高寒地區HGIS設備冬季低溫應對措施

周萬駿，陳文濱，馬衛華，江海濤，潘宏承，李盈盈

(1.國家電網公司交流建設分公司，北京 100052；2.國網福建省電力有限公司漳州供電公司，福建 漳州 363000)

0 引言

內蒙地區煤炭資源比較豐富，但其熱值不高，遠距離運輸后進行火力發電的經濟性非常低，就近轉化成清潔的電能是最好的選擇。某變電站位于內蒙古錫林浩特市，海拔較高，冬季嚴寒，極端最低氣溫-42.4 ℃，極端最低氣溫累年平均值為-33.7 ℃。為了滿足極限溫度-42.4 ℃環境下正常運行的要求，需對HGIS(hybrid gas insulated switchgear)設備采取低溫應對措施，防止絕緣氣體液化造成HGIS閉鎖。

1 HGIS SF6低溫運行問題

HGIS是一種組合電器，主要包含斷路器(GCB)、隔離開關(DS)、接地開關(ES)和電流互感器(CT)等元件。根據需要對各元件進行模塊設計組合，連接成一體后封閉于金屬殼體中。HGIS的金屬殼體內常以SF6為絕緣氣體。SF6是惰性氣體，密度大，具有較高的電氣強度、滅弧性能和優良的冷卻特性。

某變電站500 kV HGIS金屬殼體內斷路器室絕緣氣體額定壓力為0.6 MPa，報警壓力為0.52 MPa，閉鎖壓力為0.5 MPa。在0.6 MPa的額定壓力下，SF6氣體的液化溫度為-25℃，所以該站的HGIS在冬季運行時會面臨SF6氣體液化的風險。

目前，在面臨高寒地區低溫環境下SF6氣體飽和及壓力降低的問題時，國內常采取在SF6氣體中混入一定比例N2的方法。但將這種混合氣體作為絕緣、滅弧介質時，HGIS斷路器的熱開斷能力及絕緣開斷能力均會下降一個等級。采用這種方法對于500 kV電壓等級的HGIS而言，得不償失；其次，該站冬季的環境溫度遠低于HGIS斷路器室額定壓力下SF6的液化溫度，因此采用這種方法可能消除不了SF6的液化風險。

2 HGIS低溫防護措施

由于該站冬季過于嚴寒，為防止SF6液化，需要對HGIS采用外部加熱的方式來保證設備溫度始終高于SF6液化溫度。

GCB的組裝姿態如圖1所示，該站的HGIS在斷路器、接地開關、隔離開關及套管處都采取外置伴熱帶的方式，由溫控器控制交流接觸器，根據設備溫度自動地補熱或切斷加熱電源。

3 HGIS罐體外置式伴熱帶

3.1 伴熱帶介紹

該站HGIS外置式伴熱帶為河南平芝高壓開關有限公司提供的HGIS罐體外置式伴熱帶。安裝完成后如圖2所示。

該外置式伴熱帶使用304不銹鋼外殼和進口EPDM保溫棉作保溫層，發熱膜采用日本進口304鎳鉻發熱膜和美國進口硅橡膠制作而成，伴熱帶結構如圖3所示。伴熱帶的額定電壓為220 V，一組伴熱帶的額定功率為1.5 kW，通過匯控柜中溫控器控制的交流接觸器組與工頻交流電源連接，從而控制伴熱帶的上電加熱與失電待用狀態。其中，發熱膜厚度為0.05—0.08 mm，是一個扁平體；發熱面與硅膠有效接觸面大，占總體發熱面的80 %(普通電阻絲方式為40 %)。因為發熱膜是扁平體，加熱快且均勻，不存在拼絲、短路、引線脫離的現象。

圖1 GCB的組裝姿態

圖2 安裝完成的HGIS罐體外置式伴熱帶

圖3 外置式伴熱帶主要結構

3.2 伴熱帶配置

HGIS金屬殼體內的氣室壓力是不同的，各元件的外置伴熱帶配置方案也有所區別。HGIS的套管和斷路器對環境溫度要求更為苛刻，因此需配置2組伴熱帶，根據環境溫度變化情況分組投入。同時，還需配置1組備用伴熱帶，用于應對特殊極寒情況或伴熱帶檢修更換。相對于斷路器，隔離開關和接地開關對環境溫度要求稍低，需配置1組常用及1組備用伴熱帶。

