结构紧凑性能可靠

发布时间：2009-08-04 来源：ABB评论

        安全、可靠的供电依赖于断路 器保护， 当电网发生短路 时，断路器可以保护我们电网的安 全，使其安全、可靠地供电。安装 在电厂和变电站的断路器，传统上 都采用空气绝缘。根据不同的额定 值，空气绝缘组合电器 (AIS) 的各个 带电功能部件和接地之间至少须保 持几十米的距离，因此，安装这类 设施时，需要较大的占地面积。GIS 则可以替代 AIS，从而保证断路器在 有限空间内安全运行。使用 GIS 的变 电站面积，一般只有普通 AIS 变电站 面积的十分之一 [1]。
        以市场为导向的产品开发，加 之强大的竞争优势和创新能 力，使 ABB GIS 产品和服务 获得了世界公认。
        全球很多著名的制造商都在生产 GIS 产品，其中不乏拥有几十年生产技 术经验的公司。另外，还有一些新 近才开始生产 GIS 产品的企业，现在 也成为开关市场，特别是低压开关 设备市场上的竞争者。
        初看起来，参与竞争的 GIS 产品在外 形上差别不大。但通过深入比较就 可发现，由于经过多年的技术改进 和产品开发创新，专业 GIS 制造商生 产的产品具有明显优势 (见 资料库)。 建立和保持 GIS 技术强大的竞争优 势，需要一批高素质的研发队伍， 能够针对技术、工艺和工程设计领 域出现的各种难题，进行持续不断 的研发。以市场为导向的产品开 发，加之强大的竞争优势和创新能 力，使 ABB GIS 产品和服务获得了 世界公认。
        多年的技术改造和产品开发及 创新使 ABB 在 GIS 领域保持 优势。
        为了攻克 GIS 产品开发中遇到的技术 难题，必须投入巨大的研发资金， 以保证新材料、新系统及其相关的 工程技术应用在新产品中。唯有这 样的创新才能开发出可靠的新技 术，并成为技术创新领域中新的里 程碑 [ 4、5、6 ]。
        GIS 技术起源于 1936 年，当时在美 国展出了一套额定值为 33 kV 的氟利 昂 GIS 产品。上世纪 50 年代中期， 发现了六氟化硫 (SF6) 气体具有很好 的绝缘性能和灭弧特性。60 年代中 期，经过充分开发的 GIS 技术具备商 业价值，开始进入市场，并很快显 示出巨大的市场前景。
        通过多年来不断地创新和发展， ABB 已开发出额定值从 52 kV 至1,100 kV 的一系列 GIS 产品。在此期 间，ABB 取得了多项技术突破，并 获得了专利，有效保护了 ABB 的知 识产权 [ 7、8、9 ]。
        ABB 提供了一系列结构紧凑、 形式多样和安全可靠的高性能 GIS 产品，从而满足了市场和 客户的要求。
        ABB 近期提供的 GIS 产品主要分为 两大类型：额定值 170 kV 以下的 GIS 产品 (见图 1 )，几乎全部采用三 相共箱设计；而额定值 170 kV 以上 的 GIS 产品 (见图 2 )，大部分采用单 相分箱设计。

