅弧介質，并將所有的高壓電器元件密封在接地金屬筒中，因此與傳統敞開式配電裝置相比[2]，GIS具有占地面積小、元件全部密封不受環境干擾、運行可靠性高、運行方便、檢修周期長、維護工作量小、安裝迅速、運行費用低、無電磁干擾等優點。隨著全球電力系統自身的發展以及對系統運行可靠性要求的日益提高，GIS技術必將持續發展，并將成為本世紀高壓電器的發展主流。

1 工程背景

石嘴山發電廠位于寧夏石嘴山市惠農區，屬于寧夏北部煤炭集中地區，年平均相對濕度為81%，多年平均降雨量為1 587 mm，歷年最大降雨量高達2 420.4 km。該廠廠區處于當地工業園區，周邊高耗能企業較多，僅上風口就有鐵合金廠40余家，電石廠、碳化硅廠、樹脂廠、水泥廠分布四周，多年測得該廠小機組110 kV升壓站鹽密值為0.62 mg/cm2，屬于e級污穢，現有小機組110 kV變電站，雖然采取了噴涂RTV涂料、加裝了防污傘裙等措施，但仍然經常發生污閃事故。2003年，該廠在原有小機組場地上籌建2×330 MW機組“以大代小”技改工程，變電站電壓等級為 220 kV，采用雙母線接線，4回出線，其中1回備用。考慮到當地惡劣的自然環境，在工程設計階段，通過對GIS變電站和敞開式變電站的技術經濟分析，最終選用了新東北電氣（沈陽）高壓開關有限公司的220 kV（戶內）氣體絕緣金屬全封閉組合電器（GIS），作為該技改工程變電站設計方案。

2 GIS與常規敞開式變電站方案比選

2.1 設備選型[3]

方案1：常規敞開式變電站。采用屋內型設備（普通絕緣），管型母線雙層布置。其體積較大，需建造龐大的配電裝置樓，配電裝置樓長63 m、寬43 m、高約15 m（斷路器列）和25（母線列），與屋外架空進出線連接采用穿墻套管。

方案2：GIS變電站。使用GIS組合電器，配電裝置樓尺寸為長36 m、寬17 m、高約12 m，需配置行車等檢修設備。另外由于 GIS間隔寬度為3 m，與屋外架空進出線（間隔寬度15 m）連接需采用較長封閉母線和屋外型柱式連接套管。

GIS變電站結構緊湊，可最大限度地縮小整套配電裝置的占地面積和空間體積。

2.2 可靠性

GIS變電站12～15年不需要檢修，而敞開式變電站則每年需檢修一次。且 GIS組合電器將所有電氣設備均放置于 GIS外殼中，運行更為安全可靠。

2.3 設備費

常規敞開式設備價格與 GIS組合電器設備價格分別如表1和表2所示。通過比較表1、表2可看出，GIS變電站方案設備費比敞開式變電站方案設備費高約476萬元人民幣。

2.4 土建及電氣安裝費

因 GIS已實現三相共筒化，由整體或若干單元組成，可大大縮短安裝工期，即使在安裝費用視作相當的前提下，按照配電裝置樓設計尺寸估算，僅在土建工程造價方面，GIS變電站方案就比敞開式變電站方案低約1 250萬元人民幣。

表1 常規敞開式電器設備價格Tab.1 Prices of conventional open-type electrical equipment

表2 GIS組合電器設備價格Tab.2 Prices of GIS combinative electrical equipment

2.5 檢修維護費用

根據調研提供資料，某同類型電廠使用的常規戶內敞開式變電站每年僅母線清掃費用為20多萬元，但GIS變電站12～15年不需要維修，按12年計算，這部分差值約為240萬元。

2.6 投資費用綜合比較

GIS變電站與常規敞開式變電站的投資費用綜合對比如表3所示。

表3 GIS變電站與常規敞開式變電站投資費用比較表Tab.3 Comparison for investment charge between GIS transformer substation and the conventional open-type transformer substation 萬元

2.7 比選結果

通過技術、經濟等方面的比較，雖然 GIS變電站方案的設備費比敞開式變電站方案的貴約500萬元，但土建造價、安裝及維護費用方面，GIS變電站方案比敞開式變電站方案低約1 500萬元，總體投資可節省1 000余萬元，而且 GIS在技術上占有絕對優勢，因此，該工程采用了 GIS變電站方案。

3 應用效果

通過論證比選，石嘴山發電廠2×330 MW機組技改工程最終選用了氣體絕緣金屬全封閉組合電器 (GIS)變電站，并得到了中國電力工程顧問有限公司（原中國電力規劃設計總院）的批準，其主要優點如下：

（1）安裝方便。因 GIS已向三相共筒化、復合化和智能化方向發展，一般由整體或若干單元組成，可大大縮短安裝工期。

（2）滅弧能力強，介電強度高，絕緣性能好，斷口電壓可以做得很高，使用安全可靠。

（3）介質恢復速度快，冷卻好，開斷近區故障的性能較好，使用壽命長。

（4）SF6氣體電弧分解場中不含有碳等影響絕緣能力的物質，觸頭在開斷電弧中燒損極其輕微，允許開斷次數多、安裝操作簡便、檢修周期長、運行可靠。

（5）由于GIS既封閉又組合，結構十分緊湊，占地面積小，占用空間少，基本不受外界環境影響，不產生噪聲和無線電干擾。

（6）不受雨雷、塵沙及鹽霧等各種惡劣自然條件的影響，減少了設備事故的可能性，適合工業污染和氣候惡劣以及高海拔地區。

4 經濟效益分析

自2006年9月該公司220 kV升壓站投運以來，設備性能表現優良，維護工作量少。相比之下，國電石嘴山發電廠老機組110 kV升壓站已經污閃兩次而且升壓站的高壓瓷瓶和開關每年清掃兩次并噴涂RTV涂料，安裝增爬傘裙，工作量非常大，而且安全隱患多。按照開放式變電站污閃一次造成的最低損失計算：1臺機組跳閘，恢復時間至少需要15 h，損失電量450萬kW h，減少收入約110萬元；燃油35 t，費用約30萬；設備維修及人員費用約70萬元，合計經濟損失約210余萬元。

因此，采用 GIS變電站后，企業降低了經濟損失，減少了安全隱患，保證了機組長周期安全運行和可靠供電，提高了網架系統的運行穩定性，對電力安全生產起到了重要作用。

5 結論

根據以上技術、經濟分析和應用效果，氣體絕緣全封閉組合電器（GIS）作為已成熟的工藝，其技術、經濟性能已遠超過常規敞開式開關設備，產生的經濟和社會效益顯著，是高壓電器的發展主流，為發電廠在變電站的設計上提供了更廣闊的選擇空間。