一种先进的采用洁净空气绝缘和真空灭弧的风电专用72.5kV 环保型GIS.docx

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1、摘要：在海上风电领域，由于风机容量不断增大，远海深水风场的逐步开发，为了更好的优化系统成本，海上风电场内电压趋向于使用66kV系统，因此对占地空间小的紧凑型66kV72.5kV高压开关设备的需求也日益迫切。由于具有优异的绝缘和灭弧性能，SF6被广泛应用于高压开关设备，但其具有极高的全球变暖潜能GWP(23800),在整个生命周期内需要小心处理，以避免其泄漏到大气中。相关的政府和组织都在制定政策来减少和限制SF6的使用，并积极寻找和推动SF6的替代方案在开关设备中的应用。作为一种前景可期的SF6替代方案，采用洁净空气绝缘和真空灭弧相结合的开关技术被引入到高压开关领域。本文介绍了一种先进的基于该技

2、术方案的72.5kV无SF6的风电专专用GlS(8VM1),首个采用该产品的海上风电项目已经于2018年3月开始投入运行。从风电运营商的角度来看，该环保型GlS使得风机服务团队采取更简单的安全措施和接受更少的培训便能够实施运维工作。没有含氟气体也意味着没有SF6报告成本和税收补偿风险，也无需特殊的气体回收措施。首批8VM1的便捷安装和安全可靠的运行经验带来了积极的客户反馈。关键词：风机系统；GIS;集电电缆；全球变暖潜能GWP;SF6替代气体；洁净空气；真空灭弧室；一、引言电压等级达35kV的SF6中压GlS在现有风电系统中被广泛应用，但近几年随着体积更大、功率更强的风机的开发和应用，以及远海

3、深水风电场的开发，整个风电场的场内电压等级也将从现有主流的33kV升级到66kV。尤其是在欧洲海上风电场，以在建的英国BIyth海上66kV示范项目为开端，越来越多已中标和规划中的项目将采用66kV电压等级方案。丹麦风能咨询机构MAKE也预测从2019年起欧洲市场将全面转向66kV电压等级。在国内，随着近海风电资源的开发日渐饱和，对离岸距离更远、水深更深的风电资源开发成为必然，因此基于开发成本的优化，国产整机制造商对8MW及以上大功率风机的研制和试制也在近两年有了巨大的突破，如金风科技、上海电气和太原重工开发出了8MW海上风机，东方电气开发出了IoMW海上风机等。基于此，部分国内海上风电整机制

4、造商和系统运营商（如金风科技、上海电气和三峡新能源等）也开始展开66kV场内系统的可行性研究工作。另外根据DNV.G1.3的估算，从海上风电系统的生命周期管理角度来考虑，与现有33kV方案相比，虽然场内GlS开关和变电设备的成本有所增加，但66kV方案的工程固定资产投资和造价（主要包括场内集电海缆、海缆敷设、风机及内部输变电设备、升压平台及设备和各设备安装等成本）预计能降低15%。这主要归功于66kV方案具有： 更灵活的风机拓扑路线设计，从而显著减少海缆的用量及其敷设工作量； 更高的线路电压，带来更低的线路有功损耗，使得系统长期运行产生的总线损有明显的减少 在大容量风场，可以采用更少的海上平台

5、来满足风机电力的汇聚和送出（预计700MW以内的风电可通过单个海上升压变电站向电网传输）为了满足风电场的系统电压升级需求，结合多年的研究和试验，西门子专门推出了一款可安装在风塔内部的额定电压达72.5kV的十分紧凑的环境友好型GIS产品：8VM1。和传统的基于SF6技术的GIS不同，该GIS采用洁净空气（79.5%N2+20.5%02）绝缘和真空断路器灭弧技术，因为不含任何氟类气体和C02,不会产生任何温室气体的排放和泄漏。这也更加契合风电作为一种清洁能源的环保理念。该GTS已成功应用在西门子歌美飒7MW及以上大功率风机系统。本文将分享该72.5kVGIS产品的设计理念、结构特点、型式试验概况

