1GIS的現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)向

GIS是由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成的組合電器的簡稱，這些設(shè)備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，在其內(nèi)部充有一定壓力的SF6絕緣氣體，故也稱SF6全封閉組合電器。與常規(guī)變電站(AIS)相比，GIS具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.1　結(jié)構(gòu)緊湊。220kVGIS占地面積僅為AIS的10％，500kVGIS占地面積僅為AIS的5％，這一點(diǎn)在地皮昂貴的城鎮(zhèn)和密集的負(fù)荷中心和山區(qū)水電站尤為重要。

1.2　不受污染及雨、鹽霧等大氣環(huán)境因素的影響，因此，GIS持別適合于工業(yè)污染和氣候惡劣以及高海拔地區(qū)。

1.3　安裝方便。GIS一般是以整體或若干單元組成，可大大縮短現(xiàn)場安裝工期。

GIS設(shè)備自60年代實(shí)用化以來，到目前為止，世界上已有2 000臺GIS在運(yùn)行。實(shí)踐證明，GIS運(yùn)行安全可靠、配置靈活、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、檢修周期長、安裝方便。GIS不僅在高壓、超高壓領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，而且在特高壓領(lǐng)域變電站也被使用，在我國，63～500kV電力系統(tǒng)中，GIS的應(yīng)用已相當(dāng)廣泛。

GIS制造技術(shù)仍在不斷進(jìn)步和發(fā)展，30多年來，各GIS生產(chǎn)廠家圍繞著提高經(jīng)濟(jì)性和可靠性這2個(gè)主要目標(biāo)，在元件結(jié)構(gòu)、組合形式、制造工藝以及使用和維護(hù)方面進(jìn)行了大量研究、開發(fā)。隨著大容量單壓式SF6斷路器的研制成功和氧化鋅避雷器的應(yīng)用，GIS的技術(shù)性能與參數(shù)已超過常規(guī)開關(guān)設(shè)備，并且使結(jié)構(gòu)大大簡化，可靠性大大提高，為GIS進(jìn)一步小型化創(chuàng)造了十分有利的條件。

2GIS整體性能的提高有賴于各組件性能的提高

GIS是各高壓電器的集合，通常采用積木式結(jié)構(gòu)，斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器等元件均可隨意組合。其整體性能的提高還有賴于各組件性能的提高。分述如下：

2.1　斷路器

　　斷路器是GIS中最重要的設(shè)備之一，由于SF6氣體具有優(yōu)良的絕緣性能和滅弧性能，因而SF6氣體絕緣斷路器具有尺寸小、重量輕、開斷容量大、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)。目前SF6斷路器最高工作電壓已達(dá)765kV，開斷電流已達(dá)80kA，額定電流已達(dá)12kA。SF6斷路器應(yīng)用在高壓、超高壓領(lǐng)域的同時(shí)，也在向中壓10～35kV級發(fā)展，除了采用壓氣式滅弧室外，還出現(xiàn)了采用旋弧式和自能吹弧式滅弧室的新型SF6斷路器。SF6和真空滅弧技術(shù)的確立和發(fā)展，新型材料及多種觸頭形式(自動(dòng)觸頭、多點(diǎn)觸頭等)的出現(xiàn)，使開關(guān)的開通和通流能力大大提高。滅弧結(jié)構(gòu)中利用了電弧能量或開斷電流產(chǎn)生的磁場，不僅降低了開關(guān)的機(jī)械應(yīng)力，而且減小了滅弧結(jié)構(gòu)的徑向尺寸，成為當(dāng)前的發(fā)展方向。滅弧方式的改進(jìn)意味著操作能量的減少，機(jī)械性能的改善，外型尺寸更為緊湊，維護(hù)工作隨之減少，工作更加安全可靠。斷路器斷口正在減少，300kV以下為單斷口、500kV以下為雙斷口的現(xiàn)狀有望在近幾年內(nèi)得到突破。在未來的幾年里，特高壓斷路器有可能只有1個(gè)斷口，從而只需很小的驅(qū)動(dòng)能力。傳統(tǒng)的瓷絕緣材料正被復(fù)合絕緣材料所取代，使得斷路器重量更輕，結(jié)構(gòu)更加簡化。

2.2　隔離開關(guān)和接地開關(guān)

