浅析GIS技术的研究方向与发展趋势

张亚辉 刘力

摘 要：全封闭组合电器简称为GIS，其属于一种新型的高压电器，上世纪的四十年代国外开始关于GIS技术的研究，国内GIS技术的研究则起源于上世纪60年代，直至上世纪70年代才投入使用，国内大部分的电站开始应用GIS技术，随着人们对GIS技术研究的不断深入，GIS技术的应用优势和发展前景也逐渐显现出来，未来的几年间，GIS技术必将在电站、变电所等领域得到广泛应用。

关键词：GIS技术;研究方向;发展;趋势

中图分类号：TM595 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）23-0127-02

国内外对全封闭组合电器（GIS）的定义为全部或者部分采用气体而不采用处于大气压下的空气作为绝缘介质的金属封闭开关设备，常使用绝缘性和灭弧性能较好的六氟化硫气体代替空气作为介质，所有的高压电器原件都被密封在接地后的金属筒内，与以往使用的配电装置进行比较，GIS的占地面积更小，且稳定性高、运行费用低，经过几十年的研究开发，GIS技术已经在国内电力系统中得到广泛应用，随着国内外人们对电力系统稳定性要求的不断提高，加强GIS技术的研究并灵活运用到高压电器行业中，将成为不可避免的发展趋势。

1 GIS技术的结构和原理

GIS中包含断路器、母线、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器以及套管等七种高压电器，这种高压电器被有序的链接在一起并封闭于六氟化硫气体中，由于GIS通常不会有绝缘体暴露在空气中，因此GIS的性能受外界因素如空气环境、气候变化等影响较小，能够有效避免外来异物所引发的闪络事故出来，应用过程中具有较高的稳定性。在GIS所包含的七种高压电器中，最为重要的元件就是断路器，GIS技术中替代空气作为介质的六氟化硫气体具有良好的化学性能稳定性，绝缘性能和灭弧性能均优于绝缘油，灭弧性能良好的原因可以总结为以下几点：（1）优良的热特性：优良的热特性是保证六氟化硫气体具有良好灭弧性能的首要条件，相关研究显示，六氟化硫气体电弧具有较高的电导率和较低的导热率，电弧温度最高的区域为弧心区，低温区域则与之相反，具有良好的导热性，能够将弧心区的温度迅速导出，从而达到降低电弧温度的目的。除此之外，灭弧能量还受到电弧的电压、功率等因素的影响，随着电弧电压和功率的降低，灭弧能量也会随之减少，六氟化硫气体的电压梯度约为空气的二分之一，因此使用六氟化硫替代空气作为介质能够在同等散热条件下更好的灭弧，对比发现，六氟化硫气体作为介质时灭弧后绝缘强度恢复更快，电弧也不宜重燃。（2）绝缘性能恢复快：六氟化硫气体的电弧柱可以在电流等于零的情况下维持高温状态，其弧柱则维持在一个小截面的状态下，开断感性小电流时不会产生高的截流过电压，当电流过零时，介质绝缘强度恢复快。（3）具有负电性：负电性是六氟化硫的基本特性，相对于自由电子来说，负离子SF6-的运动速度明显较低，与正离子相撞时更容易结合并形成中性分子，从而有效降低电弧的导电性，因此具有负电性的六氟化硫气体的灭弧性能要明显优于空气。（4）电弧时间常数小：GIS的开断性能与六氟化硫气体的电弧时间常数之间存在密切联系，随着电弧时间常数的减小，GIS的开断性能会显著提升。统计数据显示，六氟化硫气体电弧的时间常数约为空气的1%，换句话来说，六氟化硫气体的灭弧性能与空气进行比较约为其100倍，这是GIS设备开断小电流的试验结果，当GIS用于开断大电流时，六氟化硫气体作为介质时GIS开断性能约为空气作为介质时GIS开断性能的两到三倍，当开断相同电流时，六氟化硫气体作为介质时GIS开断所需压力仅为空气作为介质时GIS开断所需压力的一半，撤去电流后，六氟化硫气体回复速度约为空气的一倍。（5）良好的绝缘性能：良好的绝缘性能也会在一定程度上影响到六氟化硫气体的灭弧性能，统计数据显示，六氟化硫气体的绝缘性能约为空气的三倍，但六氟化硫气体的绝缘性影响到灭弧性能仅限于均匀电场和稍微不均匀的电场，当GIS应用于极其不均匀的电场，六氟化硫气体的绝缘性能将不会作用于其灭弧性能。

2 GIS技术发展现状及未来趋势

2.1 GIS技术的发展现状

目前GIS技术已经遍布全球，但日本、德国、法国等仍在这一行业中处于领先地位，在GIS技术方面取得过杰出成就的企业有日本日立与东芝、德国的西门子以及法国的阿尔斯通等，这些企业完成的GIS产品各有所长，但大家的研究重點在聚焦在新材料上面，这也是GIS产品不断推陈出新、性能不断优化的动力。国内各大企业对于GIS技术的研究同样再持续深入，其中平高集团的研究较为突出。随着平高集团自主研发的新型智能气体绝缘封闭组合器的推出，将GIS的电气领域的运用推上了一个新台阶。此外，2019年平高集团公开招标特高压GIS绝缘提升关键技术项目，可见国内对于GIS技术的研究已经进入到全新的层面。

