第六章气体绝缘封闭电器.doc

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1、第6章 气体绝缘封闭电器第1节 GIS概述一、 GIS的定义GIS是Gas Insulated metal-enclosed Switchgear的缩写，意思是气体绝缘金属封闭开关。它是把各种控制和保护电器、断路器、隔离开关、接地开关、互感器（VT及CT）、避雷器和连接母线，全部封装在接地的金属壳体内，壳内充以一定压力的SF6气体作为相间及对地的绝缘。国内称之为封闭式组合电器。二、GIS的结构形式封闭式组合电器分为分箱式（一相一壳）及共箱式（三相共筒）两种 ，近几年出现了介于GIS及敞开式电器AIS (Air Insulated Switchgear)之间的半封闭式组合电器，简称H-GIS (

2、Hybid-GIS)。 1、分箱式GIS的特点：相间影响小，运行中不会出现相间短路故障，而且带电部分与接地外壳间采用同轴电场结构，电场的均匀性问题较易解决，制造也较方便；但是，钢外壳中感应电流引起的损耗大，外壳数量及密封面较多，增加了制造成本及漏气的几率，其占地面积和体积也较大。水电站常用于550kV以上。2、三相共箱式GIS的特点：结构紧凑，外形尺寸和外壳损耗都较小；但是，其内部电场为三维电场，电场均匀度问题是个难点，相间影响大。 水电站363kV以下，常采用此结构。另外，按照断路器采用水平断口或垂直断口的不同，可分为卧式和立式。GIS设备可布置在室内，也可布置在室外。三、 GIS的特点1、

3、外形尺寸显著减少。所以占地面积小，126-500kV只有传统型开关站的30%-15%，空间只有20%-10%。2、运行安全。全部高压设备都密闭在接地的金属外壳内，运行人员不会触及高压，也没有火灾危险。3、可靠性高。因最大限度地减少或避免与大气的接触，各元件受环境影响小，特别适用于湿热、污秽、高寒地区等严酷的环境条件。4、可整体或若干元件组成一体运输，现场安装方便、工期短，维护工作量少，寿命长。5、无明显的噪声，也不会产生无线电干扰。6、 适应性强。因重心低、脆性元件少，故抗震性能好。7、制造困难，价格贵。但其土建费用和运行维护费用比常规的电器设备少。8、SF6气体为温室效应气体，对地球环境影响

4、不好。四、GIS的一次主接线 126/145kVGIS主要布置形式有单母、双母分段、桥形、双桥、双母、变压器直联等多种接线方式，以桥形接线为多。 252kVGIS主要布置形式有单母、双母分段、双母、一倍半等接线方式，其中双母接线为多。 363/550kVGIS主要布置形式有、双母、一倍半、三角形、平行四边形等接线方式。GIS可满主各种主接线的要求，主要一次主接线类型:单母线接线形式双母线接线形式桥形接线形式一倍半接线形式三角形接线形式平行四边形接线形式1、 3/2接线系统图6-12、 4/3接线系统图6-23、 H型接线系统图6-34、 H-GIS1、CB断路器 2、DS隔离开关 3、ES/F

5、ES检修/故障关合接地开关 4、BUS母线 5、CT电流互感器 6、VT电压互感器 7、LA避雷器 8、LCP 就地控制柜9、终端元件 SF6 air Bsg ; SF6 oil Bsg CSE电缆终端 图6-45、 双母线接线图6-5 5、 GIS总体布置 126kV单母布置形式 126kV标准桥型布置形式 126kV标准桥型布置形式 126kV双母线布置形式 图6-6 550kV一倍半接线布置形式252kV双母线布置形式 363kV双母线布置形式图6-7 母线布置方式6、 电气控制系统控制系统直接反映元件的工作状态，电力系统运行状态和变电站的运行方式实现就地及远方操作与主控屏连接后，可实现

6、自动跳闸和重合闸。控制部分实现GIS元件的闭锁和元件之间的联锁。采用程序化控制，由计算机统一管理，实现电站无人化。元件之间、间隔之间实现功能连锁，保证一次设备安全运行。七、典型GIS布置方式 1、龙滩电站4/3接线系统。GIS分为两部分，分别布置在GIS室内和主变洞内。本期使用设备： 断路器：16台。 隔离开关：51台。 普通接地开关： 51台。 快速接地开关：14台。 电流互感器：129组。 电压互感器：27相 避雷器：27相组装中的龙滩水电站550kV GIS 图6-8 龙滩水电站550kV GIS外形图（GIS室部分）图6-10出线电缆头图6-11 龙滩水电站550kV GIS外形图（主

