GIS技术现状及发展趋势
摘要：自20世纪60年代，SF6气体作为绝缘和灭弧介质以及现代气体绝缘开关设备（GIS）问世以来，该技术持续不断地发展。随着SF6的应用，世界上首台高压气体绝缘开关设备于1968年投入市场。虽然许多人认为这项技术已经成熟，但GIS技术从设计到制造，从试验到运行还是在持续不断地发展变化。
持续不断的研究和创新发展成就了当今紧凑型、整体优化的开关设备。当今，GIS技术通常采用模块化设计，充入最少量的SF6气体。这种标准化结构可满足不同客户的要求，并且几乎所有变电站的配置都一致。此外，该技术降低了设备寿命周期成本，既可户内应用、也可户外应用。
是什么样的形势成就了当今的GIS技术，今后GIS的设计、制造、试验和运行技术将如何发展，客户的愿望是什么以及制造商会给出什么样的答案呢？
关键词：高压气体绝缘开关设备（GIS）；GIS技术现状；GIS技术发展趋势
1 引言
技术和标准的不断发展，促进了产品质量和性能的提升。随着数字通信系统、电子设备和系统、升级的开关设备和非开关设备、以及像工程承包等方案促成了新产品进入市场。此外，一些主要的环境、市场和技术因素结合强有力的竞争，在给GIS技术的发展带来严峻的挑战的同时也为其发展带来了空前的机遇和市场空间。
每当规划一座新的变电站，需要考虑该变电站项目的特殊需求。由于高度紧凑的设计，
GIS可以在有限的空间条件下安装，并且可以节省高昂的占地成本。GIS可在建筑物的户内、户外安装，甚至可在地震多发地区使用。由于开关设备噪音水平和场发射（电磁兼容性）低，可以安装在如住宅区或城市中心区这样的敏感环境中，供电力企业和工业客户使用。凭借其节省空间、灵活性和可靠性高的综合优势，GIS技术为城市和工业用户提供了新的解决方案，比如该设备可安装在地下。
2 以往的发展情况和现状
40多年前，市场上只有功能单一的空气绝缘变电站（AIS）。然而，由于这种设备相间绝缘距离长，因此占用空间大。能源需求日益增长，可用空间，特别是在迅速发展的大都市的可用空间受到，因而紧凑型开关设备需求上升。
SF6气体绝缘开关设备的发展使得如开断、隔离、接地和测量这些功能集成在很紧凑的结构中并高度兼容。持续不断的发展减少了145kV GIS的占地，现在的占地只有1968年第一次设计占地的25％。
在过去的几年，SF6气体绝缘开关设备的发展主要是围绕减少材料和降低成本成本，同时保持极高的可靠性。为了确保GIS技术更进一步发展，就要持续不断地提高所有单个组件的效率，从断路器开始需要不断提高灭弧能力和操动系统，其次是逐渐实现组件小型化，优化外壳，绝缘子功能并增强导体的导电性能。
高效，安全和可靠是现代高压气体绝缘开关设备的主要特点。40多年的运行经验为研究和生产高质量的产品提供了宝贵的经验。最新改进研究和制造工艺都已经应用于GIS产品的开发和制造中，以确保最先进的技术能第一时间得以应用。
GIS主要设计、材料和制造技术的发展不仅是受到GIS技术自身的驱动，也是由于整体经济、环境和市场因素的驱动。
3 未来发展趋势
高电压技术的创新和发展有许多诱因。用户和设备运营商的需求和意愿是主要的因素。在世界范围内，这些需求和意愿，在不同的地区的重要程度也有所不同。发达国家与发展中国家，法制市场和放松管制的市场，老化设备和新安装的设备，这些只是一部分影响因素。除此以之外，气候、环境和网络因素都对未来的趋势有很大的影响。
未来GIS技术会呈现以下一般趋势：
更加紧凑；
设计更加简单、可靠、预期寿命周期长、少维护；
不同解决方案的成本评估更加接近，由于所有者反对采取GIS批发的方式，所以评估以变电站为基础进行。未来用户预期的不同的寿命周期成本评估方法将变得非常精密；
用户需要差异不大，因此用户间的GIS功能规范互相认可；
开发智能GIS，具有状态评估监测和保护功能，直接利用集中的IT功能进行通信；
一次/二次设备功能整合。
3.1 满足客户需求的解决方案
由于电压等级不同，因此当今采用通用的“主接线”，从而从客户和环境因素方面来看，可以优势共享和缩短产品进入市场的时间。此外，主接线的通用要求对于环境温度、预期寿命，户内和户外应用及安装程序的要求都是相同的。像断路器的模块化弹簧操动机构这样的标准化的部件可通用。