        二次输电变电站使用的 GIS 设备 (< 170 kV )
        起初，密封式组合电器配备少油断 路器的密封式组合开关，到上世纪 60 年代末，则被使用 SF6 绝缘气体的设备所代替。这种类型的第一 套 GI S 是 EBK- 0 1 型， 其额定电 压为 1 2 3 k V ， 额定短路电流为 31.5 kA，运行额定电流为 2,000 A， 并配有一套易于操作的卧式双压式 断路器。1969 年投放市场时，这 款 GIS 就已装有三相共箱母线模块组 件。ABB 提供的第一批系列单元 (间 隔)，至今几乎全部运行良好。1973 年，EBK-01 型断路器被 EBK-02 型所 替代，其额定电压提高到 145 kV、 额定短路电流为 31.5 kA，运行额定 电流为 2,500 A。
        1978 年 ELK-01 型 GIS 的推出，是一 个新的重要的里程碑。这便是世界 上首款完全三相共箱设计的开关设 备 (145 kV，31.5 kA，2,500 A)，配 备易于维护的立式单压式，采用气 吹灭弧技术的断路器。1980 年，其 替代产品 ELK-02 型投放市场。与上一代产品明显地不同的，这款产 品采用了改进后的模块式设计。 ABB 的 ELK-03 型 GIS 提高了 额定值，隔离开关与接地开关 共用一个气室，采用液压弹簧 机构运行断路器。
        到目前为止，所有各种型号的开关 设备都把隔离开关和接地开关安装 在单独的隔离室内， 断路器上配 有液压操作机构。1986 年推出的 ELK-03 型 GIS 产品 (170 kV，40 kA， 3,150 A)，不仅提高了其额定值，而 且隔离开关和接地开关共用一个气 室，并采用液压弹簧机构运行断路 器。两年后，ELK-03 型又做了进一 步改进，采用了自能式灭弧技术， 从而减少操作时所需的能量。这一 创新使额定值低于 170 kV 的 GIS 产 品都配置有自能式断路器。
        1992 年，公司又推出了 ELK-04 型 GIS (额定值分别为：70 kV，40 kA 和 3,150 A)。特点是体积更小，由 于全新设计了母线与馈线模块之间 的连接方式，产品的结构尺寸空前 缩小，整套设备可以安装在一个标 准的工业用集装箱内。尽管该产品 已进入市场多年，但即使到了今天 ELK-04 型产品仍属于 170 kV 类型系 列产品中结构最为小巧的设备。
        现在这类 GIS 的额定功率又有了进一 步的提高，但仍然保持了结构小巧的 设计特点。1997 年，该产品的额定 值达到了 170 kV，50 kA 和 3,150 A。 2002 年，其额定值又提高到了 145 kV，63 kA 和 4,000 A。该类产品中 的断路器也都采用了自能式技术和 液压弹簧操作机构 (见图 3 )。
        1996 年，为了满足较低额定值 (123 kV，40 kV 和 2,500 A) 的要求，开发 了另外一种 EXK-0 型 GIS。2003 年， 额定值提高到了 145 kV，40 kA 和 2,500 A；2005 年，其额定值再一次 提高到了 145 kV，40 kA 和 3,150 A。 ELK-04 型 GIS 进入市场 15 年 以来，始终是 170 kV 等级中结 构最为紧凑的产品之一。
