SF6封闭式组合电器(GIS)在高压及超高压领域的使用越来越多。特别电压等级越高,技术经济效益越佳。
GIS向着高电压、大容量、小型化、共同化、复合化及二次现代化方向发展,在550kV级,将断路器的断口数从双断口减为单断口,则可使GIS小型化。根据日本实践,GIS采用单断口断路器,相比双断口断路器,将GIS布置长度减至45%,并将GIS占地面积减为37%,可见减少断口数,能有效地使GIS小型化。
在72.5kV~300kV级,GIS明显趋向于三相共同化。所谓三相共同化,是将主回路元件的三相装在公用的接地外壳内,内充SF6气体绝缘,并用环氧树脂浇铸绝缘子加以支撑和分隔。欧洲和日本都在大力发展这种结构型式。如西门子公司的8DN8型GIS为三相共同式结构,其占地面积仅为普遍式(分相式)的50%,间隔宽度仅为 0.8m。又由于采用铝外壳,做到轻量化和小型化。
复合化技术在日本得到大力发展,特别在 72/84~154kV级。所谓复合化是将断路器、电压互感器、隔离开关、接地开关等置于一个充SF6气体的气罐内。如三菱公司新开发的全新概念超小型复合化GIS,其安装面积仅为原来的40%,体积约为原来的30%。
GIS的二次控制趋向现代化、智能化,即由传统的机电系统发展成以计算机为中心的现代智能化系统。国外各大制造公司为此都付出巨大努力,并有自主控制和保护装置。 GIS已于20世纪60年代问世,其电压等级已从高压发展到超高压及特高压,如72.5- 245-550-800-110kV。由于其地位至为重要,因此其运行可靠性引起国际社会普遍重视。为此,国际大电网会议(CIGRE)于1996年向世界范围的用户作调查,并在1998年会议上以23-102号论文,作了“高压GIS运行经验调查报告”。
调查结果按6个电压等级来划分。这里介绍最重要的3个电压等级;第1级100KV≤Un 200KV,第2级200KV≤Un<300kv;第3级 300KV≤Un<500KV。对于第1电压等级,调查了 63家用户,609套设备,3817间隔,34060间隔年。对于第2电压等级,调查了36家用户,270套设备,1730间隔,16040间隔年。对于第3电压等级,调查了21家用户,110套设备,689间隔年。
调查得出了故障数和故障率,如对第1电压等级,故障数465,每100间隔年故障率为1.45;对第2电压等级,故障数138,每100间隔年故障率为0.86;对第3电压等级,故障数179,每100间隔年故障率为2.81。
故障按元件来划分,总的来说,5个故障最多的文件是断路器占43.4%,隔离开关占17.9%,电压互感器占5.6%,母线占5.5%,连接件占 11.9%。具体到第1电压等级中123KV设备,断路器占54.7%,隔断开关占17.2%,接地开关占 5.3%,电流互感器占0.7%,电压互感器占6.2%,母线占3.7%,连接件占4.1%,套管占0.9%,电缆终端占4.4%,变压器接头占0.2%,避雷器占 0.5%,其他占2.1%。
表1 设备的总数据
表2 各电压等级的故障数及故障率
表3 123KV设备故障中按元件分布的百分数
表4 123kV设备绝缘故障按地件分布的百分数
绝缘故障占总故障的20%。根据Cigre工作组33/23-12在《Electra》刊物第176期上公布的数字,如在第1电压等级的123KV设备中,断路器+隔离开关+接地开关占40.6%,电流互感器+电压互感器+套管占17.3%,母线+电缆终端+其他占42.2%。
国际大电网会议调查的GIS故障及故障率对制造厂家进一步了解故障原因和提高产品质量,具有指导意义。
除了国际大电网会议对GIS的运行经验作了调查外,还有一个叫作GIS用户论坛的组织也对GIS的运行作了调查。
德国和奥地利总计17家电力部门和其他SF6设备用户组成一个GIS用户论坛。其主要任务是促进进行广泛的经验交流。这个论坛对GIS的运行状态作了调查,在调查的基础上,分析其额定值、基本设计、试验技术及运行经验和故障率,并与Cigre调查作了对比。由14家电力部门提供了ABB、Alstom、Siemens及TRO等公司GIS产品的运行情况。
表1将GIS论坛调查设备总数与Cigre调查总数作了对比。表2给出GIS用户论坛与Cigre在电压等级1和3的故障数和故障率对比。从表可见,GIS论坛取得的故障率明显低于Cigre调查结果。充其原因有:1.制造和安装质量好;2.多数设备最终安装后作现场试验;3.维护和检修质量高。在电压等级3中,每100间隔年的故障率为 0.74次,明显低于Cigre的2.81次。
关于故障率按元件的划分(见表3),按照Cigre的调查,所有故障约55%属于断路器,第2位为隔离开关。
GIS用户论坛取得类似调查结果。但断路器的故障率在1985年以后明显地下降了,而其他设备有的都增加了。 GIS论坛调查结果还表明,设备的故障与运行年份有关。如SF6气体绝缘故障在10年之内出现最频繁,固体绝缘出现在18年之内,保护和控制装置故障均出现在5年之后。对于19年以后的设备来说,最常出现的是防爆膜盒破裂。
对于设备的绝缘故障,GIS用户论坛也作了调查分析。Cigre调查中,所有故障的20%属于绝缘故障,而GIS用户论坛的调查结果为28.4%,其中绝缘故障的25%属气体绝缘,75%属固体绝缘,固体绝缘还包括气体/固体分界面的故障。