淺析GIS技術(shù)的研究方向與發(fā)展趨勢(shì)

張亞輝 劉力

摘 要：全封閉組合電器簡稱為GIS，其屬于一種新型的高壓電器，上世紀(jì)的四十年代國外開始關(guān)于GIS技術(shù)的研究，國內(nèi)GIS技術(shù)的研究則起源于上世紀(jì)60年代，直至上世紀(jì)70年代才投入使用，國內(nèi)大部分的電站開始應(yīng)用GIS技術(shù)，隨著人們對(duì)GIS技術(shù)研究的不斷深入，GIS技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景也逐漸顯現(xiàn)出來，未來的幾年間，GIS技術(shù)必將在電站、變電所等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：GIS技術(shù);研究方向;發(fā)展;趨勢(shì)

中圖分類號(hào)：TM595 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）23-0127-02

國內(nèi)外對(duì)全封閉組合電器（GIS）的定義為全部或者部分采用氣體而不采用處于大氣壓下的空氣作為絕緣介質(zhì)的金屬封閉開關(guān)設(shè)備，常使用絕緣性和滅弧性能較好的六氟化硫氣體代替空氣作為介質(zhì)，所有的高壓電器原件都被密封在接地后的金屬筒內(nèi)，與以往使用的配電裝置進(jìn)行比較，GIS的占地面積更小，且穩(wěn)定性高、運(yùn)行費(fèi)用低，經(jīng)過幾十年的研究開發(fā)，GIS技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，隨著國內(nèi)外人們對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性要求的不斷提高，加強(qiáng)GIS技術(shù)的研究并靈活運(yùn)用到高壓電器行業(yè)中，將成為不可避免的發(fā)展趨勢(shì)。

