GIL:气体绝缘金属封闭输电线路
概念
在介绍GIS之前,我们先从GIL开始引入,因为GIL相当于更长的GIS母线,但它的结构比GIS简单的多。
在电力传输场景中,当电缆(容易发热、电容效应大)或架空线(占地广、景观影响大)不适用时,则常使用GIL进行大容量、特高压的电能传输(比如跨江隧道、地下电站或变电站内部引出线)。
性能方面,GIL 安全性能更好、输电效率更高、智能化程度更高、电磁辐射更少、线路损耗更低、使用寿命更长,在多方面均有明显优势。
成本方面,GIL 的 建造成本为每千米 1300 万左右,略高于架空线和地下电缆。
架空线应用在地面,而 GIL 主要应用下地下,需要建设管廊,需要额外的土建成本,更多适用于地下输电。
结构
GIL的结构本质上是一个“管中管”的设计,其主要组成为:外壳,中心导体,绝缘介质,绝缘支撑件、即其他辅助与补偿元件
外壳
即图中直接看到的圆柱长筒,其内部空心,安装了输电导体。外壳的作用是密封绝缘气体,同时作为接地的防护罩,屏蔽电场并防止外界环境(潮湿、污秽)干扰。
中心导体
位于外壳正中央的金属管,电流传输的实际载体。
采用空心管状设计。这不仅是为了减轻重量,更重要的是利用趋边效应(Skin Effect),因为高压交流电主要在导体表面流动。
绝缘介质
由于外壳和导体均通常为铝合金,因此其中间需要填充高性能的绝缘材料进行分隔。在GIL和GIS中,通常都使用高压 SF6(六氟化硫) 气体,由于其是温室气体,现在也有混入氮气的操作。
绝缘支撑件
这是将导体固定在外壳中心的“支架”,通常由环氧树脂浇注而成。最常见的是盆式绝缘子,即外观像个盆,不仅起到了支撑作用,还可以将每段管线密封为单独隔室,防止一处漏气影响全线。
辅助与补偿元件
- 伸缩节(波纹管): 最重要,内部的柔性元件允许它像手风琴一样拉伸或压缩,吸收金属管线因热胀冷缩产生的形变,热胀冷缩是导致GIL出现机械故障的主要原因,因此伸缩节周围常出现故障
吸附剂(干燥剂): 放置在内部,用于吸收气体中的水分和分解产物。
微粒捕集器: 捕捉内部残留的细小金属颗粒,防止在强电场下引发放电事故。
总的来说,GIL承担了特高压输电中的“导线”角色,没有过多其他的作用。
GIS:气体绝缘金属封闭开关设备
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GIS (Gas Insulated Switchgear) 相当于电力系统的“多功能核心枢纽”,它集成了断路器、隔离开关、接地开关、互感器和避雷器等高压电气元件,并封装在接地的金属外壳内,外壳中充入了SF6气体作为绝缘介质。如果把GIL比作“铁轨”,则GIS就是“火车站”一样的存在,负责控制和保护输电系统。
GIS的主要优点是占地面积小,可靠性高;缺点是检修困难,使用的绝缘气体SF6成本较高。其结构如图所示:
GIS的核心组件主要有5个,分别是断路器、隔离开关与接地开关、互感器、避雷器、母线
结构
断路器
图1的①,就是那个方方的柜子。负责在正常或故障(短路)情况下切断电流。其内部充有比母线中更高气压的SF6,用于迅速灭弧。
隔离开关
图1中②,制造一个可见的、可靠的绝缘断口。它的存在是为了让检修人员百分之百确认:这部分线路已经和带电母线彻底分开了。(拿家中电力系统举例的话,断路器就是电闸,隔离开关就是电器的电线插口)
由于其不具备很强的灭弧能力,因此必须在断路器先切断电流后,才能操作隔离开关。
接地开关
图1中③,在停电后,将指定位置部分进行可靠接地,起到泄放残余电荷,感应电防护和防止意外送电的作用。
电压、电流互感器
在图1中应该是④和⑤?,负责将高压信号转变为低压小电流,供仪表测量和继电保护使用。
避雷器
图中未标出,限制过电压,防止雷电或操作浪涌损坏内部绝缘。
母线
图1中⑨,内部导体主要分为单筒单线式和三相共筒式,三相共筒式更节约空间,但只能用于中低压传输。其他内容则与GIL相同。