断路器创新—特高压开关设备服务中国电网

发布时间：2009-04-16 作者：Walter Holaus，Fredi Stucki

　　中国迫切需要电力。全国各地都在建设大型电站，大量电力必须穿越数千公里，才能从电站输送到用户所在的特大城市。
　　在传输距离如此之长的情况下，输电线路中的功率损耗数量惊人。为此，中国国家电网公司（SGCC）决定在交流传输中采用1,100 kV 的电压等级，以尽量减少损耗，这是迈入电网新领域的关键一步。
　　在其合作伙伴和供应商的支持下，ABB 着手为该系统开发核心设备——一种气体绝缘组合电器产品，它可以利用这项开创性技术通过所需的全部测试。

　　1 ABB生产GIS的历史：从第一个研究项目开始，ABB GIS安装量50年内达到全球第一

　　可靠的电力供应是现代经济支柱之一。电力系统能否安全可靠地工作，主要取决于电力系统的核心部分——高压开关设备。正常情况下，开关设备中的高压断路器是出现短路时保护大系统的最后一道防线。
　　同电网及其变电站一样，空气绝缘系统也为众人所熟知，依靠数十米以上的远距离，高压线路可以确保其与地和人之间的隔离。
　　另一种更为紧凑的高压开关变电站方案是采用气体绝缘设计，即气体绝缘组合电器（GIS）  。
　　1966 年，苏黎世市中心首次采用170kV GIS 建成地下变电站，GIS 技术由此开始进入市场。
　　1966 年， 苏黎世市中心首次采用170kV GIS 建成地下变电站，GIS 技术由此开始进入市场1 。1976 年，ABB向加拿大Claireville 交付了第一台500kV GIS。1986 年，第一台800 kV GIS在南非安装完成，证明ABB 在特高压（UHV）领域同样处于技术领先地位资料库2 。这座被称为“Alpha”的变电站迄今已运行20 多年，从未发生任何故障或意外中断。安装于巴西Itaipu的500kV GIS 目前仍然是世界最大的在用GIS 设备，但其世界第一的地位很快会被即将安装在中国三峡大坝上ABB GIS 所取代。
　　中国对GIS 创新技术的需求
　　中国幅员辽阔，发电设施主要分布于西部地区，而用电中心一般位于沿海地区——两者之间相距数千公里。随着电力消费需求的强劲增长，必须采用交流和直流UHV 系统来为现有输电系统提供支持［1，2］。ABB 最大的客户之一——中国国家电网公司（SGCC）几年前就开始设计额定电压为1,100kV的交流系统［3］。为此，它与研究机构和设备制造商一起开展了广泛的研发活动［4］。为了验证技术可行性，SGCC 邀请三家中国GIS 制造商、两家日本GIS 制造商以及ABB，为中国UHV 交流示范工程开发UHV GIS 设备。该项目将于2008 年在中国中部建设，包括近600 公里高压线路和分别位于荆门、南阳和晋东南的三座变电站。
　　UHV 交流示范工程包括近600 公里高压线路和分别位于荆门、南阳和晋东南的三座变电站。
　　ELK-5 UHV GIS 项目为了设计和安装1,100kVGIS 资料库3 ，ABB 与中国最大的GIS 供应商西安西开高压电气股份有限公司（西开电气）实施了被称为“ELK-5”（ELK 是ABB GIS 系统的产品名称，5 代表新的性能等级）的联合开发项目。在该项目中，ABB 负责混合GIS的总体设计、核心部件的制造和交付，西开电气则负责所有其他部件的生产、在SGCC 和KEMA 专家指导下进行产品的型式试验、组装以及在荆门的现场安装。SGCC 为开发项目设定的时间表十分紧张：项目于2006 年11 月开工，而在荆门安装的第一台设备必须于2008 年底以前加电。考虑到将GIS扩展至要求极高的新电压等级所需完成的工作，包括开发、验证、型式试验、制造、安装等，两年时间可谓创造了新世界纪录。为了迎接这项挑战，ABB 组成了一个20 位专家组成的项目组，并准备在需要时随时为项目优先提供其他专家和测试设施。
　　将电压等级提高一倍
　　GIS 的绝缘性能取决于众多参数，如气体压力、电极的几何参数、所施加电压脉冲的波形、极性或SF6 气体的纯度，还有很多其他参数。尽管根据研究，这些参数中很多都是电场强度的函数，但在不同的电场结构下，会发生截然不同的现象。针对新电压等级设计GIS 时，一个关键的方面是，必须清楚各种与电压存在依赖关系的电绝缘物理现象。每种器件都必须采用特定的定标法则，最后再决定整个系统的定标法则。设计中需要特别注意一个问题，即那些随电压等级提高而变得明显的效应，例如在操作隔离开关时出现的所谓快速暂态过电压（VFT）。
　　一个特别棘手的问题是为这个极高的电压等级确定合适的气体压力。由于影响绝缘性能的不同参数与气体压力的相关性不同，有些参数与气体压力呈正相关关系，有些则为负相关，为此需要在不同参数之间寻求平衡。根据我们的研究结果，适当低的SF6 气体压力对UHV GIS 器件最为合适。
　　设计的鲁棒性和可操作性也是必须考虑的核心问题。因此，UHV GIS 的设计中采用了如下设计原则：
　　灭弧室采用单相一壳式设计专用于合闸电阻的独立气室所有电气参数均留有安全余量1,100kV 开关设备外形尺寸十分庞大，需要进行广泛的机械计算。传动能量、触头运动速度或爆破压力等机械参数的变化也都是非线性的。事实上，在这样一个项目开发中，所需要的机械工程师数量至少与电气工程师数量相同。
　　所有机械和电气设计均以真正的三维计算工具实现，并且在可能的情况下，都尽量通过验证制造过程，以验证计算结果。
　　断路器：核心设备
　　断路器是一种开关设备，能在所有开关条件下（如正常操作或故障排除操作）安全地进行开合操作。它可以在被触发后50 毫秒内完成开关操作。1,100kV 断路器是在ABB 现有断路器系列产品的基础上延伸开发的产品，它有两个隔室，一个用于灭弧室，另一个用于合闸电阻。灭弧室和切换合闸电阻的合分开关均由一个ABB 专为该产品开发的液压弹簧操作［5，6，7］。不同电压等级的ABB 断路器的外形尺寸如2 所示。额定值1,100 kV、4,000A 对应7,600 MW 的三相额定功率，高于瑞士的平均电力消费量1）。额定功率达到这一等级的断路器足以对瑞士全国所需的电力进行开关切换。

