王軍飛，姜晨曦，張　黎，郝洪震，龍　淼

（山東電力工程咨詢院有限公司，濟(jì)南　250100）

550 kV GIS設(shè)備抗低溫措施研究

王軍飛，姜晨曦，張黎，郝洪震，龍淼

（山東電力工程咨詢院有限公司，濟(jì)南250100）

GIS設(shè)備以其占地面積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在工程中得到越來越廣泛的應(yīng)用。結(jié)合±800 kV錫盟換流站中550 kV GIS設(shè)備選型，針對換流站站址區(qū)域的極限低溫（-42.4℃），對國內(nèi)4家GIS廠家的設(shè)備參數(shù)進(jìn)行調(diào)研。在此基礎(chǔ)上，提出了550 kV GIS設(shè)備的抗低溫措施，并歸納總結(jié)GIS最重要的電氣元件斷路器的伴熱帶功率計(jì)算方法，保證低溫條件下GIS的安全可靠運(yùn)行。

550 kV GIS；SF6氣體液化；SF6氣體壓力；伴熱帶

0　引言

封閉式組合電器（GIS）以其占地面積小、運(yùn)行可靠性高、維護(hù)工作量小等優(yōu)勢，在國內(nèi)交流變電站、特高壓換流站中得到廣泛應(yīng)用。由于GIS采用SF6氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)，受環(huán)境溫度的影響很大，當(dāng)氣室內(nèi)氣體溫度降低到液化臨界點(diǎn)附近，氣室內(nèi)部分SF6氣體開始產(chǎn)生液化，造成設(shè)備絕緣性能下降，當(dāng)SF6氣體壓力下降至最低功能值時(shí)，導(dǎo)致設(shè)備無法正常運(yùn)行。本文以±800 kV錫盟換流站550 kV GIS設(shè)備為例，研究在極端低溫地區(qū)該設(shè)備的抗低溫措施。

1　設(shè)備運(yùn)行環(huán)境溫度選擇

根據(jù)DL/T 5222—2005《導(dǎo)體和電器選擇設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》6.0.2條規(guī)定，屋外電器最低環(huán)境溫度宜按一年中所測得的最低溫度的多年平均值選取?！?00 kV錫盟換流站極端最低氣溫為-42.4℃（1953-01-15），近50年極端最低氣溫為-39℃。鑒于特高壓換流站在系統(tǒng)位置的重要性，為提高站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行的可靠性，保證當(dāng)?shù)貐R集電源的可靠外送，避免發(fā)生因設(shè)備絕緣氣體壓力下降導(dǎo)致的閉鎖現(xiàn)象，選擇最低溫度為-42.4℃。

2　SF6氣體液化溫度調(diào)研

目前國內(nèi)主要有4家制造廠生產(chǎn)550 kV GIS設(shè)備，分別是西安西電開關(guān)電氣有限公司（西開）、新東北電氣（沈陽）高壓開關(guān)有限公司（沈高）、山東泰開高壓開關(guān)有限公司（泰開）及平高東芝高壓開關(guān)有限公司（平高東芝）。不同廠家550 kV GIS設(shè)備氣室壓力及對應(yīng)的液化溫度如表1所示。

由表1可知，為保證斷路器的絕緣性能和開斷能力，斷路器氣室SF6氣體壓力不宜過低；其他氣室設(shè)備僅需保證其絕緣性能，氣室壓力可以設(shè)計(jì)得較低。西開、沈高和泰開廠家的GIS設(shè)備在-42.4℃溫度下，除斷路器氣室外的其余氣室設(shè)備均可正常運(yùn)行；平高東芝廠家的GIS設(shè)備氣室最低功能壓力下對應(yīng)的液化溫度均高于-42.4℃，需補(bǔ)做相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證。

表1　550 kV GIS氣室壓力與液化溫度對應(yīng)表

3　GIS斷路器抗低溫措施

降低氣室壓力在一定程度上解決了SF6氣體液化的問題。但對于斷路器氣室，若氣室內(nèi)SF6氣體壓力降低，則斷路器開斷能力下降，絕緣水平也隨之下降。因此在高寒地區(qū)，過度降低斷路器氣室額定壓力不是有效的措施。

目前，在電力行業(yè)內(nèi)普遍采用氣室內(nèi)充混合氣體和外殼上加裝“伴熱帶”兩種方式來解決工程中斷路器氣室SF6氣體液化問題。采用混合氣體作為斷路器的滅弧和絕緣介質(zhì)存在兩方面問題：第一，為維持產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不變，設(shè)備的開斷能力需降低；第二，若要維持?jǐn)嗦菲鞯拈_斷能力不變，則需提高混合氣體的額定壓力，但在添加何種氣體、其比例如何、滅弧室需要在原產(chǎn)品結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上做大幅度調(diào)整，技術(shù)難度較大，實(shí)用性不強(qiáng)。因此，實(shí)際工程中應(yīng)用最多的是“伴熱帶”的加熱方式。

3.1伴熱帶裝置

“伴熱帶”加熱方式是指在GIS斷路器外殼安裝一個(gè)加熱裝置，該裝置由溫控器、電熱器等元件組成。當(dāng)環(huán)境溫度低于一定溫度 （通常設(shè)定為-25℃）時(shí)，加熱裝置自動(dòng)投入使用，對斷路器內(nèi)SF6氣體進(jìn)行加熱，熱量由斷路器外殼傳導(dǎo)至SF6氣體中，保證斷路器內(nèi)SF6氣體溫度高于液化溫度，從而保證產(chǎn)品性能。伴熱帶的結(jié)構(gòu)及裝配分解分別如圖1、圖2所示。