6、及其项目应用。二、洁净空气绝缘技术作为一种全球变暖潜能GWP高达23800的温室气体，SF6对环境的负面影响一直被人们所关注。因此在过去几十年，除了不断优化GIS设计结构（更紧凑）、改进部件生产工艺以及提高成品装配质量（减少泄漏）来尽量减少SF6的用量和排放，SF6开关制造商们还致力于SF6替代气体的寻找及其相关技术的研究。近几年，一些开关制造商相继推出了基于不同替代气体方案的开关产品，其中有些已经投入试点运行。这其中干燥空气/C02、洁净空气、氟化既类气体或氟代酮类气体与N2/02或与C02的混合气体来作为绝缘和灭弧介质的SF6替代方案最具有代表性。表1：主要替代气体和SF6关键性能比较*S

7、F.4j洁净空气2蒐化JJfiC4-PFN家代SiC5-PFKv分子式SFjPN20：(79.54：20.5)P(CF3)jCFOk(CFa)jCFC(O)CFjPGWP-238001g2218Ie沸点（0C）一62000OPTWA*(pj三)ooo76522*混合气体，运受气体纯SF.或与Ns.CF,的各种混合，不适用2对GI1.:96、8对GIS：94%COjP83%C0211。223SOCk1OP327.462仔沸点（M）-64(可变的“920)e不可逆P（约970K）2分解物HF.S0：.破化物一如果放电:“氮氧化合物臭氧CHF.CO.OF2.CFjCN.CjF5CN.CJFHHF.C

8、F4.CjF.CR*对两种气体.C4FsCiHR;(1.Fi.C4Fe.CjFg.CjFjN.CaNa结合外部多方面的研究成果和西门子内部大量专门性的研究和试验结果,表1给出了上述几种混合气体和SF6的关键性能比较。与SF6相比，采用洁净空气作为绝缘介质使得8VMl实现了真正的无氟类气体（温室气体）的环保设计，其具有如下几个优势： 全球变暖潜能值为O,无温室效应 自身和其化学分解物无物理毒性，更安全环保，使得气体处理更简单，后期运维更便捷 具有更优的环境温度适应能力，可在低至-55。C的工况下工作而不液化 可以保持长期运行时化学稳定性（灭弧时伴随高可逆的电离分解）使得隔离开关和接地开关始终具有

9、足够的灭弧性能和绝缘性能当然，洁净空气作为绝缘介质的劣势在于相同气压下其只有SF6绝缘强度的40%左右，需要通过合理的设计优化：适当的气室气压提高和/或壳体尺寸放大，以及精确的电场控制，来满足设备的绝缘性能要求。三、高压真空灭弧技术从1970年代开始，由于优异的灭弧性能、高机械寿命和高可靠的免维护性能，真空灭弧室逐步在中压配网领域（W40.5kV）成为主流应用。但在过去由于一些待解决的关键技术问题（诸如：间距240Inm的触头间的开合电弧控制、容性电流开合无重击穿、X射线发射抑制等）和生产工艺水平（高成本）的局限，真空灭弧技术一直无法在高压领域（272.5kV）实现工业化应用。图1左侧是72.

10、5kV灭弧室内部结构图，右侧72.5kV和145kV灭弧室,图1左侧是72.5kV灭弧室内部结构图，右侧72.5kY和145kV灭弧室近些年，随着产品设计软件能力增强、零部件材料改进和生产工艺优化，单断口高压真空灭弧室也逐步被开发和应用于高压输电电网1113。国内西电宝光和平高电气相继推出了各自的126kV单断口真空灭弧室和断路器样机。从2010年开始西门子也陆续推出了72.5kV、145kVx17OkV和245kV单断口真空灭弧室用于其高压开关产品。基于过去40多年中、高压真空灭弧室的使用经验，与常规SF6灭弧室相比，真空灭弧室具有以下显著优点： 可靠的和高频次的开合操作寿命 对额定电流和额