　　2 300kV至1,100 kV的ABB断路器的外形尺寸

　　3 工厂组装期间的带操动机构的ABB GIS断路器

　　4 巴登大功率实验室（瑞士）开发团队和用于1,100 kV断路器的试验电极在T100s试验后的合影

　　由于采用优化的灭弧室和铝合金外壳，这种最新型UHV断路器的总重量只有7.5吨3。由于这是世界上第一台额定电压达1,100 kV 的断路器，必须根据国际标准和中国标准对它进行测试，这给设备供应商特别是测试实验室提出了严峻挑战。断路器的型式试验由西安高压电器研究所测试实验室和位于瑞士巴登的ABB 大功率实验室完成4 。
　　为在西安高压电器研究所测试实验室完成1,100kV 等级的功率测试，需要付出非凡的努力，最富挑战的问题包括：制造和测试需要对UHV 设备进行横跨大陆的运输。制造完成后的断路器和其他设备的空运安排，必须能满足整个项目十分紧张的实施计划。要求实验室拥有巨大的空间：联合电压试验要求两个套管之间的距离达到13 米以上，每个套管距实验室墙壁的距离也应达到10 米以上。
　　由于没有足够高的电压供应，开关试验最多只能对半个断路器进行。进行这种所谓的“半极试验”，需要使用特定的外壳，并对电压等级进行计算。经过严谨而精心的设计和制造，断路器在第一轮测试中即成功通过。
        UHV GIS 隔离开关
　　隔离开关的基本功能是断开GIS 的各个部件，以便安全地维护被断开和接地的部件。
　　与断路器相比，隔离开关的操作时间较慢，需要几秒钟才能完成操作动作。ABB 的1,100kV 隔离开关采用90 度转角竖立结构，导电部分之间的间隙肉眼可见，但尺寸小于300 毫米。在高压测试期间，该间隙可承受3,400kV 以上的高压。
　　SF6 GIS 产品最突出的优点之一，是可以用极短的距离隔离极高的电压。对裸露在空气中的导体施加3,400 kV 的电压，必须使用13 米以上的间隙距离，以免发生闪络。
　　隔离开关的型式试验在位于瑞典Ludvika 的瑞典输电研究所（STRI）进行5 6 ，该实验室是唯一拥有所需设施的实验室。由于隔离开关的开关动作相对较慢，在断开和闭合的过程中，触点间隙中会产生火花。这些火花会引起快速暂态过电压（VFT），并在整个GIS 组合电器中传递。这种现象要求被测试的组件拥有最高等级的EMC（电磁兼容性）