1 GIS技術(shù)的結(jié)構(gòu)和原理

GIS中包含斷路器、母線、隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器以及套管等七種高壓電器，這種高壓電器被有序的鏈接在一起并封閉于六氟化硫氣體中，由于GIS通常不會(huì)有絕緣體暴露在空氣中，因此GIS的性能受外界因素如空氣環(huán)境、氣候變化等影響較小，能夠有效避免外來異物所引發(fā)的閃絡(luò)事故出來，應(yīng)用過程中具有較高的穩(wěn)定性。在GIS所包含的七種高壓電器中，最為重要的元件就是斷路器，GIS技術(shù)中替代空氣作為介質(zhì)的六氟化硫氣體具有良好的化學(xué)性能穩(wěn)定性，絕緣性能和滅弧性能均優(yōu)于絕緣油，滅弧性能良好的原因可以總結(jié)為以下幾點(diǎn)：（1）優(yōu)良的熱特性：優(yōu)良的熱特性是保證六氟化硫氣體具有良好滅弧性能的首要條件，相關(guān)研究顯示，六氟化硫氣體電弧具有較高的電導(dǎo)率和較低的導(dǎo)熱率，電弧溫度最高的區(qū)域?yàn)榛⌒膮^(qū)，低溫區(qū)域則與之相反，具有良好的導(dǎo)熱性，能夠?qū)⒒⌒膮^(qū)的溫度迅速導(dǎo)出，從而達(dá)到降低電弧溫度的目的。除此之外，滅弧能量還受到電弧的電壓、功率等因素的影響，隨著電弧電壓和功率的降低，滅弧能量也會(huì)隨之減少，六氟化硫氣體的電壓梯度約為空氣的二分之一，因此使用六氟化硫替代空氣作為介質(zhì)能夠在同等散熱條件下更好的滅弧，對(duì)比發(fā)現(xiàn)，六氟化硫氣體作為介質(zhì)時(shí)滅弧后絕緣強(qiáng)度恢復(fù)更快，電弧也不宜重燃。（2）絕緣性能恢復(fù)快：六氟化硫氣體的電弧柱可以在電流等于零的情況下維持高溫狀態(tài)，其弧柱則維持在一個(gè)小截面的狀態(tài)下，開斷感性小電流時(shí)不會(huì)產(chǎn)生高的截流過電壓，當(dāng)電流過零時(shí)，介質(zhì)絕緣強(qiáng)度恢復(fù)快。（3）具有負(fù)電性：負(fù)電性是六氟化硫的基本特性，相對(duì)于自由電子來說，負(fù)離子SF6-的運(yùn)動(dòng)速度明顯較低，與正離子相撞時(shí)更容易結(jié)合并形成中性分子，從而有效降低電弧的導(dǎo)電性，因此具有負(fù)電性的六氟化硫氣體的滅弧性能要明顯優(yōu)于空氣。（4）電弧時(shí)間常數(shù)?。篏IS的開斷性能與六氟化硫氣體的電弧時(shí)間常數(shù)之間存在密切聯(lián)系，隨著電弧時(shí)間常數(shù)的減小，GIS的開斷性能會(huì)顯著提升。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，六氟化硫氣體電弧的時(shí)間常數(shù)約為空氣的1%，換句話來說，六氟化硫氣體的滅弧性能與空氣進(jìn)行比較約為其100倍，這是GIS設(shè)備開斷小電流的試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)GIS用于開斷大電流時(shí)，六氟化硫氣體作為介質(zhì)時(shí)GIS開斷性能約為空氣作為介質(zhì)時(shí)GIS開斷性能的兩到三倍，當(dāng)開斷相同電流時(shí)，六氟化硫氣體作為介質(zhì)時(shí)GIS開斷所需壓力僅為空氣作為介質(zhì)時(shí)GIS開斷所需壓力的一半，撤去電流后，六氟化硫氣體回復(fù)速度約為空氣的一倍。（5）良好的絕緣性能：良好的絕緣性能也會(huì)在一定程度上影響到六氟化硫氣體的滅弧性能，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，六氟化硫氣體的絕緣性能約為空氣的三倍，但六氟化硫氣體的絕緣性影響到滅弧性能僅限于均勻電場和稍微不均勻的電場，當(dāng)GIS應(yīng)用于極其不均勻的電場，六氟化硫氣體的絕緣性能將不會(huì)作用于其滅弧性能。

2 GIS技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)

2.1 GIS技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前GIS技術(shù)已經(jīng)遍布全球，但日本、德國、法國等仍在這一行業(yè)中處于領(lǐng)先地位，在GIS技術(shù)方面取得過杰出成就的企業(yè)有日本日立與東芝、德國的西門子以及法國的阿爾斯通等，這些企業(yè)完成的GIS產(chǎn)品各有所長，但大家的研究重點(diǎn)在聚焦在新材料上面，這也是GIS產(chǎn)品不斷推陳出新、性能不斷優(yōu)化的動(dòng)力。國內(nèi)各大企業(yè)對(duì)于GIS技術(shù)的研究同樣再持續(xù)深入，其中平高集團(tuán)的研究較為突出。隨著平高集團(tuán)自主研發(fā)的新型智能氣體絕緣封閉組合器的推出，將GIS的電氣領(lǐng)域的運(yùn)用推上了一個(gè)新臺(tái)階。此外，2019年平高集團(tuán)公開招標(biāo)特高壓GIS絕緣提升關(guān)鍵技術(shù)項(xiàng)目，可見國內(nèi)對(duì)于GIS技術(shù)的研究已經(jīng)進(jìn)入到全新的層面。

