一、成果简介：

本项目基于GIS不停电扩建需求提出了三相共箱紧凑型双隔离断口刀闸模块化的解决方案，提出了紧凑型双断口隔离开关的拓扑结构，开发了中置式接地保护单元，研制了高可靠性的单操作机构双断口联动、带辅助接地的隔离开关装备，可用于馈线间隔扩建以及母线分段扩建。为变电站不停电扩建、检修提供了一种彻底的解决方案，攻克了一个困扰项目部、施工单位及运维单位几十年的工程难题。

本项目创新点主要集中于以下三个方面：

1、针对GIS设备扩建及试验不停电的工程需求，首次提出了紧凑型双断口隔离开关的拓扑结构，开发了中置式接地保护单元，研制了高可靠性的单操作机构双断口联动、带辅助接地的隔离开关装备，攻克了在不增加气室的情况下在运设备与增量设备灵活连接与有效隔离的首要技术难题。

2、研制了基于齿轮齿条传动的三相机械高效联动装置，构建了包含内部导体、联动装置、气固绝缘、外壳等关键组件的电、热、力等物理场三维仿真模型，提出了传动装置及其附属组件等不规则部位场强控制的金属内屏蔽结构及面向馈线间隔对接的偏心非同轴大裕度绝缘结构，发明了GIS馈线间隔不停电扩展功能模块，破解了馈线间隔扩建及试验不停电的行业难题。

3、开发了适用于GIS母线扩展通用型接口，提出了GIS母线积木式不停电整体扩展拼接策略，研制了基于锥齿啮合丝杠传动的三相共箱GIS母线高压导体小型化连接装置，发明了GIS母线分段不停电扩展功能模块，突破了三相共箱式GIS母线扩建及试验不停电的技术瓶颈。

本项目装备在西安高压电器研究院一次性通过全套型式试验，通过了第三方机构的检验检测，在中机联组织的产品鉴定会上，鉴定委员一致认为：“该结构为国内外首创，综合技术性能达到国际领先水平。”，同时科技成果鉴定会以李立浧院士为首的技术鉴定专家委认为该成果为“具备不停电扩建功能的GIS设备”奠定了坚实的基础，是一次有益的突破性的创新，关键性能达到国际领先水平。

同时本项目积极专利布局，包括国际专利在内的已实审授权专利已达21项，其中发明专利达13项。该项目成果能够面向所有的电网企业及设备制造商， 2018年实现与上海思源签订3个专利的实施许可合同，同时在2020年1月，该成果被列入国家电网基建部下发的2020年版基建新技术目录【基建技术（2020）1号文】。

目前本项目成果装备已在南方电网、国家电网、中国电建、中电投集团中滇西北直流工程、武汉黄金口变电站、江西电力有限公司分宜发电厂等站投入使用，且运行状况良好，项目可推广性极高，后期将逐步实现全国范围内的推广。

GIS不停电扩展模块实物图

GIS不停电扩展模块示意图

技术原理与特点：

本成果基于GIS不停电扩建需求提出了三相共箱紧凑型双隔离断口刀闸模块化的解决方案，提出了紧凑型双断口隔离开关的拓扑结构，开发了中置式接地保护单元，研制了高可靠性的单操作机构双断口联动、带辅助接地的隔离开关装备，可用于馈线间隔扩建以及母线分段扩建。为变电站不停电扩建、检修提供了一种彻底的解决方案，攻克了一个困扰项目部、施工单位及运维单位几十年的工程难题。

项目提出采用双断口隔离来实现不停电扩建，研制基于双断口隔离开关的GIS不停电扩建装备，拓扑结构设计如图1。装备打破传统隔离开关的定义，引入双隔离断口，并在断口动触头座设计中置式接地保护单元，由于双断口间增加了一把接地刀闸，即使一个断口击穿，击穿电流可以由接地刀闸进行泄放，另一个完好断口仍起到安全隔离的作用。

图1 双断口拓扑结构

新装备拓扑结构采用高绝缘裕度设计方案，通过两个隔离断口取代一个断口来保证，每一个断口和常规GIS隔离断口具备相同的尺寸，相同的断口间距，使绝缘裕度提升一倍。双断口+中置式接地开关拓扑结构不增加额外气室，不增加调度编号简化调度运维难度，将双断口和接地刀闸设计成为一个集成模块，满足空间紧凑布置要求，不增加调度运维难度，减少后续扩建、交接、检修过程中的母线停电需求。

