1GIS的現(xiàn)狀及發(fā)展動向

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：

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％，這一點在地皮昂貴的城鎮(zhèn)和密集的負荷中心和山區(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年代實用化以來，到目前為止，世界上已有2 000臺GIS在運行。實踐證明，GIS運行安全可靠、配置靈活、環(huán)境適應(yīng)能力強、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)仍在不斷進步和發(fā)展，30多年來，各GIS生產(chǎn)廠家圍繞著提高經(jīng)濟性和可靠性這2個主要目標，在元件結(jié)構(gòu)、組合形式、制造工藝以及使用和維護方面進行了大量研究、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、維護工作量小等優(yōu)點。目前SF6斷路器最高工作電壓已達765kV，開斷電流已達80kA，額定電流已達12kA。SF6斷路器應(yīng)用在高壓、超高壓領(lǐng)域的同時，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(自動觸頭、多點觸頭等)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。滅弧方式的改進意味著操作能量的減少，機械性能的改善，外型尺寸更為緊湊，維護工作隨之減少，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個斷口，從而只需很小的驅(qū)動能力。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，動觸頭一般由電力操作機構(gòu)驅(qū)動的絕緣旋桿傳動。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)計時的靈活性。隔離開關(guān)未來的發(fā)展趨勢是：隨著斷路器結(jié)構(gòu)的進一步縮小，重量的進一步減輕，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信號，這種CT是按機電式繼電器的要求設(shè)計的，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，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)過法拉第元件時會產(chǎn)生與交變磁場強度成正比的旋轉(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，并已有成功的運行經(jīng)驗。

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，整個裝置由3個部分構(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345kV變電站中試運行。

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金屬殼中，為防止內(nèi)部故障的發(fā)生，隨時掌握設(shè)備的運行工況，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定位。該裝置主要包括紅外熱敏鏡頭、磁帶錄象機和觸發(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引起局部放電，在隔離開關(guān)操作和GIS相對地閃絡(luò)時還會產(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，而用微計算機技術(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。

(3)機械方面的檢測：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)的檢修計劃，可將事故消滅在萌芽狀態(tài)，從而縮短GIS的檢修時間，提高設(shè)備的利用率和可靠性。

3PASS技術(shù)

　　伴隨著計算機技術(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。其主要特點概括如下：

3.1.1　采用了先進的組合式電壓/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、保護系統(tǒng)中，采用了計算機技術(shù)，數(shù)字化技術(shù)，光纖通訊技術(shù)，支持數(shù)字式繼電器，繼電保護系統(tǒng)引入了微機處理和分段監(jiān)控保護。

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)備運抵現(xiàn)場后，一個PASS間隔在數(shù)小時之內(nèi)即可安裝完畢，實現(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械強度，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的電流范圍內(nèi)不會出現(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。