2.2 GIS技術(shù)的未來趨勢(shì)

2.2.1 高電壓大容量化

高電壓大容量化一直是GIS技術(shù)的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)，就德國西門子公司來說，從而1968年開始研究GIS技術(shù)以來，已經(jīng)為全世界范圍內(nèi)700座變電站提供了5000多個(gè)間隔，最高的一年德國西門子公司完成了40000間隔，與之相同，法國阿爾斯通公司、瑞士ABB公司等也為眾多變電站提供了間隔，唯一不變的就是各公司生產(chǎn)的GIS產(chǎn)品都朝著高電壓大容量化的方向發(fā)展，這也是順應(yīng)當(dāng)前電力系統(tǒng)電壓等級(jí)不斷提高的需求。值得注意的是，電力系統(tǒng)電壓等級(jí)不斷提升是為了更好的完成供電，減少輸電過程中的損耗，但GIS產(chǎn)品的耐壓性能確是有限的，為了順應(yīng)跟上電力系統(tǒng)電壓等級(jí)的上升趨勢(shì)，不斷朝著高電壓大容量化的方向發(fā)展是必須的，也是必然的。GIS技術(shù)的耐壓水平曾一度達(dá)到瓶頸，嚴(yán)重制約了其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，ZnO的避雷針的出現(xiàn)才打破了GIS技術(shù)耐壓水平的瓶頸，從而使得GIS產(chǎn)品能夠更好的應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。日本東芝公司也是因?yàn)槭褂昧烁咝阅艿腪nO避雷針，才將耐受電壓從1880kV降低到了1425kV。

2.2.2 三相共筒化

三相共筒化是GIS技術(shù)理想的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，但目前GIS技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)在330kV及其以下的電壓級(jí)內(nèi)三相共筒化，當(dāng)電壓級(jí)達(dá)到550kV以上時(shí)以目前GIS技術(shù)的發(fā)展情況來看只能實(shí)現(xiàn)母線的三相共筒。三相共筒化就是將主回路元件的三相裝在公共的接地外殼內(nèi)，借助環(huán)氧樹脂進(jìn)行澆筑，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電器元件的固定和隔離，將GIS產(chǎn)品做到三相共筒化最大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)就是縮小占地面積，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，實(shí)現(xiàn)三相共筒化前的GIS產(chǎn)品占地面積與實(shí)現(xiàn)三相共筒化后的GIS產(chǎn)品占比面積進(jìn)行比較要高出40%以上。除此之外，實(shí)現(xiàn)三相共筒化后GIS產(chǎn)品的外殼數(shù)量會(huì)明顯減少，能夠節(jié)省大量的材料，對(duì)于減少安裝費(fèi)用、降低漏氣等事故的發(fā)生情況具有重要意義。

德國、日本、法國等國家在推進(jìn)三相共筒化方面做出了很大努力，其中日本在GIS產(chǎn)品三相共筒化方面的研究處于領(lǐng)先地位。日本與其他國家進(jìn)行比較國土面積相對(duì)較小，占用的陸地資源較少，大約40%的國家居民都生活在6%的國土上，因此日本相對(duì)于歐洲國家來說更注重于GIS三相共筒化的研究。調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，日本國內(nèi)GIS產(chǎn)品已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，月50%以上的發(fā)電站配備了GIS產(chǎn)品，可以看出，日本在GIS的研究方面投入了巨大的努力，近些年來，日本的三相共筒型GIS產(chǎn)品層出不窮，所研制的GIS產(chǎn)品占地面積、重量、體積等逐漸減小。當(dāng)然，歐洲國家在三相共筒型GIS產(chǎn)品的研究中也毫不遜色，阿爾斯通公司、ABB公司等相繼推出了三相共筒型GIS產(chǎn)品，其應(yīng)用價(jià)值也得到了驗(yàn)證。