　　隔離開關(guān)主要用于電路無電流投入和切除，動(dòng)觸頭一般由電力操作機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的絕緣旋桿傳動(dòng)。為了適應(yīng)不同的電氣主接線和GIS結(jié)構(gòu)布置的需要，隔離開關(guān)具有多種結(jié)構(gòu)形式，從而保證了GIS整體設(shè)計(jì)時(shí)的靈活性。隔離開關(guān)未來的發(fā)展趨勢是：隨著斷路器結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步縮小，重量的進(jìn)一步減輕，隔離開關(guān)和斷路器有可能集成在一起。

2.3　電流互感器(CT)

　　長期以來，GIS一直采用電磁式電流互感器取得測量和保護(hù)信號，這種CT是按機(jī)電式繼電器的要求設(shè)計(jì)的，需要較大的輸入功率，功率損耗大，體大笨重；且受鐵芯磁飽和影響，大大降低了互感器的測量精度，使用中不得不將測量信號和保護(hù)信號分開；高壓電流互感器內(nèi)部充油，如果密封不好，極易漏油，故障時(shí)容易發(fā)生爆炸等。

　　近年來出現(xiàn)的光電電流傳感器(MOCT)無此缺點(diǎn)，且頻率響應(yīng)范圍寬、精度高、不受電磁干擾等。MOCT是應(yīng)用法拉第元件構(gòu)成的電流傳感器，它所檢測的信號是被測電路的磁場而不是電流，來自光纖的自然光經(jīng)過法拉第元件時(shí)會(huì)產(chǎn)生與交變磁場強(qiáng)度成正比的旋轉(zhuǎn)光，經(jīng)過光電二極管(O/E)變成電信號，經(jīng)放大后輸出。信號傳輸介質(zhì)采用光纖。MOCT的優(yōu)點(diǎn)是被測電流的范圍很大，可從5A到4kA，測量精度為02級，且在100kA以下輸出電流的波形不失真，因而也可以記錄故障電流。MOCT的另一重大優(yōu)點(diǎn)是工作安全可靠，不像CT有二次側(cè)開路出現(xiàn)高壓和鐵磁諧振問題。和CT不同的是MOCT的輸出是電壓信號而不是電流信號。這種類型的傳感器在市面已有產(chǎn)品出售，可用于123～420kV電壓等級，并已有成功的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

2.4　電壓互感器(PT)

GIS中的PT分為電容分壓式和電磁式2種，因電磁式高電壓PT在制造上有困難，300kV以上的PT一般采用電容式，300kV及以下的PT一般才采用電磁式。無論哪種形式，和CT一樣，也都存在易飽和、易滲油、易爆炸、精度低、體大笨重等缺陷。

EOVT是近年來新出現(xiàn)的有望取代傳統(tǒng)PT的光電傳感器，EOVT是根據(jù)泡克爾斯(Pockels)效應(yīng)的原理工作的，整個(gè)裝置由3個(gè)部分構(gòu)成：承受被測電壓的光學(xué)晶體、光學(xué)元件(包括發(fā)光二極管)、光電二極管和光纖、電子組件(模擬與數(shù)字處理單元和數(shù)模轉(zhuǎn)換器)。EOVT的晶體裝在充有SF6氣體的金屬筒中。由于泡克爾斯元件(晶體)光的雙折射率隨電場強(qiáng)度而變化，因此可以根據(jù)光電二極管的輸出電壓來確定施加于晶體上的電場強(qiáng)度亦即電壓的大小。美國紐約電力局早在1996年就將這種EOVT安裝在一個(gè)345kV變電站中試運(yùn)行。

此外，也有將電壓、電流傳感器做在一起，構(gòu)成電流/電壓傳感器并已用于AIS產(chǎn)品中。

2.5　監(jiān)測與自診斷

因GIS的全部元件都密封在一個(gè)金屬殼中，為防止內(nèi)部故障的發(fā)生，隨時(shí)掌握設(shè)備的運(yùn)行工況，發(fā)現(xiàn)設(shè)備的故障隱患，有效的檢測手段是必不可少的，目前所采用的檢測手段主要有：

2.5.1X射線照相：采用X射線可以從外部探測GIS狀態(tài)，如觸頭燒損、螺絲松動(dòng)等。

2.5.2　光學(xué)檢測法：利用安裝在GIS內(nèi)部的光學(xué)傳感器來檢測GIS內(nèi)部故障電弧。

2.5.3　紅外定位技術(shù)：紅外熱敏成像裝置可用于GIS內(nèi)部電弧故障定位和故障點(diǎn)定位。該裝置主要包括紅外熱敏鏡頭、磁帶錄象機(jī)和觸發(fā)電子元件等。