11、定短路电流优异开断性能 开合过程中不会产生气体分解，因此也无任何有毒有害的分解物产生，灭弧室内部电场分布和绝缘能力不会劣化，电寿命更稳定 高自动化的批量生产工艺，排除人为失误，质量更稳定可靠，实现了真正意义上的免维护(SeaI-for-life)四、8VM1基于风电场工况的产品设计与认证（一）适应风塔空间的紧凑型结构设计8VM1是专门为风电行业66kV系统设计的GISo对于内部安装空间有限的风电塔来说，GIS设备的紧凑性是至关重要的因素。因此8VM1选择采用体积较小（高度更低）的真空灭弧室而不是常规的SF6灭弧室来降低整个GTS间隔的高度；同时将所有隔离开关和接地开关等模块整合在断路器气室中，

12、单一气室的结构减少了零部件的数量；这些优化设计都使得产品整间隔体积更紧凑，重量也更轻，也便于后续的运输和现场安装。表2:8VM1的主要技术参数I8VM1主要技术I棘啦72,W脸电徭125OA牍雷电冲击耐受电压140W32&KV获定另跆*B财询电迫开播次数KU11230次簸翎”50/60Ki0翎lt耐受电宏25kA期定弋EE旄对压力）0.56MP*联修值耐曼电深681(A气室年泡澹W非灭讪的04%桑定失步开断电源6.25kA0iK84M*ttVlWe22000次*灭如T()1S!U1i1也用厦&i（户内）SO*M5C清冷空气(Z95%W20.$%02)标准前隔尺寸（长/*而7500mm2UOmm

13、106011vn图2是8VM1典型间隔布置：66kY配变送出的电缆通过电流互感器后接入GIS上部进线电缆插头，然后连通进线三工位（隔离/接地）开关和真空灭弧室，再通过出线三工位开关（隔离/快速接地）开关和下部电缆连通另一台风机GIS和/或变电平台GISo整间隔占地面积大约2.311）2,体积约6.51131.就地汇控柜一2.真空灭弧室一3.断路器弹操机构Q4.隔离/接地三工位开关C5.隔离/快速接地三工位开关一6.电流互感器7.电压感应检测装置户8.电缆舱和插接式电缆头。9.支撑绝缘件.10.洁净空气（绝缘介质）一图28VMl典型间隔布置图Q图3海上风机配装开关可能的典型配置如图3所示，8VM

14、1具有多种结构和电缆出线方式，可以灵活满足风电场内电缆的各种布置需求：下部双侧电缆出线、下部单侧电缆出线以及无隔离开关单侧出线等。（二）风电运行功能与安全兼具的组件设计8VMl断路器由三相真空灭弧室构成，采用电动弹簧储能机构作为操作动力，自身保护控制组件安装在操作机构柜中，并带有位置指示装置来显示断路器的分合位置。在断路器顶部位置配装了防爆膜，用于释放异常升高的气压，确保设备和运维人员的安全。断路器的电缆充电电流开合水平和延长电寿命水平分别达到C2和E2等级。整合在断路器气室中的隔离开关和接地开关均采用三工位结构，可配置多达3个三工位开关，其中下部接地开关配有电动弹簧储能机构、具有快速接地保护功能。此外气室还配备了一个密度继电器对气体压力进行实时监测。从图2可以看出，8VM1没有传统SF6GlS的母线结构，取而代之的是变换多样的电缆进出线布置。电缆舱采用了中压环网柜电缆舱相似的设计，为了消除电缆故障可能引起的舱室气压升高问题，每个电缆舱都设置有防爆膜和导流罩用来泄压并将爆破气体引向不危及人员和设施的方向。此外还依照IEC62271-200的试验要求进行了电缆舱内部燃弧型式试验验证（25kAls）O图48VM1电缆舱布置示意图每