圖1　伴熱帶結(jié)構(gòu)圖　圖2　伴熱帶典型裝配分解圖

3.2伴熱帶功率計(jì)算

伴熱帶的功率大小直接決定斷路器能否在低溫條件下可靠運(yùn)行，與斷路器主回路電阻、額定電流、環(huán)境溫度、伴熱帶的覆蓋面積等有關(guān)。

面積比系數(shù)為伴熱帶對斷路器殼體的覆蓋面積S0與斷路器等效散熱面積S1之比，即

以錫盟換流站為例，當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到-42.4℃時(shí)，低于斷路器氣室的最低功能壓力，斷路器已無法正常運(yùn)行。將最低功能壓力對應(yīng)的液化溫度T0與環(huán)境溫度的差值定義為補(bǔ)充溫升。為滿足可靠性要求，工程中將往往在環(huán)境溫度（通常設(shè)定為-25℃）尚未達(dá)到最低功能壓力所應(yīng)對的液化溫度時(shí)，伴熱帶已投入使用。故補(bǔ)充溫升為

伴熱帶的熱量要經(jīng)過薄空氣層傳到斷路器殼體再進(jìn)入斷路器內(nèi)使SF6及內(nèi)部零部件升溫，而且還有很少熱量經(jīng)電熱板外部的保溫層散在大氣中，因此僅有一部分熱量傳入斷路器內(nèi)部，其傳熱系數(shù)近似0.7～0.9，伴熱帶功率為

式中：R為斷路器主回路電阻，μΩ；In為斷路器額定電流，A；ΔT1為補(bǔ)充溫升，℃；ΔT2為斷路器溫升試驗(yàn)時(shí)SF6氣體的溫升，℃；Ks為面積比系數(shù)；Kr為傳熱系數(shù)。

3.3其他抗低溫措施

除斷路器外，GIS匯控柜、操作機(jī)構(gòu)等部位均需采取一定的保溫措施，以保障設(shè)備正常運(yùn)行。對于低溫地區(qū)使用的液壓機(jī)構(gòu)，可通過對該機(jī)構(gòu)增加加熱裝置的方法來實(shí)現(xiàn)抗低溫能力，保證機(jī)構(gòu)能在低溫條件下可靠工作；為了保證控制柜

內(nèi)電器元件在低溫下可靠運(yùn)行，除增加加熱裝置外，可采用帶有隔熱層的雙層保溫控制柜和機(jī)構(gòu)箱，該結(jié)構(gòu)可以有效地降低控制柜內(nèi)熱量的散失，在外界環(huán)境處于低溫時(shí)，由于加熱器加熱和雙層保溫控制柜的良好保溫作用，保證柜內(nèi)溫度不低于0℃，柜內(nèi)所有電器元件能夠可靠運(yùn)行；為了保證低溫密封環(huán)節(jié)的可靠性，可采用低溫密封圈來保證殼體間的良好密封，確保在低溫地區(qū)設(shè)備的年漏氣率滿足國標(biāo)要求，并且采用適用于低溫的潤滑脂保證機(jī)構(gòu)傳動(dòng)部分軸密封的可靠性；為了保證SF6密度繼電器監(jiān)控可靠性，采用低溫密度繼電器，該繼電器的溫度補(bǔ)償連接金屬片將按照低溫進(jìn)行修正，可以保證密度繼電器在低溫條件下正常工作。

4　結(jié)語

不同GIS廠家的產(chǎn)品各氣室內(nèi)SF6氣體額定壓力和最低功能壓力值雖然不盡相同，但一般均采用在斷路器氣室殼體外裝伴熱帶，其他氣室適當(dāng)降低SF6氣體額定壓力的方式，使550 kV GIS設(shè)備適應(yīng)超低溫運(yùn)行工況，避免了采用混合氣體引起產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變化、氣體比例很難控制等問題。換流站規(guī)模大，伴熱帶功率的大小直接影響站用變壓器的容量，對伴熱帶功率的計(jì)算方法進(jìn)行了分析，由于各廠家的斷路器結(jié)構(gòu)并非完全一致，制造廠尚需結(jié)合工程實(shí)際，用試驗(yàn)的方法驗(yàn)證伴熱帶功率是否滿足工程需要。此外，隨著GIS廠家技術(shù)的不斷改進(jìn)，GIS產(chǎn)品參數(shù)可能會(huì)有所變化，及時(shí)了解550 kV GIS最新的性能參數(shù)，對優(yōu)化設(shè)計(jì)方案具有重要意義。

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Low Temperature Resistant Measures for 550 kV GIS Equipment

WANG Junfei，JIANG Chenxi，ZHANG Li，HAO Hongzhen，LONG Miao
（Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co.，Ltd.，Jinan 250100，China）

The GIS equipment with advantages of small occupation area，high reliability，has been widely used in projects. Aiming at the ultimate low temperature（-42.4℃）on the location，equipment parameters of four domestic GIS manufacturers are investigated according to 550 kV GIS equipment selection in±800 kV Ximeng converter station.On this basis，low temperature resistant measures of 500 kV GIS equipment are proposed.In order to ensure the safe and reliable operation of GIS under the condition of low temperature，the power calculation method is summarized about heating-belt of the circuit breaker，which is the most important electrical component of GIS.

550 kV GIS；SF6gas liquefaction；SF6gas pressure；heating-belt

TM595

B

1007-9904（2016）08-0054-02

2016-03-02

王軍飛（1981），男，工程師，從事變電站設(shè)計(jì)工作。