1、GIS馈线间隔不停电扩建装备

图2为馈线间隔双隔离断口结构，采用三胞胎铸造壳体将绝缘拉杆在内的传动部件封装在一个SF6气室内部，隔离刀闸的主电接触结构为弹簧触头，由一个电动操作机构通过齿轮齿条传动方式同时带动三相触头向两端的静触头进行分合闸操作，三相的动触头中间由环氧树脂传动连杆串联，实现三相机械联动，另外辅助接地开关ES1、ES2采用手动操动机构，分相操作。

图2双隔离断口结构图示意

如图3双隔离断口内部横截面示意图，通过不停电扩建模块能够同时实现双侧隔离断口分合闸、断口中间动触头导电部分可靠接地的功能。图4为成果安装图。

图3内部横截面示意图

图4 间隔扩建模块安装后示意图

该装备已首次应用在国家重点工程滇西北东方换流站，如图4，实现6个备用间隔扩建不停电的目标。

同时，该成果在国网武汉黄金口变电站已有4个220kV不停电装备投入使用，在国家电投集团江西电力有限公司分宜发电厂有1个不停电装备投入使用。

2、GIS母线分段不停电扩建装备

为了消除GIS母线扩建时需整体母线停电的弊端，有效缩短项目扩建时间和降低扩建过程中给原有设备带来的风险，避免由于母线停电带来的经济损失。母线扩展装备采用三相共箱设计，与需对接的原母线在外型结构上无差别，可以实现一对多的积木式整体拼接扩建，如图5，极大提高扩建效率。装备内部导体两侧断口在同一水平线上，有效减少内部绝缘距离。每相均设分相机构，由分相机构将丝杠螺纹转动传递为动触头水平双向直线运动，实现分合闸操作，如图6。

为了消除GIS母线扩建时需整体母线停电的弊端，有效缩短项目扩建时间和降低扩建过程中给原有设备带来的风险，避免由于母线停电带来的经济损失。母线扩展装备采用三相共箱设计，与需对接的原母线在外型结构上无差别，可以实现一对多的积木式整体拼接扩建，如图5，极大提高扩建效率。装备内部导体两侧断口在同一水平线上，有效减少内部绝缘距离。每相均设分相机构，由分相机构将丝杠螺纹转动传递为动触头水平双向直线运动，实现分合闸操作，如图6。

图5积木式整体拼接扩展

图6 母线不停电扩建间隔

根据不同厂家对接法兰的尺寸，设计了过渡壳体和内部导体，开发了适用于GIS母线扩展通用型接口，如图7，适用性高，具有广阔的推广应用价值。

图7 通用型接口

该不停电扩建模块实现不停电的方案，如图8所示：

1、GIS馈线和母线扩建对接安装时通过双隔离断口安全隔离，原母线可以带电运行，实现持续供电。

2、扩展馈线间隔和扩展母线段进行交接耐压试验时，母线可以带电运行，通过双隔离断口对两侧进行安全隔离，辅助接地刀闸对隔离断口中间导体钳制地电位。

图8 扩建安装和试验不停电原理

二、技术优势及性能指标：

本成果研制的装备在电、热、力性能参数配置均优于国家标准要求，参数配置达到了国际领先水平，参数对比如下表：

与常规单断口GIS隔离开关相比性能大大提升，关键参数如下：

1、偏心非同轴结构的绝缘设计裕度是常规设计的1.3倍。

2、齿轮齿条的机械传动扭矩为常规的2倍，实现双隔离断口同步操作，提高了机械强度。

3、满足地震烈度9度的抗震要求，可用于高地震烈度区域。

4、壳体燃弧性能高于标准要求，燃弧烧穿耐受时间是标准要求的7倍。

国内外尚无相关的研究文献提出过GIS扩建不停电的完美解决办法，目前业内研究现状主要有以下技术手段，如下表：

对比现有技术，参评专利技术的技术优势为：

（1）效率高：新设备对接安装不停电；新设备绝缘试验不停电；运行设备检修维护不停电。

（2）成本低：不需额外增加设备。

（3）性能提升显著，品质高：不停电扩建、检修需实现高裕度，低风险；涉及的倒闸操作少。

通过市场需求响应来对现有技术和参评专利成果进行综合评估，评估结果证明，本专利产品提供了目前世界上唯一可完美解决GIS扩建停电问题的技术，如下表。

通过评估对比，现有技术均无法彻底解决在扩建安装和绝缘试验时GIS不停电的问题，而参评专利研制的装备能够完美解决GIS扩建和耐压试验不停电的难题，满足不停电的各项需求，具有明显的技术优势，而且该装备与各型号GIS均可完美渡对接，适用性高，可推广至GIS需扩建的变电站\换流站中，具有广阔的应用市场和良好的推广应用价值。