        由于 GIS 类型和产品的不断开发，要 求各个产品能独立满足不同客户的 需要，这就促使这些产品进一步发 展，成为一个高度标准化的模块化 结构系统。这些模块不但包括像断 路器、隔离开关和接地开关这样的 主要部件，也包括各种操作机构。 由于两款产品极为相似，由此加快 了一款新产品投放市场，即现在广 为熟知的品牌 ELK-04 型 GIS。
        输电变电站中使用的 G I S 设备 (> 170 kV )
        19 67 年，设计开发了单相单母线 ELK-1 型 GIS，其额定电压为 245 kV，40 kA 和 1,600 A (见图 2a )。同时 开发的还有适用于较高电压等级的EBK 型 GIS。在各个断路器中都装有 气吹式灭弧室，并采用独立的液压 机构操作。
        1976 年，第一套 550 kV 的 ELK-3 型 GIS 进入市场。每一个断路器都带 有3 个灭弧断口，其额定短路电流 第一次达到 80 kA，运行电流达到 6,300 A (见图 2c )。这类断路器采用立式安装，配有液压操作机构和合 闸电阻。
        1979 年，ELK-3 型 GIS 第一次应用于 加拿大的变电站。这也是在恶劣气 候条件下工作的第一套 GIS。由于 这套产品是为了满足客户的特殊需 求，因此在开发过程中给予了特别 的关注，不但要保证它能够在较高的额定负荷条件下工作，还要满足 零度以下正常工作的要求。
        ABB 的 ELK-3 型 GIS 已安装 在巴西的依泰普 (Itaipu) 水电 站，运行 20 多年后，仍在继续 工作，保证电能输送的畅通。
        1981 年，ABB 在巴西的依泰普 (Itaipu) 水电站建成了世界上最大的一 个 GIS 变电站，其中安装了含有 51 个间隔的 ELK-3 型 GIS，额定电压为 550 kV，63 kA 和 4000 A。每个断路 器采用立式安装，并配备有独立液 压操作机构的双断口灭弧室。这套 GIS 在运行 20多年后仍在继续工作， 保证了巴西和巴拉圭电网的畅通供 电。在这里，人们所面临的挑战是 如何设计和安装性能可靠，并能与 50 Hz 和 60 Hz 的频率互相兼容的复 杂变电站。对各种元件的设计要求 如下：如有需要，这些元件能很容 易地进行互换。
        由于提高了更高的输电电压要求， 因而进一步开发出 ELK-4 型 GIS，额 定值达到 800 kV，50 kA 和 5,000 A (见图 2d )。这一型号的产品仍保留了结构小巧的设计特点，不仅使变 电站的安装面积减少，而且使工作 电压进一步提高。每个断路器采用 立式安装，并配有 4 个断口及合闸电 阻的灭弧室。这一新产品于 1986 年 推向市场，首先安装于海拔 1,000 多 米高的南非变电站。
        1996 年，以 ELK-1 型 GIS 作为蓝图， 开发了 ELK-14 型 GIS (见图 2a )。其 额定值为 245 kV，50 kA 和 4,000 A。 灭弧室为自能式结构，由液压机构 操作。由于这是第一次将自能式原 理应用于 170 kV 以上的电压领域， 因而意义非凡。几年后，ELK-14 型 GIS 的技术改进获得成功，其额定值 提高到 300 kV，50 kA 和 4,000 A (见 图 2b )。值得一提的是，此款 GIS 的 隔离开关和接地开关模块安装在同 一气室内。

