淺析GIS技術的研究方向與發展趨勢

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，上世紀的四十年代國外開始關于GIS技術的研究，國內GIS技術的研究則起源于上世紀60年代，直至上世紀70年代才投入使用，國內大部分的電站開始應用GIS技術，隨著人們對GIS技術研究的不斷深入，GIS技術的應用優勢和發展前景也逐漸顯現出來，未來的幾年間，GIS技術必將在電站、變電所等領域得到廣泛應用。

關鍵詞：GIS技術;研究方向;發展;趨勢

中圖分類號：TM595 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）23-0127-02

國內外對全封閉組合電器（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的金屬封閉開關設備，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，所有的高壓電器原件都被密封在接地后的金屬筒內，與以往使用的配電裝置進行比較，GIS的占地面積更小，且穩定性高、運行費用低，經過幾十年的研究開發，GIS技術已經在國內電力系統中得到廣泛應用，隨著國內外人們對電力系統穩定性要求的不斷提高，加強GIS技術的研究并靈活運用到高壓電器行業中，將成為不可避免的發展趨勢。

1 GIS技術的結構和原理

GIS中包含斷路器、母線、隔離開關、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境、氣候變化等影響較小，能夠有效避免外來異物所引發的閃絡事故出來，應用過程中具有較高的穩定性。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技術中替代空氣作為介質的六氟化硫氣體具有良好的化學性能穩定性，絕緣性能和滅弧性能均優于絕緣油，滅弧性能良好的原因可以總結為以下幾點：（1）優良的熱特性：優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，相關研究顯示，六氟化硫氣體電弧具有較高的電導率和較低的導熱率，電弧溫度最高的區域為弧心區，低溫區域則與之相反，具有良好的導熱性，能夠將弧心區的溫度迅速導出，從而達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能夠在同等散熱條件下更好的滅弧，對比發現，六氟化硫氣體作為介質時滅弧后絕緣強度恢復更快，電弧也不宜重燃。（2）絕緣性能恢復快：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，其弧柱則維持在一個小截面的狀態下，開斷感性小電流時不會產生高的截流過電壓，當電流過零時，介質絕緣強度恢復快。（3）具有負電性：負電性是六氟化硫的基本特性，相對于自由電子來說，負離子SF6-的運動速度明顯較低，與正離子相撞時更容易結合并形成中性分子，從而有效降低電弧的導電性，因此具有負電性的六氟化硫氣體的滅弧性能要明顯優于空氣。（4）電弧時間常數?。篏IS的開斷性能與六氟化硫氣體的電弧時間常數之間存在密切聯系，隨著電弧時間常數的減小，GIS的開斷性能會顯著提升。統計數據顯示，六氟化硫氣體電弧的時間常數約為空氣的1%，換句話來說，六氟化硫氣體的滅弧性能與空氣進行比較約為其100倍，這是GIS設備開斷小電流的試驗結果，當GIS用于開斷大電流時，六氟化硫氣體作為介質時GIS開斷性能約為空氣作為介質時GIS開斷性能的兩到三倍，當開斷相同電流時，六氟化硫氣體作為介質時GIS開斷所需壓力僅為空氣作為介質時GIS開斷所需壓力的一半，撤去電流后，六氟化硫氣體回復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在一定程度上影響到六氟化硫氣體的滅弧性能，統計數據顯示，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GIS應用于極其不均勻的電場，六氟化硫氣體的絕緣性能將不會作用于其滅弧性能。

2 GIS技術發展現狀及未來趨勢

2.1 GIS技術的發展現狀

目前GIS技術已經遍布全球，但日本、德國、法國等仍在這一行業中處于領先地位，在GIS技術方面取得過杰出成就的企業有日本日立與東芝、德國的西門子以及法國的阿爾斯通等，這些企業完成的GIS產品各有所長，但大家的研究重點在聚焦在新材料上面，這也是GIS產品不斷推陳出新、性能不斷優化的動力。國內各大企業對于GIS技術的研究同樣再持續深入，其中平高集團的研究較為突出。隨著平高集團自主研發的新型智能氣體絕緣封閉組合器的推出，將GIS的電氣領域的運用推上了一個新臺階。此外，2019年平高集團公開招標特高壓GIS絕緣提升關鍵技術項目，可見國內對于GIS技術的研究已經進入到全新的層面。

