![论GIS与HGIS在变电站建设中的设备选型论文_包红旗[1],张闪[2],张国良[3]](https://www.lw33.cn/thumb/1113544bdab51e000b60a53c.webp)
摘要：HGIS和GIS分别属于运行于户外和户内的两种专属设备。随着GIS设备在户外运行的数量增加以及经验的积累，对比HGIS设备，工程师们发现用于户内的GIS使用在户外是个错误。本文主要论述有关GIS和HGIS在变电站建设中设备选型的问题，并从产品结构、生产工艺、安装环境、运行维护等方面做了具体论述。正确的设备选型对提高变电站设备的运行可靠性以及电力系统供电可靠性具有极其重要的意义。
关键词：GIS，HGIS，设备选型
The discussion on equipment selection of GIS and HGIS in substation construction.
BAO Hongqi[1] ，ZHANG Shan[2] ，ZHANG Guoliang [3]
（［1］China Power New Energy Smart Grid Technology Co.，Ltd.，Jiangsu Nanjing 211113；［2］China Power New Energy Smart Grid Technology Co.，Ltd.，Jiangsu Nanjing 211113；［3］China Power New Energy Smart Grid Technology Co.，Ltd.，Jiangsu Nanjing 211113；）
【Abstract】 Hybrid Gas Insulated Switchgear（HGIS）and Gas Insulated Switchgear（GIS）are two equipment types used for outdoor and indoor purposes respectively. With the continuing increase in cases where GIS operating outdoor in contrast to HGIS，we wish to share our experience in selecting the correct types of equipment for enabling a more reliable operation of the substations，which is also critical to the whole power system. In this paper，the topics would cover the layout of products，production processes，installation environments and maintenance requirements etc.
【Key words】 GIS，HGIS，equipment selection.
1 概述
我国模块化变电站建设目前正逐步进入快速发展阶段，一次设备的选型是非常关键的问题，但是还有些观点存在分歧。户内GIS变电站和户外HGIS变电站，用这两种类型的高压电器设备建设的模块化变电站无论在建设选址、建设过程还是设备选型、运行维护等方面，都有其各自非常显著的特点。
众所周知，550kV及以上组合电器大家都习惯称它为HGIS，因为在国内550kV及以上组合电器大部分都使用在户外，其中有两个原因：第一，因为550kV及以上的出线间隔占地面积大，所以即便使用户内GIS，当采用套管出线方式时，其横向尺寸也没有减少；除非采用“电缆转架空”出线方式，但这种混合出线方式，会降低线路运行的可靠性。第二，在550kV及以上变电站中大部分都采用裸露母线而非GIS母线，这是因为GIS母线一旦发生故障，其恢复供电时间将远远大于裸露母线，但对于550kV及以上的大型枢纽变电站，此情况电网是不能接受的。