7、变洞部分）2、3/2接线系统为母线分箱结构图6-12 3/2接线系统为母线分箱结构3、 ZF9-252 GIS为主母线三相共用一个壳体，其余分相式布置结构和全三相分箱结构。ZF9-252 GIS 用断路器可根据配置需要选用立式布置或卧式布置（以立式布置居多）。 图6-138、 标准间隔举例 GIS一般由实现各种不同功能的单元组成，称间隔，主要有进（出）线间隔、母联间隔、测量保护间隔等,并根据用户的不同要求组成桥形接线、单母线分段、双母线等不同的接线方式。 图6-14 252kV GIS电缆进出线间隔布置示例 252kV GIS进出线间隔布置示例 图6-15图6-16 252kV GIS母联间隔

8、布置示例第2节 GIS组合电器基本元件GIS的气体系统可以分为若干气室。1、一般断路器压力高，它和电流互感器组成一个气室；2、主母线、电压互感器、避雷器分别为独立的气室，3、其他元件根据工程确定气室划分。各气室分别由相应的密度控制器监测气体压力。GIS一般每间隔设有一个就地控制柜，各元件控制、状态信号，各气室密度监测信号，以及电压、电流互感器二次出线全部引到就地控制柜，并通过就地控制柜与继保室相连。1、 断路器1、卧式布置的断路器 ZF11-252T型断路器由本体、拐臂箱和操作机构组成。装有传动连杆的拐臂箱位于断路器的端部，操作机构箱固定在拐臂箱上。 断路器内部结构 1、导体 2、灭弧室组件

9、断路器外观 1、本体 2、拐臂箱3、操作机构图6-17 断路器断路器灭弧原理断路器内部导电回路由导体和灭弧室组件构成。灭弧室组件内部结构如图2-13所示。该灭弧室采用自能式灭弧原理，当断路器接到分闸命令后，以活塞、动弧触头、拉杆等组成的刚性运动部件在分闸弹簧的作用下向左运动。在运动过程中，静主触头与动主触头分离，电流转移至仍闭合的两个弧触头上，随后弧触头分离形成电弧。1-拉杆 2-弹性释压阀 3-压气室 4-活塞 5-单向阀 6-热膨胀室 7-动弧触头 8-动主触头 9-静弧触头 10-静主触头图6-18灭弧室结构2、立式式布置的断路器 ZF11-252(L)型GIS断路器为单断口，三相分装立

10、式布置，液压机构置于本体的下部。 断路器内充以相对压力为0.6MPa 的SF6 气体，作为绝缘和灭弧介质。每台断路器为一单独气室，由盆式绝缘子与相邻气室隔离。三极断路器通过气路连通成一个气室。 三极断路器的出线方式有两种，一种是两侧出线，另一种是同侧出线。每极断路器的内部结构见下图，下图中为两侧出线方式。图6-19 立式式布置的断路器图6-20 灭弧过程3、断路器的操动机构（1）弹簧操动结构图6-21弹簧操作机构6-1合闸弹簧 6-2合闸脱扣器6-3合闸止位销 6-4棘轮 6-5棘爪 6-6拉杆 6-7传动轴 6-8储能电机6-9主拐臂 6-10凸轮6-11磙子 6-12分闸止位销6-13分闸

11、脱扣器 6-14分闸弹簧6-15分闸弹簧拐臂 6-16传动拐臂6-17主传动轴图6-22图6-23 在调试或维护期间，或者发生控制电源故障或者弹簧机构故障等紧急情况下，可通过手动按下分闸电磁铁铁芯、合闸电磁铁铁芯使断路器分、合闸。当断路器合闸弹簧已储能，且断路器处于分闸位置时，用力压合闸电磁铁铁芯，可使断路器合闸。当断路器分闸弹簧已经储能时，用力压分闸电磁铁铁芯，可使断路器分闸。操作力20N左右。手动操作 合、分闸电磁铁图6-24 如果由于电源或者储能电机故障导致不能对合闸弹簧进行储能，可以通过专门的储能手柄进行手动储能。如左图所示,将手柄插到伞形齿轮的上，逆时针方向转动，储能轴通过最高点后，