2.2 GIS技術的未來趨勢

2.2.1 高電壓大容量化

高電壓大容量化一直是GIS技術的研究方向和發展趨勢，就德國西門子公司來說，從而1968年開始研究GIS技術以來，已經為全世界范圍內700座變電站提供了5000多個間隔，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的GIS產品都朝著高電壓大容量化的方向發展，這也是順應當前電力系統電壓等級不斷提高的需求。值得注意的是，電力系統電壓等級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產品的耐壓性能確是有限的，為了順應跟上電力系統電壓等級的上升趨勢，不斷朝著高電壓大容量化的方向發展是必須的，也是必然的。GIS技術的耐壓水平曾一度達到瓶頸，嚴重制約了其在電力系統中的應用，ZnO的避雷針的出現才打破了GIS技術耐壓水平的瓶頸，從而使得GIS產品能夠更好的應用于電力系統中。日本東芝公司也是因為使用了高性能的ZnO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技術理想的一個發展趨勢，但目前GIS技術只能實現在330kV及其以下的電壓級內三相共筒化，當電壓級達到550kV以上時以目前GIS技術的發展情況來看只能實現母線的三相共筒。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，借助環氧樹脂進行澆筑，實現對不同電器元件的固定和隔離，將GIS產品做到三相共筒化最大的應用優勢就是縮小占地面積，統計數據顯示，實現三相共筒化前的GIS產品占地面積與實現三相共筒化后的GIS產品占比面積進行比較要高出40%以上。除此之外，實現三相共筒化后GIS產品的外殼數量會明顯減少，能夠節省大量的材料，對于減少安裝費用、降低漏氣等事故的發生情況具有重要意義。

德國、日本、法國等國家在推進三相共筒化方面做出了很大努力，其中日本在GIS產品三相共筒化方面的研究處于領先地位。日本與其他國家進行比較國土面積相對較小，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，因此日本相對于歐洲國家來說更注重于GIS三相共筒化的研究。調查數據顯示，日本國內GIS產品已經得到廣泛應用，月50%以上的發電站配備了GIS產品，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產品層出不窮，所研制的GIS產品占地面積、重量、體積等逐漸減小。當然，歐洲國家在三相共筒型GIS產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產品，其應用價值也得到了驗證。

2.2.3 小型化

隨著三相共筒型GIS產品的出現，GIS產品的占地面積縮小了一半以上，但制造企業不滿足于這一現狀，而是在縮小GIS產品占地面積上投入更大的人力物力，優化GIS技術，開發出越來越多的新產品，其改進過程主要體現在以下幾個方面：（1）元件的改進：ZnO避雷針的研制成果以及單斷口斷路器的出現都在一定程度上促進了GIS產品小型化，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GIS產品小型化的作用。ZnO的出現可以說在很大程度上促進了GIS產品小型化，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產品占地面積，除此之外，還可以通過調整GIS產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，達到節省母線的目的。（2）三相共筒和氣室混合化：三相共筒型GIS技術目前已經發展成熟，也是縮小GIS占地面積的最有效手段，為了在三相共筒型GIS產品的基礎上進一步縮小占地面積，可以通過組合式結構的方法來實現。所謂組合式結構就是將母線隔離開關、接地開關等電器元件組合在一起，共同形成一個公用的氣室，組合式結構的應用能夠有效減少GIS產品的零部件數量以及密封長度，從而縮小GIS產品的體積。（3）改進工藝和簡化操動機構：改進工藝是制造業中縮小體積的常用手段，在GIS技術領域，環氧澆筑技術的應用使得GIS產品體積顯著縮小，另一方面，斷路器的操動機構一直是影響GIS產品尺寸的重要元器件，因此可以通過簡化操動機構的方式來縮小GIS產品尺寸，例如通過氣動機構——液壓機構——彈簧機構的方式來實現GIS產品的操動，這種操動方式能夠在保證啟動效果的同時縮小GIS產品的尺寸，當然每一個元器件的改動都會影響到GIS產品的尺寸，因此在GIS的研究過程中應當不斷鉆研，發掘新的制造工藝和控制方法，使得不斷縮小GIS產品尺寸的目標得以實現。例如改進液壓結構能夠減少密封點以及密封長度，將斷路器的滅弧原理從壓氣式變為膨脹式，斷路器結構得到有效簡化，操作功也明顯減少，使低操作功的彈簧機構的想法得以實現。

3 結語

GIS屬于一種高壓配電裝置，廣泛應用于電網中的電站和變電所。隨著社會經濟的迅速發展，人們對電站和變電所供電的可靠性和穩定性要求逐漸提升，GIS應運而生，就日本等國土面積較少的國家來說，其研究GIS技術的原因不僅僅是為了提升供電的可靠性和穩定性，更是對土地資源的充分利用，GIS相較于傳統的配電裝置而言，具有可靠性高、占地面積小、環境污染小、工作性能受外界因素影響小等特點，結合以上應用優勢，GIS在全球范圍內得到廣泛應用，并為超高壓輸電的穩定運行提供了保障。

綜上所述，GIS技術具有良好的應用前景，但目前關于GIS技術的研究不夠充分，加強對GIS技術的研究，充分發掘其應用價值，將成為未來幾年間科研事業的重要方向。

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