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【摘 要】 气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）是电力系统中的重要设备，在电力系统中使用的越来越广泛。相对于常规110kV配电装置，GIS是最具发展前途的开关装置，它具有多项优良的性能，具有占地少，建设快、结构紧凑、环境适应能力强、检修周期长、运行安全可靠等等诸多优点，因此GIS变电站模式将逐步成为变电站设计的首选。本文论述了新建GIS变电站在设计时应注意的几个问题，涉及如何实现各种接线方式的GIS设备间隔扩建不停电、内桥接线变压器高压侧应选用快速隔离开关、SF6密度继电器和指示压力表应选用具有不拆卸即能实现现场校验的装置等问题，详细分析了原因，并提出了相应解决措施，为新建GIS变电站设计提供了参考。
【关键词】 GIS；SF6；扩建不停电；快速隔离开关；SF6密度继电器和指示压力表
GIS（gas—insulated metal—enclose switchgear），即气体绝缘金属封闭开关设备，又称“六氟化硫封闭式组合电器”，它是将断路器、隔离开关、接地开关、快速接地开关、电流互感器、电压互感器和母线等元件组合并封闭于金属壳体内，充绝缘性能和灭弧性能优异的六氟化硫（SF6）气体组成一种组合式高压电器。与传统敞开式配电装置相比，GIS具有占地面积小、安全可靠性高、检修周期长、安装维护工作量小、无电磁干扰等优点。近年来，GIS在国内得到了广泛的应用。本文在借鉴以往工程设计经验教训的基础上，提出在新建GIS变电站设计时应重点注意的三个问题，详细分析了原因，并提出了相应解决措施。
1 应考虑预留间隔后期扩建时不停电
由于工程建设成本与收益直接挂钩，许多大型铝加工项目采用分期建设模式，配套的GIS变电站相应采取分期建设方式，即土建部分一期工程一次建成，电气设备分期实施。对于普通的变电站，由于扩建间隔的构架初期时已经建好，搭接母线的时间较短，因此母线停电容易安排；GIS变电站则不同，由于母线对接后气室还需抽真空、充SF6气体、静置、做耐压试验等，母线停电的时间很长，如果一期工程未规划设计预留间隔扩建时的接口方案，后期扩建时往往会长时间停电，目前已有GIS变电站经历了扩建停电的噩梦。如何减少扩建时的停电时间，甚至是不停电，应成为GIS变电站设计人员考虑的重要问题。
为规范GIS工程设计，减少扩建时的停电时间，2011年8月23日国家电网公司发布的《关于加强气体绝缘金属封闭开关设备全过程管理重点措施》第二章第八条、第九条对GIS工程扩建提出了的具体要求。
第八条 采用GIS的变电站，其同分段的同侧GIS母线原则上一次建成。如计划扩建母线，宜在扩建接口处预装一个内有隔离开关（配置有就地工作电源）或可拆卸导体的独立隔室；如计划扩建出线间隔，宜将母线隔离开关、接地开关与就地工作电源一次上全。
第九条 GIS变电站如计划分期建设，在GIS采购时，应要求制造厂提供包括扩建预留部分在内的完整的现场绝缘试验方案。扩建完成后试验时，应尽可能减少对原有设备的耐压试验次数。
从国家电网公司的扩建要求中不难看出，GIS变电站在规划设计时就应该充分考虑扩建时的各项工作。
在110kV变电站设计中110kV侧普遍采用四种接线方式：双母线接线方式、内桥接线方式、单母线分段接线方式、单母线接线方式。下面以ZF12-126（L）为例，对采用双母线接线方式和内桥、单母线分段、单母线接线方式的GIS扩建工程的不停电接口设计方案进行分析：
1.1双母线接线
1.1.1以母线端部作为扩建接口，扩建完整间隔（见图1、2）
间隔扩建时，F3母联间隔具体操作为：CB分闸、DS2分闸、ES2合闸。F2间隔具体操作为：DS分闸、ES1合闸。F4、F5间隔具体操作为：DS2分闸。完成F5、F6间隔Ⅱ母线的扩建对接。
F3母联间隔具体操作：CB分闸、DS1分闸、ES1合闸。F1间隔具体操作：ES1合闸、DS分闸。F4、F5间隔具体操作：DS1分闸。完成F5、F6间隔Ⅰ母线的扩建对接。