需要考虑的重要的用户的要求是确保便于用户维护相关设备如：操动机构，气压表，视窗和接线端子。对于72.5 kV至170 kV电压等级来说，这一要求通过紧凑型模块化隔离开关和接地开关来实现。现在操动机构模块属于GIS室的一部分，其盖板将操动机构轴密封，杜绝灰尘从外界环境进入气室。此外，盖板可轻易移开，在需要时像电动机这样的单个组件可以更换。
在一个间隔内所有需要维护的设备都安装在该间隔的左侧或右侧，因此，每隔两个间隔之间使用母线延伸，通过该方法即可确保能够进入每个间隔，同时还保持GIS系统距离最短。断路器的ON-OFF指示器可安装在间隔前方，通过边杆与断路器相连，确保即使在非常密集的布局中也能观察到断路器的状态。
根据IEEE的要求，145千伏设备的可接近视窗直径为46 mm，170 kV设备的为60 mm，目前的设备已经达到这一要求，故可以选择性地配备照相系统。间隔控制设备可以安装在集成于间隔内的本地控制柜内，具体方案由制造商确定。这意味着，为集成本地控制柜建立接口，制造商可根据用户合同的要求进行设计。
为确保GIS的结构智能、高效，1倍半断路器中采用环型布置或H型布置，这种设计利于节省空间和材料。其特征是，断路器上侧母线法兰的高度与出线侧法兰高度相同。除户外应用以外，移动开关设备的地位越来越重要并且成为标准的解决方案。近来随着紧凑型GIS的发展，145千伏1倍半断路器布置和170千伏H型布置都可安装在集装箱或拖
车内。近来新建的变电站中要求安装的电流互感器多变化。
由于进行过现场试验的开关设备，不需要进行高压测试就可运送到指定位置，因此，目前电力企业的解决方案是用集装箱或拖车来运输开关设备或电缆和架空线路，以便更换。如果集装箱外有附加的母排，则有必要采用电压互感器进行高电压测试。在没有特殊一次试验设备条件下，其二次绕组可将高电压引至一次绕组，这些设备可至现场进行安装。
总之，GIS系统对于现有建筑的适应性和母线布局、可接近和紧凑性以及良好的气密性是满足客户要求的解决方案。
3.2 额定电流值较高
性能更高，满足特殊领域应用以及激烈市场竞争的要求是当今现代开关设备技术发展方向。特别是大城市的能源供应商，都期望设备占用空间小、重量轻、可靠性高。此外，新型网络结构对额定开断电流的要求越来越高。
全球持续增长的电能需求致使电流水平越来越大。现有的电网结构可满足负荷中心和特大城市的电能需求。但是由于对能源需求的持续增长速度比新型输电线路的发展一度快，从而导致电流水平持续增大。电流水平越来越大，就需要输电线路、母线和变电站一次设备技术有相应的发展和提升。
过去变电站持续电流的要求不高。仅对配有巨型发电机的少数电厂有大电流设计的要求。（如图1所示的）加拿大HydroOne的550 kV Bowmanwille变电站。该变电站于1984年建成，至今仍在运行。技术数据显示，该变电站持续电流达8000 A。高达100 kA短路电流和30多年的运行表明该电厂出色的特性。
图1 Bowmanwille 550 kV 100 kA变电站
如今，不仅大型负荷中心有增大电流的需求。电流计算表明，这种能力可能也有必要在没有与大电厂立即连接的变电站中提高容量。因此，设备改造需要注重经济性能设计。从热点角度出发给出了不同的设计。首先考虑的主要方面是避免系统温升。这点可以通过采用最低电阻材料来实现。附加触头，特别是动触头要采用镀银处理。随后使一次系统顶部置于外壳外。该零件通过内部绝缘气体对流实现。外壳的特殊涂层可使热量通过热辐射从外壳向周围环境传导。
上述各方面都应用于GIS不同模块和组件的基本设计中。这些计算包括像趋肤效应和导线及绝缘子的最小电磁力这样的物理计算。
该样机在开发试验中显示出耐热性，通过型式试验确保整个生命周期的耐热性能和适当的功能特性（见图2）。
图2 550 kV GIS温升试验记录
自压缩冷却系统和配弹簧操动机构断路器技术的发展使设备的开断电流高达80 kA。导体和接触元件材料大幅改进提升了设备的额定和短路电流水平。
3.3 电压水平
长距离大容量输电需要特高压（UHV）输电技术以减少传输损耗。如美国、中国、印度及俄罗斯这些国家都已经开发800-1100 kV交流紧凑型特高压开关设备。特高压系统、开关设备、避雷器、母线以及测量装置正处于设计和试验阶段。特高压等级最佳解决方案
是AIS与GIS相结合的混合技术的变电站，它结合了AIS与GIS的优势。在某些情况下，这种新型变电站解决方案的性能高、可靠性高并且寿命周期长。