        2003 年初，ABB 在中国三峡水电站 安装了一套 550 kV 的变电站 (额定 值为 550 kV，63 kA 和 4,000 A) (见图 4 )，这是目前世界上最大的输电用 GIS 变电站。这个共有 73 个间隔 的 GIS 变电站在 2008 年秋投入运行 前， 必须解决技术和物流方面所面临的挑战 (见图 5 )。在这套变电站 中，断路器采用水平式安装，配置 HMB 型液压弹簧操作机构 (见图 6 )。

        其结构十分紧凑，因而使整个变电 站能够安装在混凝土大坝的顶部。 应用于超高压领域的 A B B ELK-5 型 GIS，额定值达到了 1,100 kV，63 kA 和 6,000 A， 是目前使用电压等级最高、结 构最紧凑的 GIS。
        ABB 所面临的最新挑战是应用于 超高压领域的 ELK-5 型 GIS，其额定 值达到 1,100 kV，63 kA 和 6,000 A。 这是目前使用电压等级最高、结 构最紧凑的 GIS [8]。其设计采用 了 4 断口串联方式连接的灭弧室， 水平安装， 并配有并联合闸电阻 (见图 7 )。

        模块化特性和供货范围
        今天，不管涉及什么电压等级，所 有类型的开关设备都采用了高度标 准化的模块化设计方法。只需少量 模块就能满足众多的技术要求。这 种设计方法不但适用于像断路器、隔离开关和接地开关那样的主要部 件，也适用于它们的操作机构。 现有的 GIS 类设备都配有液压弹簧 断路器操作机构，并采用模块式设 计，可适应不同的灭弧室的速度曲 线，特别是可降低开关运动到末端 的速度。因此，开关操作对灭弧室 的机械冲击力很小。在碟形弹簧中 所储存的能量不会受到由相关标准 规定的 O-0.3s-CO (分-0.3秒-合分操 作) 开关操作顺序的限制，实际上 它所提供的能量甚至能适应更复杂 的操作，例如 O-0.3s-CO-0.3s-CO 的 开关操作顺序，而且不需要再次补 充能量。这种特点往往是阿拉伯和 美洲市场所需要的。况且，采用各 种类型的操作机构，可以实现及时 的、精确的、可调整的、机械独立 的单极操作， 另外，还具备对开关 操作进行控制的优点。
        除了主要技术，以及模块式设计和 协调的操作机构之外，目前市场上还出现了最新一代数字式控制装置 [10]，它能满足 IEC-61850 通讯协议 的要求，为客户提供了对整套开关 设备的全面诊断和监控系统。该系 统可应用于不同类型的开关设备， 还可附加到传统开关设备上。具有 开放式结构的特点，因此也有利于 设备今后的更新改造。
        尽管新型 GIS 具有较高的额 定电压，但多年来，ABB 已大 幅降低了 GIS 中的 SF6 气体使 用量。
        环保问题
        GIS 开关技术的设计变化和改革创 新旨在满足市场的要求，同时应对 其不断变化的标准，以及减少该技 术对环境所造成的不利影响。在生 产过程中尽量减少使用具有潜在危 害的零部件，否则产品报废时很难 处理。此外，生产过程中还要考虑 产品设计， 使用更少的原材料，消耗更少的能源。为了达到京都 议定书 (1997) 所制订的目标，减少 温室气体排放量， 努力降低每一 GIS 组件的 SF6 气体用量，从而降低 全套设备的 SF6 的使用总量。
        自 GIS 开发以来，降低 SF6 用量一直 是开发每种新型设备的首要目标 (见 图 8 )。与前几代产品相比，最新型 的 GIS 使用的 SF6 已经降低了 40%。 值得注意的是，尽管新型设备的额 定电压达到了更高的水平，但 SF6 气 体的使用量却大幅降低。如果额定 电压保持不变的话，SF6 用量的降低 幅度就更大。

        市场发展趋势
        从一级技术和二级技术来看，所有 GIS 产品都具有高度标准化和功能集 成化的特点。实现模块化的设计便 可根据市场对额定值的要求范围， 保证各种产品都能满足客户要求。目前 GIS 全球市场，可分为 三大主要应用领域和三种客 户类型。
        变电站开关设备的扩展或更换
        在人口密集的传统工业区市 中心，以及在百万人口以上 的世界大都市中，往往需要 在当地建设变电站以满足大 用电量的需求。在这些地区 地产价格很高，采用 AIS 开 关设备需要占用大量相当昂 贵的土地面积。因此设计小巧紧凑 的 GIS 就具有更大的吸引力。 人口密集地区，用电需求不断上升 对于世界上人口密集的地区而言， 往往要求采用较高的额定电压和短 路电流，以及较高的运行电流 [11, 12]。市中心人口越多，用电消耗就 越大。这就需要采用有效的输电方 法以减少损耗、增加隐蔽性和提高 安全性。通过电缆线高压送电，当 然能够提高送电效率。但高压 (HV) 电在终端用户附近还必须用变压器 来降低电压。因而在人口密集的市 中心地区，会要求电网不断增加送 电能力，并要求电网输送更大的电 流和具有更高的短路容量。
        改善能源技术基础设施
        在新兴工业化国家以及在主要的能 源大国中，例如中东和俄罗斯，要 求建设一批新的变电站， 从而打 造一个新的或改善现有的能源基 础设施。
        新开发项目的重点是进一步减少 SF6 气体的用量，并提高整个生产过程 中的能效。目前全套 GIS 产品体系已经确立，因此能够全面采用现代 化的生产技术 (各个元件的机械加工 工艺)、简化组装过程 (包括在工厂 和现场) 以及使用标准集装箱运输。
        为了满足未来市场的变化和挑战， 研究以下的课题意义重大：
        ■部件模块的标准化系统有利于方 便扩大现场 GIS 的容量，提高经 济效益，也有利于用 GIS 模块简 便替换 AIS 产品。
        ■进一步开发 GIS 技术，例如对降低 高压开关灭弧室的能耗作深入的 研究。
        ■将各种主要功能集成到一 个模块中，以减少法兰连 接的数量。
        必须记住的是，几十年来的 开发经验有力地推动了产品 的技术进步。每当产品开发 改进一次，可靠性就会提高 一步，因此不论这些开关设 备安装在什么地方，采用什 么操作方法，其利用率都将 得到大幅度提高。对于客户 而言，ABB 的经验主要体现 在降低运行成本和提高产品的可靠 性。