4 伴熱帶投切方案

HGIS伴熱帶的投切使用主要以其配置方案為基礎。HGIS斷路器和套管的2組外置式伴熱帶，在低溫環境下需根據環境溫度閾值分檔投入。進入冬季，站內環境溫度低于-20 ℃時，溫控器自動投入1組伴熱帶進行絕緣加熱；當站內溫度低于-30 ℃時，2組伴熱帶將同時投入運行。出冬季時，環境溫度逐漸上升，當站內達到-25 ℃時，溫控器自動斷開1組伴熱帶；當環境溫度繼續上升達到-15 ℃時，剩余1組運行的伴熱帶也將被切除。此時斷路器和套管無外置式伴熱帶帶電，將有伴熱帶投切信號發送至主控。

HGIS隔離開關和接地開關的1組外置式伴熱帶運行時間是斷路器和套管的2組外置式伴熱帶運行時間的并集。當站內環境溫度低于-20 ℃時，投入運行；當環境溫度升高并達到-15 ℃時，這組伴熱帶即停止加熱，同時將會有伴熱帶投切信號發送至主控。

在操作較少的特高壓變電站，HGIS的備用伴熱帶是嚴寒時進一步確保不會造成SF6液化閉鎖的關鍵。通過三相不平衡電流法，用電流繼電器監視斷路器和套管第1組、第2組和備用組伴熱帶。當電流繼電器監測到第1組或第2組伴熱帶存在故障時，電流繼電器發出告警信號至主控，并在同一時刻自動投入備用組伴熱帶，并切斷故障伴熱帶組電源。同樣，隔離開關和接地開關的常用組和備用組伴熱帶也是通過三相不平衡電流法，用電流繼電器進行監視。當電流繼電器監測到常用組伴熱帶故障時，電流繼電器發出告警信號至主控，備用組伴熱帶自動投入，并切斷常用組伴熱帶電源。

該站地處風口，冬季嚴寒，HGIS運行于戶外，運行環境惡劣。因此，HGIS的伴熱帶在突發情況下人工可強制投入運行，并且具備最高優先級。斷路器和套管的第1組、第2組、備用伴熱帶組均可通過小型斷路器強制帶電，可以單組強制運行，也可以多組同時強制運行。此時由于運行狀態處于最高優先級，伴熱帶不再受溫控器控制，并有伴熱帶強投信號發送至主控。

同樣，隔離開關和接地開關的常用組和備用組伴熱帶，均可單組強制投入運行；也可2組同時強制帶電，并不再受溫控器控制，且有伴熱帶強投信號發送至主控。

5 GCB單元及套管低溫試驗

在該站未投運，HGIS的低溫應對措施未經嚴寒冬季考驗時，已在實驗室通過低溫試驗。

2015年12月底，GCB單元及套管(BG)外置伴熱帶在某地完成了-40 ℃的低溫試驗，試驗結果表明：伴熱帶對HGIS氣室的升溫效果良好。

低溫試驗流程按照GB 1985—2014《高壓交流隔離開關和接地開關》進行，試驗結果如表1，2所示。

表1 伴熱帶-40 ℃低溫試驗數據

表2 伴熱帶斷電2 h試驗數據(-40 ℃低溫) ℃

根據表1和表2中的數據可知，該站HGIS的低溫應對措施是可行的。該站的極端最低氣溫是-42.4 ℃，試驗模擬環境溫度雖然是-40 ℃，但由于試驗數據留有裕度，伴熱帶加熱效果仍然滿足防止SF6液化的既定目標。HGIS低溫應對措施的試驗是在HGIS空載的情況下進行的，用于模擬該站HGIS設備冷過冬，因此相對于帶電運行的HGIS設備，表1和表2中的裕度值更寬。

6 結束語

目前該站已于2017年年底正式投運，HGIS設備運行可靠，未出現閉鎖動作，實際驗證了GCB單元及套管低溫試驗的有效性；同時也驗證了該變電站HGIS設備冬季低溫應對措施具有較高的可行性。