二期设备的扩建实质上对一期设备没有具体的要求，除了需要满足对接接口的具体尺寸外，不受一期设备的限制。利用两条母线的结构优势，完成不停电扩建对接。但是，两条母线不能同时运行，且需要操作的开关相对较多。具体就需要考虑对接接口部位的结构（图3）：
A、用不通绝缘盆子和一期隔开，使一期设备和后期设备对接时能保持在额定气压，这样可保证一期设备不停电或停电范围减少。B、对接接口部位采用可拆卸的伸缩节结构，将一期设备从气室、导电回路隔断。使后期设备先就位，单独做完绝缘试验后，再和前期设备对接。
1.1.2以母线隔离、接地开关处作为扩建接口（见图4、5）
间隔扩建时，具体操作为：Ⅰ母带电，所有负荷导向Ⅰ母，Ⅱ母停电，F6间隔具体操作：DS1分闸、DS2分闸、ES1合闸，回收DS2气室内的SF6气体。
一期设备为“备用间隔（即仅上了母线上的隔离开关和接地开关）”，二期扩建时，将备用间隔的隔离开关分闸，接地开关合闸后，即可在不影响其它间隔运行的状态下完成整个间隔的扩建。但是，两条母线不能同时运行，且需要操作的开关相对较多。采用此种预留间隔后期对接时，对接面不在两侧存在气压差的绝缘子上，避免了外力直接冲击气隔绝缘子，对接相对较为安全，即使气隔绝缘子出破裂问题，因为有DS2角隔筒体的缓冲作用，也不会对人员和设备造成较大伤害。
1.2內桥、单母线分段、单母线接线
1.2.1以母联间隔处作为扩建接口（图6、7）。本图示意为内桥接线，单母分段原理与此相同。
间隔扩建时，F3间隔进行如下操作操作：CB分闸，ES2合闸，DS2分闸。因为单母线结构上一期设备中有母联间隔，在扩建时，仅需操作母联间隔，即可实现一期设备F1、F2间隔不停电，完成扩建对接。 1.2.2以母线隔离开关处作为扩建接口（图8、9、10），本图适用于内桥接线、单母分段、单母线接线。
间隔扩建时，F3间隔具体操作为：DS1分闸，ES1合闸。因为一期设备中，包含了需要扩建间隔的母线隔离开关、接地开关。所以，在扩建时，仅需对母线隔离开关、接地开关相关操作，即可完成扩建对接。本主接线方式，是否能够实现不停电对接，决定与一期设备的结构，故一期设备需特殊设计（见图10），前期上设备DS1和ES1作为一个独立气室和后期对接法兰之间用不通盆隔离开，保证对接时不拆卸不通绝缘子，使DS1和ES1气室作为过渡气室且处于额定压力，保证隔离断口绝缘不击穿，DS1分闸，ES1合闸，实现不停电对接。如果没有过渡气室或对接过程需要拆卸绝缘子及螺栓，则无法实现不停电对接。
综合上面的分析，可以得出结论：
新建GIS变电站采用双母线接线方式时，根据实际情况，有两种设计方案：
后期扩建间隔在母线端部时，要想使间隔扩建时不停电，可以采用在扩建接口处设置独立气室，并预留可拆卸的伸缩节结构的建设位置的方案。
后期扩建间隔在中间位置时，必须在一期工程建设扩建间隔的母线隔离开关及接地开关，并要求母线与母线隔离开关之间、两个母线隔离开关之间不在一个气室内。
新建GIS变电站采用单母线接线方式时，要想使间隔扩建时不停电，必须在一期工程建设扩建间隔的母线隔离开关及接地开关，并要求将隔离开关及接地开关处于一个独立气室。
新建GIS变电站采用单母线分段或内桥接线方式时，根据实际情况，有两种设计方案：
后期扩建一段母线的所有间隔，要想使间隔扩建时不停电，必须在一期工程建设母联间隔。
后期扩建某段母线某一或某几个间隔，要想使间隔扩建时不停电，必须在一期工程建设扩建间隔的母线隔离开关及接地开关，并要求将隔离开关及接地开关处于一个独立气室。
为确保新建GIS变电站在预留间隔扩建时母线不停电，设计者还可在招标技术规范书和技术协议书中要求厂家有针对性地提出不停电扩建的完整方案，并体现到施工设计中。
2 内桥接线主变压器高压侧应选用快速隔离开关
某工程配套建设110kVGIS变电站，110kV侧接线简图如下图所示：