12、大齿轮和储能轴分离，凸轮和储能保持掣子发生撞击，发出“砰”的一声响，储能完成。 注意：只有经过培训的人员才能进行手动操作；在手动操作前，请切断储能和控制回路电源；检查并确保断路器气室压力超过闭锁压力，如果压力过低，则不能进行断路器分、合闸操作。1-三角板 、2-棘爪 、3-伞形齿轮 4-手动储能手柄图6-25（2）液压操动结构 A、结构一图6-26B、结构二 图6-27（3）压缩空气操动机构 压缩空气系统可为GIS断路器、隔离/接地开关（如选用气动机构）操作提供气源的装置。 通常 GIS压缩空气系统可选用双回路供气，确保正常供气及检修之用。GIS压缩空气集中供气系统可选用由两台空气压缩机、两个

13、主储气罐、控制屏和电气柜构成。 图6-28压缩空气系统图6-294、 断路器控制柜图6-30 断路器控制柜2、 隔离开关角形隔离开关、接地开关主回路转折处线形隔离开关、接地开关主回路非转折处（直线处）普通隔离开关、接地开关配电动机构快速隔离开关、接地开关配电动弹簧机构 图6-32 角形外部结构图6-33 线形内部结构图6-34 线形外部结构二、隔离开关1、分相式隔离开关 隔离开关(分相式）有GL、GR两种: GR型载流回路呈直角形 GL型呈直线形。 两种隔离开关的所有带电部件均安装在金属壳体中。 两种隔离开关都可组合进一台接地开关,构成三工位隔离开关。 a.GR型布置 b.GL型布置b. GL

14、型布置图6-35图6-36 ZF11-252（L）GR型直动型隔离开关的结构原理图6-37 ZF11-252（L）GL型直动型隔离开关的结构原理三工位隔离/接地开关三工位隔离接地开关模块组合了隔离开关和接地开关的功能。可实现接地开关和隔离开关之间的有效互锁。三工位隔离接地开关外部结构 1、电动操动机构 2、本体图6-38 三工位隔离/接地开关三工位的内部结构1、盆式绝缘子 2、隔离触头座 3、外壳 4、动触头座 5、接地触头座图6-39 三工位的内部结构三工位导电路径 隔离开关合闸位置接地开关合闸位置 接地开关隔离开关均在分闸位置图6-40三工位实体机构箱图6-41 实物图三工位的工作原理本操

15、动机构具有电动和手动两种驱动方式。本机构有两台电机，一台用于驱动隔离开关，一台用于驱动接地开关。在手动情况下，摇手柄通过驱动丝杠来实现操作动作。机构对隔离接地开关提供的旋转运动，是通过齿轮、丝杠螺母组、槽轮等运动付之实现。当隔离接地开关处于隔离开关合闸状态时，它不能直接操作过渡到接地开关合闸状态，必须先进行隔离开关分闸操作且分闸到位，才能实现接地开关的合闸操作。当隔离接地开关处于接地开关合闸状态时，它不能直接操作过渡到隔离开关合闸状态，必须先进行接地开关分闸操作且分闸到位，才能实现隔离开关的合闸操作。图6-42 操作图2、 共相式隔离开关图6-43 ZF9-252 GIS三相共箱式隔离开关 内

16、部结构图3、隔离开关操动机构（1）弹簧操动机构 机构为弹簧/电动机构，因而减少了压缩空气供给系统空气管路，向无油化，无气化迈出了一大步，运行更可靠，更安全。图6-44 隔离开关配CTG2型弹簧操动机构或CJG2型电动操动机构原理图弹簧操动机构另外一种结构图6-45 弹簧结构（2） 电动操动机构图6-464、 检修接地开关检修接地开关不具备短路电流关合能力。正常情况下，采用电动操作；电动失效的或维护时，可以手动操作。1.机构 2.本体图6-47 检查接地开关 装在壳体中的动触头通过密封轴、拐臂和连接机构相连，壳体采用转动密封方式和外界环境隔绝，当该接地开关合闸时其接地通路是静触头，动触头、壳体及