早期的550kV 户外型GIS（以下称HGIS）均为进口设备，后期国内某些开关制造厂进行了模仿制造。在模仿制造过程中，工程师们发现户外型组合电器与户内型组合电器在设计思想、结构、工艺上有较大区别。正如早期国内引进ABB公司66~220kV PASS组合电器一样，我们发现ABB的 PASS设备是真正意义上的户外型高压电器设备，它的设计思想、结构、工艺是全部按户外环境设计的，考虑了户外高寒、高海拔、高湿热、高污秽等环境条件。在结构设计上，尽量减少盘式绝缘子、密封法兰、绝缘气室、连接件的数量；在罐体工艺设计上，罐体使用铝镁合金高压浇铸工艺，全部选用不锈钢材质的紧固件；密封法兰全部使用双密封圈结构，密封槽工艺设计也进行了特殊处理；在断路器及隔离开关的操作机构设计上，箱体均采用全密封IP65等级，其中隔离开关的机构齿轮箱使用充油密封工艺；户外二次控制电缆连接全部使用航空插头。上述举措均是为了PASS组合电器在户外恶劣环境中能可靠运行。目前国内开关行业将ABB的PASS产品归为HGIS产品类型，并非归为GIS类型产品。国内制造厂在模仿国外进口设备时，由于某些开关制造厂对国外产品的了解和认知水平不尽相同，同时受自身技术水平的限制，实际制造出的设备与国外进口设备的制造工艺水平相差较大。
目前，已运行的户外型组合电器大部分都是将户内型GIS部分工艺调整后直接安装到户外，这显然是国内开关行业发展中的一个严重缺陷。随着GIS设备在户外运行的数量增加以及经验的积累，对比HGIS设备，我们对这两种类型设备从产品结构、生产工艺、安装环境、运行维护等方面做具体对比分析，以便我们能够在变电站建设中对设备做出正确选型。
2 GIS对运行环境以及建设安装的要求
GIS设备的气体泄漏率直接影响着设备运行的可靠性。国内GIS设备壳体一般采用碳钢板、不锈钢板、铝板等材料焊接组成，壳体的焊缝长期运行在户外环境下的高污染、高盐密地区，容易造成GIS设备外壳的泄漏率增加和壳体强度的降低。同时国内GIS设备密封面多采用单密封圈结构，在户外运行时，单密封圈容易受外界各种环境影响而老化，随着运行时间增加而导致GIS的泄漏率增加。多年来GIS设备运行经验表明，户外布置GIS设备的气体泄漏次数远高于户内布置GIS设备的气体泄漏次数。
在变电站建设中，GIS设备安装质量的水平高低，直接影响着GIS设备的运行可靠性和使用寿命。目前GIS主要采用户内、户外两种安装方式，工程师们一般不赞同露天环境下安装GIS设备。我们根据GIS设备运行所发生的事故统计，造成GIS设备故障可分为七类，各类故障所占比例如下：
（1）由于制造安装工艺不良造成故障占40%；
（2）由于制造厂清洁差造成故障占16%；
（3）由于变电站安装现场环境差造成故障占13%；
（4）由于零部件安装工艺造成故障占10%；
（5）由于设计工艺造成故障占7%；
（6）由于运行维护不当造成故障占7%；
（7）由于其他不明原因造成故障占7%；
通过上述数据可以看出：首先制造安装工艺不良造成故障占40%，主要是本体绝缘气体漏气，其中还包括罐体的金属沙眼漏气、焊缝漏气、法兰密封漏气、仪表接头处漏气；上述漏气故障大部分是设备经过数年运行后，由于外部的大气环境对设备的腐蚀造成的。实践证明户外使用的GIS经常发生因外部空气酸性或污染严重会使密封法兰胶垫的老化，导致设备的漏气。在户外环境下，单层密封胶圈的寿命不超过8年，甚至更短。
其次，变电站安装现场环境差造成故障占13%，这是由于在变电站现场施工清洁工作没做好，使得金属微粒、尘埃、杂物、水分潮气侵入到GIS设备内部而造成的。因此施工现场要保持清洁的工作环境，是保证GIS设备安装质量的关键。为此要求GIS设备装配时应在无风沙、无雨雪、空气相对湿度小于80%的条件下进行，并根据产品要求严格采取防尘、防潮措施。若采用GIS设备户外布置方案，在设备安装时，空气中的粉尘和颗粒很容易进入到GIS设备内部，造成安全隐患；若采用GIS设备户内布置方案，房屋本身有阻碍粉尘的作用，在设备安装和运行时均具有防护作用，可以有效降低因周边环境污染造成GIS设备故障的概率。
GIS设备本体、母线、机构箱一般都是同一厂家供货，但其设备的集成是在变电站现场完成的；GIS设备本体是由断路器、隔离开关、CT、母线等组成，各元件通过母线整体连接。设备安装结束后必须现场抽真空、充SF6气体、现场调试、试验。若GIS采用户外安装方式，由于受到安装时现场环境和条件（如空气、温度、湿度、空气洁净度的指标）的影响，最终安装工艺水平一定会与户内安装工艺差距较大。
再者，由GIS设备运行维护不当造成故障占7%，主要包括GIS设备上的断路器、隔离开关、接地开关等设备。GIS采用户外布置时，特别是空气污染比较严重的地区，GIS设备容易发生故障的部件包括断路器机构箱、隔离开关操作机构箱、汇控柜等由于进水引起的直流接地故障，内部锈蚀引起的二次接触不良、继电器“卡死”引起开关拒动事故。具体表现有：
（1）现场经常发现户外使用的GIS经常发生刀闸的辅助触点受潮氧化、发霉，导致接触不良，刀闸控制接触器受潮发霉卡涩引起的操作失灵、距动情况。
