氣體絕緣組合式開關設備在核電廠中的應用

季 林，黃鵬波，常新愛

(中國電力工程有限公司，北京 100048)

氣體絕緣組合式開關(GIS)設備，是采用低氣壓的六氟化硫（SF6）氣體作為開關設備的絕緣介質，用真空或SF6為滅弧介質，將母線、斷路器、隔離開關等元件集中密閉在箱體中，綜合運用現代絕緣技術、開斷技術、制造技術、傳感技術、數字技術生產的集智能控制、保護、監視、測量、通信于一體的高新技術產品。圖1為ABB公司ELK-3型GIS設備剖面圖。

圖1 ABB公司ELK-3型GIS設備剖面圖Fig.1 Section view of ELK-3 gas insulated switchgear of ABB

自20世紀五六十年代，很多國家開始從事GIS設備的試驗和研制，近些年我國電力事業快速發展，國外知名廠家紛紛在華建立合資企業，我國本土電氣設備制造企業也紛紛上馬GIS生產線，產品的競爭日益激烈和產能的擴張，設備的性價比有了顯著的提高。

1 自然環境適應能力

基于冷卻水系統的考慮，我國目前核電廠的廠址多在沿海地區，這些地區普遍的氣候特點是鹽霧，它不僅會降低電氣設備的絕緣性能，還會對金屬造成腐蝕，嚴重影響設備的運行壽命。相對于傳統敞開式布置（AIS）變電站，GIS設備將除變壓器以外的幾乎所有一次設備封閉在SF6氣體中，各間隔間采用了法蘭及密封圈連接，隔絕了外部因素，如鹽霧、積雪等不利氣候因素的影響。由于GIS設備的體積相對較小，某些核電廠的升壓站將它置于廠房內，實現了溫度濕度的可控，這雖然增加了一定的費用，從很大程度上擺脫了氣候因素對設備的影響，有利于設備長期穩定運行。

GIS整體設備可以增加抗震能力，目前核電廠裝機容量大，向外輸出電壓等級多采用500 kV或2200 kV，這類GIS設備斷路器的操作機構多采用臥式，設備的重心低，有利于設備的抗震。

由于采用了金屬材料作為封閉體，高壓電器設備產生電磁和靜電被通過直接接地的金屬殼體屏蔽，氣體絕緣組合式開關設備沒有無線電干擾的問題。配備消音器，離斷路器30m遠處噪聲小于80 dB。

可見，氣體絕緣組合式開關設備相對于傳統的電器設備，在自然環境適應能力上的優勢是明顯的。

2 設備使用的安全性

相對于傳統AIS設備，GIS設備的安全性在于其內部氣體的純度和氣密性。GIS設備中充滿的SF6氣體，這種氣體是目前最優良的絕緣介質和火弧介質。它無色、無味、無毒、不燃燒；在常溫常壓下，化學性能穩定。由于采用了SF6氣體絕緣，相對于油絕緣高壓電器設備，GIS設備有著更好的絕緣性。如果氣體發生泄漏或含有其他雜質，將影響設備內部的絕緣，導致放電、損壞內部設備。

目前GIS設備金屬外殼采用無碳鋼和不銹鋼制作，連接處采用激光焊接，國產設備的年漏氣率可保證在1%以下。氣室內還裝有壓力檢測儀器或氣體密度監控器，如果氣壓低于設定值，儀表會將報警信號上傳至中控室或調度室。氣室內還裝有吸附劑，用于吸附水分和SF6分解產生的氣體。由此可見，GIS設備的可靠性和安全性是有保障的。

但由于緊湊的設計，同樣存在某些安全隱患，這就更需要采購方在設備監造、出廠試驗和安裝等方面嚴格把關，同時，也需要常備一些專用檢修和檢測設備，培養專業的工作人員，做到及時發現問題，及時處理。

3 經濟效益

3.1 優點

核電廠升壓站適于使用GIS設備的原因是：在高電壓系統中使用分離原件，隨著電壓等級的提高，要求增大相間間隙，而核電廠等多處于沿海區域，難以找到大片的平整土地，GIS的使用可以很好的解決這一問題。對比AIS變電站，GIS設備可以在很大程度上節約用地面積。如220 kV等級，GIS的占地面積為AIS的10%，而500 kV等級，GIS的占地面積為AIS的5%（注：由于各電站的變壓器數量和出線數量的不同，主接線的設計形式也存在差異，具體比例可能和本文中所列數據有些許偏差）。利用現代的科學技術，變電站的占地面積已經從原來的足球場大小降到了幼兒園大小，如圖2所示。

3.2 電氣設備造價及相關建設費用

相對于AIS設備，由于其技術含量大，對制造工藝要求高，GIS設備的造價相對較高，但由于GIS設備的模塊化設計，省去了構支架及其土建的費用，安裝也相對較低。

圖2 GIS用地比較示意圖Fig.2 Land occupation comparison for GIS

下面以一個500/220 kV變電站為例進行費用比較，該變電站500 kV側采用線路至變壓器組直接接線，220 kV側采用雙母線接線。GIS設備的價格如表1所示，GIS和AIS變電站的部分投資費用比較如表2所示。