17、接地端子。 接地开关壳体与GIS壳体之间具有绝缘隔板，拆开接地线后，可用于主回路电阻的测量，断路器机械特性的检测。 可选配电动/弹簧机构或气动机构图6-48 接地开关内部接地开关单极装配结构举例图6-49 接地开关单级装配三相共箱式检修用接地开关图6-50 接地开关5、 快速接地开关（故障接地开关）快速接地开关：具有关合短路电流的能力。具有开合感应电流的能力。接地开关壳体与GIS壳体之间具有绝缘隔板， 拆开接地线后，可用于主回路电阻的测量断路器机械特性的检测。可选配电动/弹簧机构或气动机构。1、潜供电弧及其熄灭方法潜供电弧,是在单相接地故障发生后，故障相两端断路器跳开，由故障相与健全相以及可能

18、的相邻线路通过静电耦合和电磁耦合向故障点提供的电流引起的电弧。熄灭潜供电弧的方法主要有超高压电抗器中性点接小电抗和使用快速接地开关HSGS(High Speed Grouning Switches)2种。超高压输电线路的故障90%以上是单相接地故障，而单相接地故障中约有80%为“瞬时性”故障。在我国330kV、500kV线路大多采用单相重合闸消除单相接地故障，来提高系统的稳定性和供电的可靠性。单相重合闸的成功与否取决于故障点的潜供电弧能否自熄。330kV及以上的输电线路，其潜供电弧一般不能快速自灭，必须采取措施。(220kV及以下输电线路的潜供电弧均能快速自灭，它不会妨碍单相快速自动重合闸的应

19、用。)2、快速接地开关的作用原理（1）当线路发生单相故障时，故障线路两侧开关断开，但是由于正常相与故障相之间或与其它平行线路之间存在电磁耦合，出现潜供电流，不利于断路器熄弧。为了减少潜供电流，在两侧开关断开时，自动装置动作立即合上两侧的快速接地开关，将潜供电流引入大地，以达到断路器快速灭弧的作用。（2）当外壳内部绝缘子出现爬电现象或外壳内部燃弧时，快速接地开关将主回路快速接地，人为造成短路，继电保护动作，利用断路器切除故障电流。 3、断路器和快速接地开关的配合：（1)单相接地短路故障发生，产生一次电弧； (2)故障相两端开关跳闸，一次电弧熄灭，潜供电弧(二次电弧)产生； (3)装设于故障相的H

20、SGS动作接地，潜供电弧熄灭； (4)快速接地开关断开； (5)重合闸动作，开关重合。3、 快速接地开关的结构快速接地开关具有关合短路电流及开合感应电流的能力，由电动弹簧机构驱动。 1-快速接地开关 2-连接机构 3-电动弹簧机构图6-51 快速接地开关4、 快速接地开关的手动操作（1）只有满足所有的闭锁条件，才可以进行手动操作，同时设备必须已经解锁。（2）在紧急情况下，故障关合接地开关可以用操作手柄直接动作，当手动操作时，电动机电源将被自动切断。6、 电压互感器图6-52 电压互感器JDQX 型SF6 电压互感器为封闭式，金属外壳为钢板焊接件或铝合金焊接件，内充SF6 气体作主绝缘，内装铁心

21、由条形硅钢片迭装成口字形，一次绕组，二次绕组及剩余绕组均成圆筒，线圈装在同一心柱上，铁心用四根螺栓固定在外壳底座上。外壳上装有二次出线盒用于连接测量仪表，进行测量和控制，并设置有吸附剂用于吸附内部SF6 水份，及充放气接头等。 七、电流互感器图6-53 电流互感器 结构内装有三个二次线圈，一次为穿心式，即原边仅有一匝。每个线圈有两个抽头，它们都放置在金属壳体内，壳体内充额定压力的SF6 气体。主绝缘是SF6 气体和盆式绝缘子。电流互感器装配时线圈按图1（以装3 个线圈为例）中位置1、2、3 的顺序规定先装入保护用线圈，后装入测量用线圈。如果电流互感器内装有两只线圈，则位置3 空缺，装有4 只线