2.2 GIS技术的未来趋势

2.2.1 高电压大容量化

高电压大容量化一直是GIS技术的研究方向和发展趋势，就德国西门子公司来说，从而1968年开始研究GIS技术以来，已经为全世界范围内700座变电站提供了5000多个间隔，最高的一年德国西门子公司完成了40000间隔，与之相同，法国阿尔斯通公司、瑞士ABB公司等也为众多变电站提供了间隔，唯一不变的就是各公司生产的GIS产品都朝着高电压大容量化的方向发展，这也是顺应当前电力系统电压等级不断提高的需求。值得注意的是，电力系统电压等级不断提升是为了更好的完成供电，减少输电过程中的损耗，但GIS产品的耐压性能确是有限的，为了顺应跟上电力系统电压等级的上升趋势，不断朝着高电压大容量化的方向发展是必须的，也是必然的。GIS技术的耐压水平曾一度达到瓶颈，严重制约了其在电力系统中的应用，ZnO的避雷针的出现才打破了GIS技术耐压水平的瓶颈，从而使得GIS产品能够更好的应用于电力系统中。日本东芝公司也是因为使用了高性能的ZnO避雷针，才将耐受电压从1880kV降低到了1425kV。

2.2.2 三相共筒化

三相共筒化是GIS技术理想的一个发展趋势，但目前GIS技术只能实现在330kV及其以下的电压级内三相共筒化，当电压级达到550kV以上时以目前GIS技术的发展情况来看只能实现母线的三相共筒。三相共筒化就是将主回路元件的三相装在公共的接地外壳内，借助环氧树脂进行浇筑，实现对不同电器元件的固定和隔离，将GIS产品做到三相共筒化最大的应用优势就是缩小占地面积，统计数据显示，实现三相共筒化前的GIS产品占地面积与实现三相共筒化后的GIS产品占比面积进行比较要高出40%以上。除此之外，实现三相共筒化后GIS产品的外壳数量会明显减少，能够节省大量的材料，对于减少安装费用、降低漏气等事故的发生情况具有重要意义。

德国、日本、法国等国家在推进三相共筒化方面做出了很大努力，其中日本在GIS产品三相共筒化方面的研究处于领先地位。日本与其他国家进行比较国土面积相对较小，占用的陆地资源较少，大约40%的国家居民都生活在6%的国土上，因此日本相对于欧洲国家来说更注重于GIS三相共筒化的研究。调查数据显示，日本国内GIS产品已经得到广泛应用，月50%以上的发电站配备了GIS产品，可以看出，日本在GIS的研究方面投入了巨大的努力，近些年来，日本的三相共筒型GIS产品层出不穷，所研制的GIS产品占地面积、重量、体积等逐渐减小。当然，欧洲国家在三相共筒型GIS产品的研究中也毫不逊色，阿尔斯通公司、ABB公司等相继推出了三相共筒型GIS产品，其应用价值也得到了验证。

2.2.3 小型化

随着三相共筒型GIS产品的出现，GIS产品的占地面积缩小了一半以上，但制造企业不满足于这一现状，而是在缩小GIS产品占地面积上投入更大的人力物力，优化GIS技术，开发出越来越多的新产品，其改进过程主要体现在以下几个方面：（1）元件的改进：ZnO避雷针的研制成果以及单断口断路器的出现都在一定程度上促进了GIS产品小型化，ZnO避雷针和单端口断路器都属于电器元件，这也表明了更新电器元件具有促进GIS产品小型化的作用。ZnO的出现可以说在很大程度上促进了GIS产品小型化，其将GIS的雷电冲击耐受电压从1800kV降低至1425kV，单断口断路器的使用则缩小了40%以上的GIS产品占地面积，除此之外，还可以通过调整GIS产品的摆放位置来缩小占地面积，例如垂直布置单端口断路器，达到节省母线的目的。（2）三相共筒和气室混合化：三相共筒型GIS技术目前已经发展成熟，也是缩小GIS占地面积的最有效手段，为了在三相共筒型GIS产品的基础上进一步缩小占地面积，可以通过组合式结构的方法来实现。所谓组合式结构就是将母线隔离开关、接地开关等电器元件组合在一起，共同形成一个公用的气室，组合式结构的应用能够有效减少GIS产品的零部件数量以及密封长度，从而缩小GIS产品的体积。（3）改进工艺和简化操动机构：改进工艺是制造业中缩小体积的常用手段，在GIS技术领域，环氧浇筑技术的应用使得GIS产品体积显著缩小，另一方面，断路器的操动机构一直是影响GIS产品尺寸的重要元器件，因此可以通过简化操动机构的方式来缩小GIS产品尺寸，例如通过气动机构——液压机构——弹簧机构的方式来实现GIS产品的操动，这种操动方式能够在保证启动效果的同时缩小GIS产品的尺寸，当然每一个元器件的改动都会影响到GIS产品的尺寸，因此在GIS的研究过程中应当不断钻研，发掘新的制造工艺和控制方法，使得不断缩小GIS产品尺寸的目标得以实现。例如改进液压结构能够减少密封点以及密封长度，将断路器的灭弧原理从压气式变为膨胀式，断路器结构得到有效简化，操作功也明显减少，使低操作功的弹簧机构的想法得以实现。

3 结语

GIS属于一种高压配电装置，广泛应用于电网中的电站和变电所。随着社会经济的迅速发展，人们对电站和变电所供电的可靠性和稳定性要求逐渐提升，GIS应运而生，就日本等国土面积较少的国家来说，其研究GIS技术的原因不仅仅是为了提升供电的可靠性和稳定性，更是对土地资源的充分利用，GIS相较于传统的配电装置而言，具有可靠性高、占地面积小、环境污染小、工作性能受外界因素影響小等特点，结合以上应用优势，GIS在全球范围内得到广泛应用，并为超高压输电的稳定运行提供了保障。

综上所述，GIS技术具有良好的应用前景，但目前关于GIS技术的研究不够充分，加强对GIS技术的研究，充分发掘其应用价值，将成为未来几年间科研事业的重要方向。

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