三、所属领域：

综合能源系统方向：能源控制技术

四、成熟度：

产业化阶段

五、市场应用情况及经济效益分析：

对新建换流站、变电站的有效应用，验证了本产品在工程中的可行性和有效性。具体市场应用情况如下：

首次应用在国家重点工程滇西北东方换流站，实现6个备用间隔扩建不停电的目标，6个间隔12个功能模块已在滇西北特高压直流工程安全运行超过2年。

同时，专利技术列入了国家电网2020年基建新成果目录与南方电网新技术推广目录，在武汉黄金口变电站、襄阳观音阁（庞公）变电站、中电投分宜发电厂、中国电建本钢板材能源总厂均有产品投入使用，实现了全国范围内的推广。

GIS不停电扩展模块还可以往检修不停电市场延展，同时还适用于GIL（气体绝缘金属刚性线路）的不停电延展与检修。同时由于GIS设备扩建、检修停电已严重影响到地区供电可靠率，因此专利成果推广前景好，重要程度高，可在行业全面推广应用。

经济分析主要基于以下3条原则：

1）专利网对产品核心技术进行全范围保护，目前市场占有率100%

2）产品列入了国家电网2020年基建新技术推广目录，同时推荐进入了南方电网2020年基建推广目录（流程中）

3）在深圳、武汉、江西新余等城市的变电站使用，在国家电网、南方电网、国电投均有挂网运行业绩

战略计划分别从地域和功能两个维度展开，市场测算按照地域可从南网→国网→海外分步开展，按照功能可从不停电扩展→不停电检修将产品从局部铺开到整体应用，具体如下：

1、本地市场-南方电网

南方电网截至2019年底，110kV及以上GIS共有 15701台，其中，500kV GIS共1305台，占比8.31%；220kV GIS 4073台，占比25.94%；110kV GIS 10323台，占比65.75%。从2015-2019年,GIS分别新增了1111台、1347台、1328台、1104台、785台，5年共新增了5675台。

使用该产品可使每台GIS扩建工期缩短6天，依据电网售电价：0.35元/kWh，利润：0.090元/kWh，每台GIS扩建将新增电网售电额约3588万元，新增利润约923万元，在每年新增的GIS台数中，备用待扩展间隔按照40%计算，市场份额占比100%，近5年可新增售电额814.476亿元，平均每年新增售电额162.8952亿元，平均新增利润104.7605亿元。

该产品与不同型号GIS都能实现过渡对接，适用性高。产品的生产成本由材料、设备生产、人工、试验、管理以及运营等费用组成，成本与批次生产的数量成指数关系，单个产品生产成本约10万元/台，批量生产成本可控制在5~6万元/台，市场销售额15~20万元/台，批量生产后利润约10~14万元/台，按照南网GIS设备体量，每年7%的新增率，40%的备用扩展率，且一台GIS扩展需安装两台不停电扩展模块（双母线结构），产品平均每年在南网的销售额可以达到1.32~1.76亿元，利润约0.88~1.2亿元/年。

2、周边市场-国家电网与各发电公司

国家电网由华北、华东、华中、西北、东北5大片区组成，每个片区与南方电网（广东、广西、云南、贵州、海南）的体量类似，因此，国家电网的体量可按照南网的5倍进行近似测算。考虑到目前这是目前世界上唯一可完美解决不停电扩建的产品，市场占有率100%，暂无其他竞争性、同类型的产品存在，因此市场份额占比100%，产品平均每年在国家电网的销售额可以达到6.6~8.8亿元，利润约4.4~4.8亿元/年，新增售电额814.476亿元/年，平均新增利润523.8亿元

上述测算主要基于每年GIS设备所有备用待扩展间隔均安装不停电扩展模块产品，且在一年内均进行扩建工作等理想情况。

3、海外市场

日本和德国的电网近年增速减缓，年增容体量接近南方电网的10%，产品潜在市场约1000万元/年。

4、高端市场-不停电检修领域

不停电扩展模块对于GIS产品是一种重要的功能补充，为变电站扩建、检修不停电提供一种彻底的解决方案，因此，在巩固扩建不停电市场的基础上，可以往检修不停电市场延展，即从GIS备用扩建间隔延伸到GIS全部间隔的应用，数量增长了2.5倍，在南网的销售额可以达到3.3~4.4亿元/年，利润约2.2~3亿元/年；在国家电网的销售额可以达到16.5~22亿元，利润约11~12亿元/年。