22、圈，则增加位置4。 每只线圈上都有极性标志P1，装入时应与壳体上的标志P1 一致，以保证一次接线端子与二次接线端子在同一瞬间具有同一极性，即当一次电流由P1 流向P2 时，二次电流从Kn1 经外回路流向Kn2（n 为1，2，3 或4）。 八、避雷器用于限制电力系统的过电压，实现过电压保护。图6-54 避雷针 主要由氧化锌阀片、均压罩、外壳、放电计数器以及绝缘盆和电联接器等部分组成。其主要元件氧化锌阀片封闭在接地的金属壳体内，一端通过放电计数器与地接通，另一端通过电联接器与封闭电器的电回路接通。壳体内部充以0.45MPa 的SF6 气体作为绝缘介质。 氧化锌阀片具有优良的非线性伏安特性，当系统出

23、现过电压时,氧化锌阀片呈现低电阻，在正常运行电压下,它呈现高电阻,避雷器中流过微小的电流，几乎使系统与大地绝缘。 正是利用氧化锌的这一特性而做了保护用的避雷器，当出现大气(雷电)或操作冲击过电压时，氧化锌避雷器首先释放过电压能量，并将过电压幅值限制在被保护电气设备绝缘所能承受的允许值范围内，并留有一定的安全裕度，此后氧化锌避雷器又恢复高阻状态，使电力系统正常工作。九、终端元件1、出线套管出线套管用于该组合电器与架空线的连接，它通过一个连接筒与三相主回路相连。图6-55 出现套管1、出线套管作用套管的作用是供架空线与GIS连接使用。2、套管结构1、接线板 2、导电杆3、瓷套装配 4、屏蔽环5、连

24、接筒 6、分子筛7、静触头 8、接头9、绝缘子图6-56 出线套管2、电缆终端电缆终端是把高压电缆连接到GIS中的部件。图6-573、 变压器连接头变压器连接头是把变压器引出接头连接到GIS中的部件。图6-58十、母线母线通过导电连接件与组合电器的其它元件连通并满足不同的主接线方式，来汇集、分配和传送电能。同时设有伸缩节、波纹管调节装置等。图6-59 母线共箱母线两节装配图6-60 母线装配图母线筒内导体为三角形布置，盘式绝缘子通过导体和触头将三相母线固定于一定的位置上，并起对地绝缘作用 。图6-61 11、 伸缩节：适应热胀冷缩及地基变形的需要。图6-63 伸缩节12、 SF6气体密度继电器

25、图6-64 SF6气体密度继电器图SF6气体密度开关主要由弹性金属曲管1、齿轮机构和指针2、双层金属带3等零部件组成，实际上是在弹簧管式压力表机构中加装了双层金属带而构成的。空心的弹性金属曲管1与断路器相连，内部空间与断路器中的SF6气体相通，弹性金属曲管1的端部与起温度补偿作用的双金属带3铰链连接，双层金属带3与齿轮机构和指针机构2铰链连接。图6-65SF气体压力及密度继电器整定值 （表压 20）表6-66名 称数 值备 注断路器气室其它气室额定压力 MPa0.600.40补气压力 MPa0.52 0.0150.350.015最低功能压力 MPa0.50 0.0150.330.015过压报警

26、 MPa0.65 0.0150.450.015注：表示在压力下降时测量，表示在压力上升时测量。13、 接地系统包括就地控制柜、接地开关、铁架等GIS的隔部件，压缩型接地端子与接地线并与主网地牢固地联系在一起。采用接地铜板来相互连接，以保证GIS内部组件相互和接地线间的安全电位差异，而且可以防止通过故障电流时不发生因过热引起熔损。图6-67 GIS外壳接地14、 汇控柜间隔汇控柜用于隔位主接线的模拟、主控室与隔位各元件的连接，实现隔位各元件的近控、远控及状态显示和电气测量等。第3节 GIS组合电器的运行一、GIS巡视检查与SF6气体监控1、 GIS巡视检查（1）检查断路器、隔离开关、接地开关的位