由于各變電站的地質條件及設計基礎標高存在差異，土建的開挖量和回填量等重要指標存在不確定性，土建費用很難估算準確。但是，由于GIS占地面積小，此部分的土建費用也會低于AIS設備。同時，相對小的變電站面積，會使工程所需的接地材料、動力和控制電纜等材料大大節約。

由此可見，GIS設備的造價遠大于AIS設備，但卻可在安裝和土建等其他方面節省部分投資。總的來講，去除占地費用，GIS的總體投資仍大于AIS設備。

4 設備制造、運輸及現場安裝

4.1 設備制造

GIS設備由于其涉及的電器設備多、工藝復雜，其生產周期較AIS設備長。但隨著工藝的日趨成熟，某國外公司甚至創造了14周供貨，從設計到調試耗時6個月的記錄。

表1 各廠家GIS報價Table 1 Quotation by GIS manufacture 單位：萬元人民幣

表2 GIS和AIS變電站的投資費用比較表Table 2 Comparison between GIS and AIS substation investment

4.2 設備運輸

GIS在組裝過程中，對環境和材料的要求很高，必須在戶內安裝和試驗。這樣的工藝要求必然決定了GIS是按間隔整體運輸的。

4.3 設備現場安裝

不同于AIS的設備安裝，GIS設備安裝省去了組立構支架，安裝母線、絕緣子和連接金具等工序，僅需少量的地錨和鋼支架就能使組合電器固定在基礎之上，然后安裝單位在設備制造廠家技術人員的指導和配合下，拼接各間隔的組件。完成GIS設備安裝后，要將GIS設備殼體內抽真空，然后充滿SF6氣體，在用專業設備檢測沒有漏氣之后，就可以進行設備的高壓試驗了。

由此可見，GIS設備的使用減少了安裝工序，這極大地減少了現場安裝投入的人力、物力，并大大縮短了工期，便于工程進行更有效的管理。但值得一提的是，GIS設備的安裝環境要求和質量控制都比AIS設備要嚴格得多，例如需采取防塵措施、連接部位的防腐處理、設備安裝的精度等都有相應的要求。這些都對安裝人員的水平提出了更高的要求。

5 運行和維護

5.1 設備運行

GIS暴露的外絕緣少，內部采用SF6氣體絕緣，加上機械結構簡單，其故障概率較常規設備低很多；GIS內部有很多由盆式絕緣子分隔而成的氣隔。每個氣隔都在氣體密度繼電器的監控之下，而且GIS的二次回路可以相當方便地與微機監控系統相連，這樣就使GIS較常規電氣設備有更高的整體有效性，提高了向用戶供電的連續性。另外，當GIS內部故障時，氣隔可以有效地限制故障范圍，并方便迅速地確定故障點。根據國家電監會電力可靠性管理中心發布的2007年全國220 kV及以上電壓等級13類輸變電設施的可靠性數據，架空線路、電纜線路及全封閉組合電器的運行可靠性指標見表3。

由表3可見，從參數值方面而論，架空線、高壓電纜和GIS三種出線方式中，GIS在各方面都優于其他兩種方式。

5.2 設備維護

GIS的斷路器的開斷性能好,觸頭燒損輕微,加上SF6氣體絕緣性能穩定,又無氫化問題，因此,斷路器的檢修周期可以大大延長。表4為某廠家所推薦的檢修時間。

表3 輸變電設施運行可靠性指標Table 3 Reliability index of transmission and distribution installations

表4 某廠家所推薦的檢修時間Table 4 Maintenance schedule recommended by a manufacture

6 擴建

GIS便于擴建。由于GIS采用積木式設計，其多樣的法蘭連接件可以為變電所的布置提供高度的靈活性。而且，法蘭件可以通過附加元件進行改造，實現不同廠家之間的GIS對接或常規電氣設備與GIS之間的連接，對變電所的擴建十分有利。

7 結論

近年來，氣體絕緣開關設備在我國也得到了迅速地推廣與應用，特別是隨著我國對開關設備提出了小型化、智能化、免維護、全工況等新的更高要求，高性能、高品質的GIS設備在國內的需求越來越強烈。由于傳統空氣絕緣開關設備受環境條件（如高海拔、潮濕、鹽霧、污穢、腐蝕等）的局限，已不能滿足某些用戶的要求。核電廠由于受占地面積、空間限制等因素制約，GIS設備可謂是首選。目前國內所使用的大部分為進口產品，但隨著我國經濟實力的增強以及國家對電力行業的重視，GIS設備國產化率將逐步提高，產品質量也將隨之提升。GIS設備應用必將擁有廣闊的前景。

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