2.5.4　電磁技術(shù)：GIS內(nèi)處于懸浮電位元件、固體絕緣中的氣泡、自由導(dǎo)電雜質(zhì)和局部電場畸變等均會(huì)引起局部放電，在隔離開關(guān)操作和GIS相對地閃絡(luò)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生陡波頭暫態(tài)過電壓，根據(jù)這些電磁現(xiàn)象可以進(jìn)行局部放電的檢測和定位。

2.5.5　化學(xué)檢測法：GIS內(nèi)部閃絡(luò)會(huì)導(dǎo)致SF6氣體分解。在現(xiàn)場常用化學(xué)測試管來檢測SF6生成物的成分，用以判斷GIS內(nèi)部是否存在放電。

　　近年來，隨著傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，新型傳感器的不斷推出，GIS使用了更多的傳感器作為其內(nèi)部狀態(tài)監(jiān)測，而用微計(jì)算機(jī)技術(shù)來處理獲得的信息。日本東芝公司研制的智能GIS監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成，它主要包括了下列性能的檢測：

(1)絕緣性能監(jiān)視診斷：應(yīng)用了電暈傳感器、壓力傳感器、氣體傳感器、溫度傳感器、漏電流傳感器。

(2)導(dǎo)電性能的檢測：應(yīng)用了溫度傳感器、光纖溫度計(jì)。

(3)機(jī)械方面的檢測：應(yīng)用了開、閉傳感器。

在線檢測技術(shù)和自我診斷技術(shù)的引入將打破傳統(tǒng)的高壓電器大小修計(jì)劃模式，可以根據(jù)診斷結(jié)果安排更合理、更科學(xué)的檢修計(jì)劃，可將事故消滅在萌芽狀態(tài)，從而縮短GIS的檢修時(shí)間，提高設(shè)備的利用率和可靠性。

3PASS技術(shù)

　　伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化GIS高壓變電站——PASS技術(shù)，最近幾年得到迅速的推廣和應(yīng)用，介紹如下：

3.1PASS的概念

PASS是具有金屬外殼的、氣體絕緣的、內(nèi)裝有斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓/電流傳感器的全封閉組合電器。PASS反映了GIS制造技術(shù)的最新成果。其主要特點(diǎn)概括如下：

3.1.1　采用了先進(jìn)的組合式電壓/電流傳感器技術(shù)和組合式隔離開關(guān)/接地開關(guān)技術(shù)，使設(shè)備更加緊湊，體積更加小型化。

3.1.2　在測量、控制、保護(hù)系統(tǒng)中，采用了計(jì)算機(jī)技術(shù)，數(shù)字化技術(shù)，光纖通訊技術(shù)，支持?jǐn)?shù)字式繼電器，繼電保護(hù)系統(tǒng)引入了微機(jī)處理和分段監(jiān)控保護(hù)。

3.1.3　采用了預(yù)安裝技術(shù)，整套設(shè)備在出廠前安裝、調(diào)試完畢。設(shè)備運(yùn)抵現(xiàn)場后，一個(gè)PASS間隔在數(shù)小時(shí)之內(nèi)即可安裝完畢，實(shí)現(xiàn)了“即插即用”功能。

3.1.4　每一PASS間隔配置1臺就地控制柜，內(nèi)設(shè)控制及保護(hù)單元，即將二次技術(shù)集成化。

PASS在充分考慮了滿足不同的變電站主接線布置方案的前提下，選用了盡可能少的部件組合而成，除了絕緣套管之外，整套裝置安裝完畢后才運(yùn)抵現(xiàn)場。

PASS中使用的斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)等均采用了成熟的GIS技術(shù)，絕緣子大部采用了新型的復(fù)合絕緣材料，環(huán)氧樹脂澆注的玻璃纖維管確保了絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度，而采用硅橡膠澆鑄的絕緣子裙邊則增加了爬距，提高了抗電性能。

3.2　電壓電流的測量

　　在PASS中，常規(guī)的電壓、電流互感器已被新一代組合電壓/電流傳感器取代，采用羅柯夫斯基(Rogowiski)電流傳感器技術(shù)來測量電流，其很寬的線性特性，保證了在所測量或保護(hù)的電流范圍內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)飽和。電壓的測量采用的是具有金屬外殼封裝的電容分壓器，很好地避免了鐵磁諧振。