2.2.3 小型化

隨著三相共筒型GIS產(chǎn)品的出現(xiàn)，GIS產(chǎn)品的占地面積縮小了一半以上，但制造企業(yè)不滿足于這一現(xiàn)狀，而是在縮小GIS產(chǎn)品占地面積上投入更大的人力物力，優(yōu)化GIS技術(shù)，開發(fā)出越來越多的新產(chǎn)品，其改進(jìn)過程主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）元件的改進(jìn)：ZnO避雷針的研制成果以及單斷口斷路器的出現(xiàn)都在一定程度上促進(jìn)了GIS產(chǎn)品小型化，ZnO避雷針和單端口斷路器都屬于電器元件，這也表明了更新電器元件具有促進(jìn)GIS產(chǎn)品小型化的作用。ZnO的出現(xiàn)可以說在很大程度上促進(jìn)了GIS產(chǎn)品小型化，其將GIS的雷電沖擊耐受電壓從1800kV降低至1425kV，單斷口斷路器的使用則縮小了40%以上的GIS產(chǎn)品占地面積，除此之外，還可以通過調(diào)整GIS產(chǎn)品的擺放位置來縮小占地面積，例如垂直布置單端口斷路器，達(dá)到節(jié)省母線的目的。（2）三相共筒和氣室混合化：三相共筒型GIS技術(shù)目前已經(jīng)發(fā)展成熟，也是縮小GIS占地面積的最有效手段，為了在三相共筒型GIS產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)一步縮小占地面積，可以通過組合式結(jié)構(gòu)的方法來實(shí)現(xiàn)。所謂組合式結(jié)構(gòu)就是將母線隔離開關(guān)、接地開關(guān)等電器元件組合在一起，共同形成一個(gè)公用的氣室，組合式結(jié)構(gòu)的應(yīng)用能夠有效減少GIS產(chǎn)品的零部件數(shù)量以及密封長度，從而縮小GIS產(chǎn)品的體積。（3）改進(jìn)工藝和簡化操動(dòng)機(jī)構(gòu)：改進(jìn)工藝是制造業(yè)中縮小體積的常用手段，在GIS技術(shù)領(lǐng)域，環(huán)氧澆筑技術(shù)的應(yīng)用使得GIS產(chǎn)品體積顯著縮小，另一方面，斷路器的操動(dòng)機(jī)構(gòu)一直是影響GIS產(chǎn)品尺寸的重要元器件，因此可以通過簡化操動(dòng)機(jī)構(gòu)的方式來縮小GIS產(chǎn)品尺寸，例如通過氣動(dòng)機(jī)構(gòu)——液壓機(jī)構(gòu)——彈簧機(jī)構(gòu)的方式來實(shí)現(xiàn)GIS產(chǎn)品的操動(dòng)，這種操動(dòng)方式能夠在保證啟動(dòng)效果的同時(shí)縮小GIS產(chǎn)品的尺寸，當(dāng)然每一個(gè)元器件的改動(dòng)都會(huì)影響到GIS產(chǎn)品的尺寸，因此在GIS的研究過程中應(yīng)當(dāng)不斷鉆研，發(fā)掘新的制造工藝和控制方法，使得不斷縮小GIS產(chǎn)品尺寸的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。例如改進(jìn)液壓結(jié)構(gòu)能夠減少密封點(diǎn)以及密封長度，將斷路器的滅弧原理從壓氣式變?yōu)榕蛎浭?，斷路器結(jié)構(gòu)得到有效簡化，操作功也明顯減少，使低操作功的彈簧機(jī)構(gòu)的想法得以實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語

GIS屬于一種高壓配電裝置，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)中的電站和變電所。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)電站和變電所供電的可靠性和穩(wěn)定性要求逐漸提升，GIS應(yīng)運(yùn)而生，就日本等國土面積較少的國家來說，其研究GIS技術(shù)的原因不僅僅是為了提升供電的可靠性和穩(wěn)定性，更是對(duì)土地資源的充分利用，GIS相較于傳統(tǒng)的配電裝置而言，具有可靠性高、占地面積小、環(huán)境污染小、工作性能受外界因素影響小等特點(diǎn)，結(jié)合以上應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，GIS在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用，并為超高壓輸電的穩(wěn)定運(yùn)行提供了保障。

綜上所述，GIS技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景，但目前關(guān)于GIS技術(shù)的研究不夠充分，加強(qiáng)對(duì)GIS技術(shù)的研究，充分發(fā)掘其應(yīng)用價(jià)值，將成為未來幾年間科研事業(yè)的重要方向。

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