全站由进线2主供的情况下，若1021号刀闸采用的是普通的隔离开关，无法断开空载变压器，当2号变压器要进行检修或预试时，就只能断开110kV进线182号开关，全站停电，然后断开1021号刀闸主变压器停电，再回复182号开关对1号主变压器供电，2号主变压器才能進行检修，事实上，由于遵守先断开负荷侧开关才能断开电源侧开关的操作顺序，全站停电的时间将会很长。
如果1021号刀闸采用的是快速隔离开关，可以开断变压器的空载电流，当2号变压器要进行检修或预试时，可以直接断开变压器低压侧开关，然后拉开1021号刀闸对主变压器停电，完全不影响1号主变压器的供电，极大地缩短了2号主变压器的停电时间。由此可见，内桥形接线主变压器高压侧选用快速隔离开关将给今后的检修和维护带来很大的方便。
3 SF6密度继电器和指示压力表应具有不拆卸即能实现现场校验的装置
根据电力设备预防性试验规程中关于GIS设备的要求，应按照周期对SF6气体密度监视器（包括整定值）进行预试。国家电网公司18项电网重大反事故措施（试行）关于“预防SF6断路器及GIS故障的措施”明确规定：SF6压力表和密度继电器应定期进行校验。但大量的密度继电器由于没有专用的接头，必须拆卸后才能进行测试，仅仅为了预试在现场进行大量密度继电器的拆卸几乎是不可能的。另一方面，有些生产厂家密度继电器的接头是定型产品，他们不愿意改变定型设计，从而导致不能严格贯彻执行预试规程和反措的要求。随着反措贯彻力度的加强，很多厂家也生产出了不拆卸即能实现现场校验的密度继电器。因此在标书和技术协议中应特别强调SF6密度继电器和指示压力表应具有不拆卸即能实现现场校验的装置，并在投运前认真验收。有种不拆卸即能实现现场校验的装置类似于管道的三通接头，有两个阀门。当主阀门关闭后，打开侧阀门即可以很方便地用仪器校验密度继电器。校验完成后，关闭侧阀，打开主阀恢复正常运行状态。要特别注意的是，试验完成后一定要开启主阀门，否则密度继电器的读数无法正确反映GIS气室的实际压力，若开关气室漏气未被发现，压力继续降低有可能造成开关无法灭弧发生爆炸的严重后果。
4 结束语
作为设计人员，在进行GIS变电站设计时，应认真做好主接线及设备选型的分析比较工作，制定出兼顾运行、检修、试验及扩建阶段的主接线方案及设备选型方案，并注意加强GIS设备方面知识的学习和交流，不断总结经验教训，对设计中存在的不足加以改进和完善。
参考文献：
1. 王平，王慧娟，郭路遥，吕琦.GIS变电站灵活性扩建及电气试验方案的研究[j].电气时代.2010.（8）
2. 郑泽鸿.GIS变电站几个应予注意的问题[j].技术与管理.2007.（2）：53-54
【关键词】 GIS；SF6；扩建不停电；快速隔离开关；SF6密度继电器和指示压力表
GIS（gas—insulated metal—enclose switchgear），即气体绝缘金属封闭开关设备，又称“六氟化硫封闭式组合电器”，它是将断路器、隔离开关、接地开关、快速接地开关、电流互感器、电压互感器和母线等元件组合并封闭于金属壳体内，充绝缘性能和灭弧性能优异的六氟化硫（SF6）气体组成一种组合式高压电器。与传统敞开式配电装置相比，GIS具有占地面积小、安全可靠性高、检修周期长、安装维护工作量小、无电磁干扰等优点。近年来，GIS在国内得到了广泛的应用。本文在借鉴以往工程设计经验教训的基础上，提出在新建GIS变电站设计时应重点注意的三个问题，详细分析了原因，并提出了相应解决措施。
1 应考虑预留间隔后期扩建时不停电
由于工程建设成本与收益直接挂钩，许多大型铝加工项目采用分期建设模式，配套的GIS变电站相应采取分期建设方式，即土建部分一期工程一次建成，电气设备分期实施。对于普通的变电站，由于扩建间隔的构架初期时已经建好，搭接母线的时间较短，因此母线停电容易安排；GIS变电站则不同，由于母线对接后气室还需抽真空、充SF6气体、静置、做耐压试验等，母线停电的时间很长，如果一期工程未规划设计预留间隔扩建时的接口方案，后期扩建时往往会长时间停电，目前已有GIS变电站经历了扩建停电的噩梦。如何减少扩建时的停电时间，甚至是不停电，应成为GIS变电站设计人员考虑的重要问题。