　　5 UHV隔离开关剖面图

　　6 在STRI实验室对隔离开关进行开关

　　7 荆门1,100 kV混合GIS变电站示意图

　　在ELK-5 联合开发项目中，ABB 负责混合GIS 的总体设计、核心部件的制造和交付。
　　第一座UHV GIS 变电站
　　2007 年完成开发并在2008 年成功通过型式试验后，ABB 和西开电气公司开始组装并向荆门变电站发运第一套设备。该变电站将安装几乎全套的GIS组合电器，如配有合闸电阻的断路器、隔离开关、接地开关、电流互感器、母线、套管和绝缘子等7 。
　　为了确定GIS 组件的最优布局方案，我们进行了广泛的配置研究，最终确认，具备良好可接近性的“平铺式”布局方案最适合荆门混合GIS 变电站的布局方案［8］ 。该布局方案具有如下特性：
　　所有GIS 开关设备均被安放在靠近地面的位置。
　　平铺式布局可提高抗震强度。
　　所有操动机构均被安装在距地面1.5米以内的高度，使操作员可以轻松地对设备进行安装和维护，提高了安全性和方便性。
　　不需要使用操作平台或梯子。
　　设备布置可方便地沿母线方向扩展。
　　间隔所需的钢结构建筑物最少。
　　仅有少量工作需要在现场进行，从而加快安装进程。
　　断路器创新
　　该变电站靠近中国中部城市荆门，已于2008 年安装完毕。它能够将三峡电站生产的部分电力输送到华北地区。
　　迎接挑战
　　ELK-5 开发项目在很多方面向我们提出了挑战，包括：必须在前所未有的最短时间内完成新产品的首创设计；在欧洲和中国的供应商和合作伙伴之间进行横跨大陆的分工合作，而这种分工合作要求具有不同文化背景的合作伙伴之间进行紧密的互动交流。ELK-5 组件的型式试验在中国、瑞典和瑞士的试验室同时进行。该项目的成功实施，不仅揭开了特高压电力传输领域的新篇章，而且充分展示了ABB 作为全球技术领导者所拥有的综合性工程技术实力。
　　Walter Holaus
　　Fredi Stucki
　　ABB（瑞士）有限公司
　　瑞士苏黎世
　　walter.holaus@ch.abb.com
　　fredi.stucki@ch.abb.com
　　电力助推经济发展
　　参考文献：
　　[1]《2006 年北京国际特高压输电技术会议论文集》
　　[2]《IEC/CIGRE 特高压技术研讨会论文集》，北京，2007 年
　　[3] 1,100 千伏特高压交流输电示范项目：http://www.sgcc.com.cn/ztzl/zgtgy/tgyzs/41249.shtml
　　[4] Sun, Y-H., Zhang, D., Meng, W-D.“1,100 千伏气体绝缘开关的研究和开发”，2006 年北京国际特高压输电技术会议
　　[5] Holaus, W., Sologuren, D., Keller, M., Kruesi, U., Riechert, (2007). Entwicklung einergasisoliertenSchaltanlage für 1,100 kV. ETG Kongress, Karlsruhe.
　　[6] Holaus, W., Kruesi, U., Sologuren, D., Riechert, U., Keller, M. (2008). Testing of GIScomponents at
　　1000 kV rated voltage. CIGRE Session 2008, SG A3-202, Paris.
　　[7] Riechert, U., Krüsi, U., Holaus, W., Sologuren, D. (2008). Gasisolierte Schaltanlagenfür 1,100 kV – Herausforderungen an Entwicklung und Prüfung. StuttgarterHochspannungssymposium, Stuttgart, Germany.
　　[8] Holaus, W., Xia, W., Sologuren, D., Keller, M., Kruesi, U., Riechert, U., Xu, S., Wang, C.(2007)，“1,100 千伏气体绝缘开关装置的开发：现有设计升级与特定特高压设计”，IEC/CIGRE 特高压技术研讨会，北京。
　　脚注：
　　1) 5th Annual Report of SwissEnergy 2005/2006.http://www.bfe.admin.ch/energie/00556/index.html?lang=en&dossier_id=01060