（2）时常发生户外使用的GIS，在雨水、潮湿天气容易受潮，甚至将水分引入电缆管带至机构箱内部导致机构箱严重受潮。其主要原因是在安装、抽拉过程中，经过金属电缆弯管时导致电缆外壳刮伤严重，而电缆管的封堵不严进水后，逐渐导致电缆防护层锈蚀损坏。
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（3）时常发生户外使用的GIS的汇控箱至各开关、刀闸机构箱及其他装置 的信号、控制电缆保护层锈蚀、爆裂严重损坏现象。另外，汇控柜二次端子绝缘物质受潮氧化、发霉后绝缘性能被破坏，导致漏电、直流接地的问题。
以上三类事故分析，大部分都是因为户外环境引起的事故，也说明GIS 设备在户外布置时设备故障率显著增加。因此GIS设备从诞生那天起，设备的设计思想、结构、工艺全部按户内环境设计的，只能适合在户内安装、调试、运行，不应错误的使用在户外环境中。
3 HGIS与GIS组合电器的综合比较分析
与GIS相比，HGIS适用于户外布置的变电站，其产品的技术、结构方面有它的特点，工艺上有更为严格的要求。
3.1 产品结构特点比较
（1）HGIS采用最少的绝缘件，降低绝缘故障发生的概率，每相最小配置只有三个绝缘件，一般不使用盘式绝缘子，GIS使用较多的盘式绝缘子，因此绝缘件数量较多；
（2）HGIS 整体结构分相独立气室，采用最少的法兰件，降低漏气故障发生的概率，每相最小配置只有五个法兰面；GIS使用较多的盘式绝缘子，用于隔离每个部件，法兰件数量自然增加很多；
（3）HGIS在结构上减少使用盘式绝缘子（252kV及以下的电压等级，可以不使用盘式绝缘子），使得内部绝缘件的故障率大为降低，提升运行可靠性。HGIS应用最普遍的单母线型基本模块，每相（套管－套管）为一个独立气室，不必采用盘式绝缘子隔板。只有配PT、电缆终端、或双母线时，每相才使用1个盘式绝缘子作为隔板。相对GIS而言，HGIS大大减少了盘式绝缘子的用量，从而减少了设备重量，更重要的是减少了绝缘薄弱环节和密封环节，提升了设备整体可靠性，而且更容易对内部故障定位。
（4）HGIS使用多工位的隔离开关，使得内部一次结构大为简化，易损元件减到最少；多工位的隔离开关从设计结构上本身就带有防止误操作的功能，并且操作简单，功耗小；由于HGIS设计了隔离开关的观察窗，使得现场实现了隔离开关的明显断开点；使用新型的隔离开关操作机构，该机构的机械部分是密封在一个金属罐体里，在长期运行当中与外部空气隔绝，解决了以往隔离开关机构暴露在空气中的锈蚀问题，使机构整体在开关的寿命期内不需要做任何维护。
3.2 产品工艺技术特点比较
（1）HGIS确保设备运行维护工作量最少，降低维护不当发生事故的概率，GIS使用较多的盘式绝缘子和法兰密封件，绝缘子和密封垫是开关设备老化最突出的问题；GIS大量使用的盘式绝缘子是环氧树脂材料，而环氧树脂在强电场或金属气体作用下容易发生老化，使绝缘水平降低。110kV电压等级的HGIS无盘式绝缘子，只使用真空浸胶绝缘棒和筒。HGIS要比GIS的技术寿命期长的多。
（2）GIS的一次罐体一般使用单圈密封，HGIS一般使用双密封圈结构密封；GIS设备的气体泄漏的次数远高于HGIS设备的气体泄漏的次数。
（3）HGIS的机构箱、汇控柜一般使用IP55等级的机构箱。
（4）HGIS的支架和紧固件一般使用热镀锌件或不锈钢制造。
（5）HGIS采用工厂内预制，一体化运输，插接式快捷安装，缩短安装调试工期，2人当天可以完成一个间隔的安装、调试、投运工作。GIS到达变电站现场必须完成整体组装、抽真空和充气、调试的复杂的工作，每个间隔最少需要3到5天才能投入运行。
（6）HGIS使用了用高压铝铸件技术制造壳体，使得密封法兰的工况大为改善，实现了法兰金属面的直接压接，使得年漏气率大为降低。
3.3 产品在安装、维护上的比较
（1）HGIS的一个开关间隔做成一个模块，整体出厂运输。模块（间隔）由不同数量的金属支柱支撑，各间隔之间以及间隔与母线之间的相对位置以及对整个地基的水平度的要求不像GIS那样严格。HGIS模块整体运输到现场，只需通过支架就位、模块就位、控制电缆插头（座）连接几个简单的步骤即可完成安装，现场安装工作量降到了最低程度。
（2）方便安装调试。HGIS的一次部分是在工厂的净化车间完成的，二次控制线是通过航空插头连接的，整体设备在工厂内进行调试。一次设备现场不需要净化处理和抽真空等工艺过程，安装现场只需要简单的整体组装和固定；二次部分使用的航空插头是一一对应的，不需要重新进行二次电缆的拨线、对线、做电缆头等工作，也不会发生插错的问题；一般来说，现场安装由厂家负责，145kV和252kV的设备一个间隔一天即可安装完成。