为规范GIS工程设计，减少扩建时的停电时间，2011年8月23日国家电网公司发布的《关于加强气体绝缘金属封闭开关设备全过程管理重点措施》第二章第八条、第九条对GIS工程扩建提出了的具体要求。
第八条 采用GIS的变电站，其同分段的同侧GIS母线原则上一次建成。如计划扩建母线，宜在扩建接口处预装一个内有隔离开关（配置有就地工作电源）或可拆卸导体的独立隔室；如计划扩建出线间隔，宜将母线隔离开关、接地开关与就地工作电源一次上全。
第九条 GIS变电站如计划分期建设，在GIS采购时，应要求制造厂提供包括扩建预留部分在内的完整的现场绝缘试验方案。扩建完成后试验时，应尽可能减少对原有设备的耐压试验次数。
从国家电网公司的扩建要求中不难看出，GIS变电站在规划设计时就应该充分考虑扩建时的各项工作。
在110kV变电站设计中110kV侧普遍采用四种接线方式：双母线接线方式、内桥接线方式、单母线分段接线方式、单母线接线方式。下面以ZF12-126（L）为例，对采用双母线接线方式和内桥、单母线分段、单母线接线方式的GIS扩建工程的不停电接口设计方案进行分析：
1.1双母线接线
1.1.1以母线端部作为扩建接口，扩建完整间隔（见图1、2）
间隔扩建时，F3母联间隔具体操作为：CB分闸、DS2分闸、ES2合闸。F2间隔具体操作为：DS分闸、ES1合闸。F4、F5间隔具体操作为：DS2分闸。完成F5、F6间隔Ⅱ母线的扩建对接。
F3母联间隔具体操作：CB分闸、DS1分闸、ES1合闸。F1间隔具体操作：ES1合闸、DS分闸。F4、F5间隔具体操作：DS1分闸。完成F5、F6间隔Ⅰ母线的扩建对接。
二期设备的扩建实质上对一期设备没有具体的要求，除了需要满足对接接口的具体尺寸外，不受一期设备的限制。利用两条母线的结构优势，完成不停电扩建对接。但是，两条母线不能同时运行，且需要操作的开关相对较多。具体就需要考虑对接接口部位的结构（图3）：
A、用不通绝缘盆子和一期隔开，使一期设备和后期设备对接时能保持在额定气压，这样可保证一期设备不停电或停电范围减少。B、对接接口部位采用可拆卸的伸缩节结构，将一期设备从气室、导电回路隔断。使后期设备先就位，单独做完绝缘试验后，再和前期设备对接。
1.1.2以母线隔离、接地开关处作为扩建接口（见图4、5）
间隔扩建时，具体操作为：Ⅰ母带电，所有负荷导向Ⅰ母，Ⅱ母停电，F6间隔具体操作：DS1分闸、DS2分闸、ES1合闸，回收DS2气室内的SF6气体。
一期设备为“备用间隔（即仅上了母线上的隔离开关和接地开关）”，二期扩建时，将备用间隔的隔离开关分闸，接地开关合闸后，即可在不影响其它间隔运行的状态下完成整个间隔的扩建。但是，两条母线不能同时运行，且需要操作的开关相对较多。采用此种预留间隔后期对接时，对接面不在两侧存在气压差的绝缘子上，避免了外力直接冲击气隔绝缘子，对接相对较为安全，即使气隔绝缘子出破裂问题，因为有DS2角隔筒体的缓冲作用，也不会对人员和设备造成较大伤害。
1.2內桥、单母线分段、单母线接线
1.2.1以母联间隔处作为扩建接口（图6、7）。本图示意为内桥接线，单母分段原理与此相同。
间隔扩建时，F3间隔进行如下操作操作：CB分闸，ES2合闸，DS2分闸。因为单母线结构上一期设备中有母联间隔，在扩建时，仅需操作母联间隔，即可实现一期设备F1、F2间隔不停电，完成扩建对接。 1.2.2以母线隔离开关处作为扩建接口（图8、9、10），本图适用于内桥接线、单母分段、单母线接线。
间隔扩建时，F3间隔具体操作为：DS1分闸，ES1合闸。因为一期设备中，包含了需要扩建间隔的母线隔离开关、接地开关。所以，在扩建时，仅需对母线隔离开关、接地开关相关操作，即可完成扩建对接。本主接线方式，是否能够实现不停电对接，决定与一期设备的结构，故一期设备需特殊设计（见图10），前期上设备DS1和ES1作为一个独立气室和后期对接法兰之间用不通盆隔离开，保证对接时不拆卸不通绝缘子，使DS1和ES1气室作为过渡气室且处于额定压力，保证隔离断口绝缘不击穿，DS1分闸，ES1合闸，实现不停电对接。如果没有过渡气室或对接过程需要拆卸绝缘子及螺栓，则无法实现不停电对接。