27、置指示器是否正确。（2）检查控制箱内的指示灯、加热器工作是否正常。（3）检查SF6气体压力表是否正常，当发现在同一温度下相邻两次压力表读数差值达0.010.03Mpa时，应立即通知检修人员进行气体检漏。（4）检查断路器和避雷器的动作计数器指示数，并做好记录。（5）检查接线端子（包括二次）有无过热现象。（6）检查组合电器内部有无异常（放电）声音，及设备周围有无异常气味。（7）检查盆式绝缘子外露部分有无损伤、裂纹。（8）检查组合电器各配管及阀门有无损伤，阀门开闭位置是否正确，管道法兰（绝缘）与支架是否良好。（9）检查断路器空气箱有无漏气（压缩空气操作）和漏油（液压机构操作）现象。（10）采用远红外

28、测温仪测量外壳的温度。 GIS 的外壳设计上是允许触摸的，但是对线路地刀的接地板处运行时是不允许触摸的，这里的温升可能达到 70K ，触摸可能造成灼伤事故。（11）外壳、支架等应无锈蚀、损伤，接地应完好，各类箱、柜门应关闭严密，无异常声音或异味。（12）设备参数及保护定值是按图纸要求或调度定值设定的。因此不得随意改变设定值。（13）汇控柜控制把手、空气开关必须按现场设备运行情况投退，不得随意更改。（14）现场控制柜（汇控柜）上各种信号指示、控制开关的位置应正确。1 状态指示器 2 显示器3 控制钥匙（限制测量与报警权限） 4 模拟图（表示该间隔主接线形式） 5 SF6 故障报警 6 各装置位置

29、（分或合）指示器 7 选择按钮（发出命令前使用） 8 故障指示器（显示装置故障） 9 控制指示器（提供已选择装置的可执行性） 10 控制按钮（分、合） 11 控制模式选择（远方、就地、锁定） 图6-68 控制柜表6-69序号检 查 项 目标 准1标志牌名称、编号齐全、完好。2外观检查无变形、无锈蚀、连接无松动；传动元件的轴、销齐全无脱落、无卡涩；箱门关闭严密；无异常声音、气味等。3气室压力在正常范围内，并记录压力值。4闭锁完好、齐全、无锈蚀。5位置指示器与实际运行方式相符6套管完好、无裂纹、无损伤、无放电现象。7避雷器在线监测仪指示正确，并记录泄漏电流值和动作次数。8带电显示器指示正确。9防爆

30、装置防护罩无异样，其释放出口无障碍物，防爆膜无破裂。10汇控柜指示正常，无异常信号发出；操动切换把手与实际运行位置相符；控制、电源开关位置正常；连锁位置指示正常；柜内运行设备正常；封堵严密、良好；加热器及驱潮电阻正常。11接地接地线、接地螺栓表面无锈蚀，压接牢固。12设备室通风系统运转正常，氧量仪指示大于18%，SF6气体含量不大于1000mL/L。无异常声音、异常气味等。13基础无下沉、倾斜。2、SF6气体监控及设置方式GIS中对SF6气体的监控，主要包括气体压力式密度监视、气体检漏、水分监测与控制等方面内容。设置方式有集中安装和分散安装两种。集中安装是将各气室用的压力表、密度控制器和各种控

31、制阀门都集中装在箱内，通过气管与气室相连。分散安装是将监视装置直接装在各个气室的外壳上。3、GIS中SF6气体压力或密度监控措施一般每个气室均设置单独的SF6气体监控箱，其中包括下列元件：（1）SF6压力表。可直观地监视气体压力的变化。由于SF6压力随环境温度而变，故必须对照SF6的压力温度曲线才能正确判断气室中压力值，从而判断气室是否泄漏。如不装压力表，可减少漏气点，但运行中需定期检测。（2）SF6气体密度继电器（或称温度补偿压力开关）。当气体泄漏时，先发出补气告警信号。如不及时地对气室进行补气，继续泄漏则进一步对开关进行分闸闭锁，并发出闭锁信号。一般密度继电器分为机械式和非机械式两种，对断路器气室用的密度继电器必须有报警压力和闭锁压力两组控制触点，GIS其它气室用的密度继电器一般只有报警信号触点。（3）充气及取样口，即可供充、补SF6气体之用，亦可供测定水分含量时取样之用。二、GIS的一般维护内容 1、外观检查并记录；2、清除GIS表面的灰尘和污垢3、气室的SF6气压检查与补气4、SF6气体检漏5、检查结构汇控柜是否有积水6、除锈、补漆