（3）维护简便。HGIS基本属于免维护的设备（一般为25年），厂家一般仅要求5~7年进行一次预防性实验。断路器和隔离开关的操作机构以及CT、汇控柜都可以进行整体更换，一次设备可分相整体更换。上述元件如果发生损坏问题，一般是退回厂家整体更换，不需要现场处理；为了方便安装，一般厂家会提供支架的地角螺丝以及一次接线端子，并且提供足够的SF6气体和必要的专用工具。
（4）通常HGIS在使用方面应当注意在设备发生问题的时候，一般由厂家派人到现场处理。处理方式为更换元件，一般不进行现场的元件的拆装。
（5）供货周期短。为了便于推行标准化接线形式，目前HGIS一般分为3种接线类型：单母线、双母线、双断路器。有电缆型和套管引出线两种连接方式，它们以模块的方式在工厂预先制造好。
3.4 综合经济效益比较
HGIS的综合造价与同样规模和种类的GIS相比有不同程度的降低。采用HGIS，在使用性能方面具有与GIS相近的可靠性和维护的简便性，在经济上可使用户受益。作为紧凑型组合式高压开关设备，相同规格的一个间隔，HGIS比GIS的投资节省30％以上，由于新结构新技术带来的设备可靠性的提高和维护工作量的减少，HGIS能给用户的使用维护带来更多的方便和实惠。另外由于HGIS相比GIS体积减少，使用的铝材和SF6气体大大的降低，这样有利于环保和节约资源。同时，由于HGIS模块化，非常灵活，特别适用于老式变电站的改造.
综上所述，HGIS从表面上似乎是没封闭母线的GIS，其实HGIS的技术特点是强调设备整体在工厂制造与调试，这样使设备的制造品质大大的提高，而GIS的生产与组装工艺是在现场进行的。据国内的统计，新建变电站两年之内出现的70%的缺陷都是安装和调试质量问题，而HGIS将这些缺陷预先在工厂内部予以消除。HGIS更强调现场的免维护特点，现场的主要部件都可以在短时间内进行更换。使用HGIS更深远的意义在于它的运行可靠性高于GIS，HGIS的制造成本也低于GIS；另外，也减少了供电局维护的工作量，使其劳动生产率大大提高，并能更大限度的节约各类资源。随着模块化变电站的快速发展，HGIS设备的独有的工厂预制生产的特点更适用于充当高压电网变电站建设中的户外型主流高压电器产品。
4 结论
HGIS和GIS分别属于运行于户外和户内的两种专属设备。户内GIS布置方案能够解决土地紧张的问题，但建设工程投资明显高于HGIS布置方案，因此户内GIS建设方案适用于土地较紧张地区，HGIS建设方案适用于土地宽敞地区。GIS设备只能用于户内布置，不能直接用于户外；HGIS专用于户外布置方案，能够有效解决组合电器在户外恶劣环境下对设备运行可靠性的影响。当HGIS设备使用在一些特殊场合时，如海上、多风沙、高污染等地区可以增设集装箱或其他箱体防护措施，以提高设备可靠性。
参考文献：
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[2]包红旗，智能模块化变电站，北京，中国水利水电出版社，2016.
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[6]220kV全户外GIS设备运行缺陷与分析，游林辉，电气工程与自动化，2010.
[7]户外GIS设备运行维护技术，樊祥芦，通讯世界，2015.
作者简介：
包红旗，1958年6月，男，内蒙古通辽人。教授级高级工程，硕士，从事电力生产管理、电网调度等技术、科研工作，曾任电力公司生产部主任、调度局总工程师、中国电力科学院供用电研究所副所长等职务，在高压电器领域有很高的建树，致力于将 HGIS 技术引入数字化变电站，并在国内成功的建设了多个数字化变电站示范项目，为我国输变电事业的科技进步做出了贡献。
张闪，1989年7月，女，安徽淮北人。工程师，学士，从事35kV~220kV变电站设计及有关高压组合电器设备技术支持工作。
张国良，1983年12月，男，江西吉安人。工程师，学士，从事40.5kV~220kV高压组合电器的设计、制造等工作。
论文作者:包红旗[1],张闪[2],张国良[3]
论文发表刊物:《电力设备》2017年第16期
论文发表时间:2017/10/23
标签：设备论文; 户内论文; 变电站论文; 户外论文; 绝缘子论文; 母线论文; 现场论文; 《电力设备》2017年第16期论文;