综合上面的分析，可以得出结论：
新建GIS变电站采用双母线接线方式时，根据实际情况，有两种设计方案：
后期扩建间隔在母线端部时，要想使间隔扩建时不停电，可以采用在扩建接口处设置独立气室，并预留可拆卸的伸缩节结构的建设位置的方案。
后期扩建间隔在中间位置时，必须在一期工程建设扩建间隔的母线隔离开关及接地开关，并要求母线与母线隔离开关之间、两个母线隔离开关之间不在一个气室内。
新建GIS变电站采用单母线接线方式时，要想使间隔扩建时不停电，必须在一期工程建设扩建间隔的母线隔离开关及接地开关，并要求将隔离开关及接地开关处于一个独立气室。
新建GIS变电站采用单母线分段或内桥接线方式时，根据实际情况，有两种设计方案：
后期扩建一段母线的所有间隔，要想使间隔扩建时不停电，必须在一期工程建设母联间隔。
后期扩建某段母线某一或某几个间隔，要想使间隔扩建时不停电，必须在一期工程建设扩建间隔的母线隔离开关及接地开关，并要求将隔离开关及接地开关处于一个独立气室。
为确保新建GIS变电站在预留间隔扩建时母线不停电，设计者还可在招标技术规范书和技术协议书中要求厂家有针对性地提出不停电扩建的完整方案，并体现到施工设计中。
2 内桥接线主变压器高压侧应选用快速隔离开关
某工程配套建设110kVGIS变电站，110kV侧接线简图如下图所示：
全站由进线2主供的情况下，若1021号刀闸采用的是普通的隔离开关，无法断开空载变压器，当2号变压器要进行检修或预试时，就只能断开110kV进线182号开关，全站停电，然后断开1021号刀闸主变压器停电，再回复182号开关对1号主变压器供电，2号主变压器才能進行检修，事实上，由于遵守先断开负荷侧开关才能断开电源侧开关的操作顺序，全站停电的时间将会很长。
如果1021号刀闸采用的是快速隔离开关，可以开断变压器的空载电流，当2号变压器要进行检修或预试时，可以直接断开变压器低压侧开关，然后拉开1021号刀闸对主变压器停电，完全不影响1号主变压器的供电，极大地缩短了2号主变压器的停电时间。由此可见，内桥形接线主变压器高压侧选用快速隔离开关将给今后的检修和维护带来很大的方便。
3 SF6密度继电器和指示压力表应具有不拆卸即能实现现场校验的装置
根据电力设备预防性试验规程中关于GIS设备的要求，应按照周期对SF6气体密度监视器（包括整定值）进行预试。国家电网公司18项电网重大反事故措施（试行）关于“预防SF6断路器及GIS故障的措施”明确规定：SF6压力表和密度继电器应定期进行校验。但大量的密度继电器由于没有专用的接头，必须拆卸后才能进行测试，仅仅为了预试在现场进行大量密度继电器的拆卸几乎是不可能的。另一方面，有些生产厂家密度继电器的接头是定型产品，他们不愿意改变定型设计，从而导致不能严格贯彻执行预试规程和反措的要求。随着反措贯彻力度的加强，很多厂家也生产出了不拆卸即能实现现场校验的密度继电器。因此在标书和技术协议中应特别强调SF6密度继电器和指示压力表应具有不拆卸即能实现现场校验的装置，并在投运前认真验收。有种不拆卸即能实现现场校验的装置类似于管道的三通接头，有两个阀门。当主阀门关闭后，打开侧阀门即可以很方便地用仪器校验密度继电器。校验完成后，关闭侧阀，打开主阀恢复正常运行状态。要特别注意的是，试验完成后一定要开启主阀门，否则密度继电器的读数无法正确反映GIS气室的实际压力，若开关气室漏气未被发现，压力继续降低有可能造成开关无法灭弧发生爆炸的严重后果。
4 结束语
作为设计人员，在进行GIS变电站设计时，应认真做好主接线及设备选型的分析比较工作，制定出兼顾运行、检修、试验及扩建阶段的主接线方案及设备选型方案，并注意加强GIS设备方面知识的学习和交流，不断总结经验教训，对设计中存在的不足加以改进和完善。
参考文献：
1. 王平，王慧娟，郭路遥，吕琦.GIS变电站灵活性扩建及电气试验方案的研究[j].电气时代.2010.（8）
2. 郑泽鸿.GIS变电站几个应予注意的问题[j].技术与管理.2007.（2）：53-54