3.4 测算、计量和控制技术
如今，新建变电站都配有控制和保护装置。而这些控制保护装置中越来越多都超出了它们的预期设计寿命。陆续推出的更换和现代化建设的项目将进一步增加数字系统数量。由于新型智能电子设备（IED）越来越完善，数字通信和远程控制和监测是未来变电站设备及界面化操作的特点。
新型复杂的电流和电压传感器集成到其它高压设备上将实现新型变电站设计节省占地空间，降低重量和复杂程度。多功能IED设备的保护、控制以及通讯功能形成的新结构与用于特殊功能的继电器系统完全不同。
随着越来越多的输配电变电站超出系统设计的预期寿命，主要设备老化需要延长设备寿命周期、推迟基础设备投资以及突然断电风险这三方面之间的平衡，这是一项艰巨的挑战。密切监测早期断电迹象是降低风险的有效保障，因此，在线状态监测功能是间隔中接口和传感器以及处理资产管理数据和维护计划的基本要求。
日益增加的电能需求边同可再生能源的接入和分布式发电的位置远离负荷中心会导致浮动潮流。如果没有新的路权和公众的接受，额外的输配电（T＆D）基础设施将成为输配电行业全新的挑战，需要新的支持功能，以指导经营者临时使用输配电系统的剩余过载能力。
输配电系统仍需要使用的一些绝缘材料会影响或目前的全球变暖指数。严格的监管和
关键环境因素报告对于认真负责地处理解决（使用，正确存储，无损耗和无害化处理）等问题。很大程度上影响持续使用许可及未来社会对于新输配电基础设施的接纳。未来对于像SF6气体或油这样的环境的关键要素采用在线状态监测系统，以便及时发现违规行为，定期状态报告将成为强制性要求。
3.5 减少、回收并重复利用SF6
对于高压开关设备来说，制造商对于开发、安装、调试和交付使用过程中的SF6排放负责，而电力公司或用户则要对设备整个使用寿命过程是的泄漏负责。制造商根据型式试验的要求确定最大泄漏率。
GIS中在安装、调试、交付使用以及维护检修过程中可以避免SF6损耗，或者至少通过使用先进的设备来降低SF6损耗。SF6气体通过抽吸装置抽成真空的，如果气体质量不符合IEC60480这样适用规范的要求，则通过再循环设备对气体进行再利用。SF6及其副产品也可以由SF6生产商回收以便正确处理。一些电力企业已经在维修工程中回收并再利用废弃设备中的SF6。
减少电气设备的相对SF6排放的一个有效的方法是在不影响设备功能特性的前提下减少SF6气体使用量。减少开关行业SF6排放量可行的方法总结如下：
避免不必要的SF6运输；
促进SF6再利用；
确定再利用的相关标准；
推广使用适当的处理设备，确保低排放和SF6再利用；
促进设立的SF6的处理/存储机构。
如果制造商注重持续发展的理念，整个电力行业的SF6排放将进一步改善：
电力企业加入到现行的自愿性协议当中；
非电力企业用户也应遵守制造商制定的妥善回收或处置SF6的规定；
整个电力部门（制造商和用户）扩展现有的自愿协议。
和电力部门签署协议，根据实际开关设备库存系统改进SF6回收利用流程也是一种可行的解决方案。
3.6 未来发展环境
从短期来看，有必要注意方面的消息，同时也要认识到电力企业发展“清洁能源”的性。
电力企业通过一些创新措施满足了对变电站日益增长的环境要求。符合环保要求在变电站设计中的作用越来越重要，需要重视像有责任处理SF6、油绝缘材料，噪音和热量，电磁兼容性和其他需要考虑的问题这样的话题。
所有高电压系统使用、产生或释放的材料将来会对环境造成严重的影响。有效的技术解决方案将尽量减少有毒物质或温室的气体的排放量，减少传输损耗和减少使用影响环境
的材料的类型和数量。产品的整个生命周期都将受到大家关注。
4 结论
毋庸置疑分类细致，高效、经济的产品解决方案的市场需求量大。使用创新及环保的理念、技术和材料对于GIS技术来说十分重要，满足当前和未来的需求。
提高环境意识、可用资源的压力以及制造商之间的竞争促使创新型GIS的发展。因此，新的GIS概念应该更好地满足他们的自身、社会、地理和经济环境的要求。应向节省空间，降低成本和延长生命周期的方向发展。
全球高压设备用户和运营商的变化，直接影响GIS制造商所提供产品的技术创新，产品和解决方案。在高压领域竞争是主要驱动因素。放松对用户和运营商的管制和全球开放的市场是影响当今和未来单键的主要因素。在激烈的竞争环境中，技术和服务的发展，连同新的产品和服务将不断改进解决方案。新的GIS概念更容易让客户和公众接受。