摘要： 柜式气体绝缘金属封闭开关设备（C-GIS）是正在兴起的一种中压成套电器设备，它具有体积小、可靠性高，可适应多样性及多变环境条件等优点。文章叙述了C -GIS产品的智能化技术问题、保护测控技术、在运行中的状态监测和诊断技术(如SF6气体密度监测、含水量监测、断路器机械故障监测等)，对使用在C -GIS中的传感技术也作了介绍。
关键词： 电力系统；柜式气体绝缘金属封闭开关设备（C-GIS）；智能化测控；在线监测；SF6密度继电器；供用电
中压柜式气体绝缘金属封闭开关设备（Cubicle Type Gas Insulated Switchgear，C-GIS）是正在兴起的一种中压成套电器设备,它把高压开关设备中充气隔离室产品的设计技术应用到了中压产品中。由于采用了充气隔离室，因此C
-GIS具有体积小、可靠性高，可适应多样性及多变性环境条件（如化工、湿热、高寒及船用等）等优点。
由于高压电器产品标准GB 7674中已包括了C-GIS的标准，所以中压C -GIS通常也统称在GIS内，只有在强调结构为柜式时才叫C-GIS。C-GIS的特点是：①C-GIS的充气隔离室封装后无法再对其内部的元件进行调整和维修，因此在C
-GIS产品的装配过程中，对需要装入的零部件必须预先进行更加严格的检查和确认。②充气隔离室的密封及漏气。在产品装配过程中要特别重视结构的密封性，并且在装配后还需要进行严格的检漏测试。③充气隔离室内主回路布置更精细。在安装主回路时，要注意零部件的外形、表面精度及连接用紧固件的表面形状和表面粗糙度。④充气隔离室内要充入0.05MPa左右的SF6气体。
1 C-GIS产品的保护测控技术
智能化测控装置的核心器件是微处理机,它充分利用数字技术和软件,将保护、监视、控制、测量与通信集于一身，在相同的硬件环境下，可实现多种功能：①基本保护功能。有方向或无方向的过流和接地故障保护，零序电压、过电压和低电压保护，断路器失灵保护，低周减载及自动重合闸等功能。②控制功能。保护跳闸、合闸，远方、就地控制，以及各种信号控制，控制对象的显示等。③测量电量功能。可测量相电流、相间和相对地电压、零序电压和电流、频率、有功功率、无功功率、功率因数和电能等。④通信功能。可实现与ＰＣ机就地通信或通过变电站通信系统与远方通信，装置一般可支持Modbus协议和标准通信规约ＩＥＣ
870-５-103等，标准接口包括ＲＳ２３２、ＲＳ４８５，通信介质可利用双绞线、光纤等。⑤监视功能。断路器状态监视、跳闸回路监视和本机运行自检。
智能化保护测量装置与传统的二次技术相比，其接线更加简洁、紧凑，功能更丰富，且具有更高的可靠性，操作面板上有完整的键盘、液晶显示、信号指示、菜单操作。其典型结构如图1所示。
图1 智能化保护测量装置示意图
装置通过采集电压和电流信号，断路器位置和状态信号及开关量输入信号，高速独立完成数据处理，实现保护、监视、控制、显示等功能，并且通过通信接口把这些信息进行上传。
2 中压充气柜的传感技术
由于现代电网向输配电系统自动化方向发展及高压电器设备发展，传统的电磁式电压、电流互感器产品已不太适应电网发展的需要。他们对电流、电压互感器不仅提出了小型化、高可靠性的要求，而且还要求它具有高低压完全隔离、频带宽及无铁磁饱和等特点。新型电子式电流互感器（罗柯夫斯基电流传感器）及新型电子式电压互感器（电阻式电压分压器）是C-GIS中压充气柜的最重要传感器。
2.1 罗柯夫斯基电流传感器
罗柯夫斯基电流传感器与传统的电磁式互感器相比，它没有铁心饱和问题，具有传输频带宽、抗干扰性能优异、尺寸小、质量轻等优点。
罗柯夫斯基线圈是将导线均匀地绕在一个非铁磁性环形骨架上，一次母线置于线圈中央，因此绕组线圈与母线之间的电位是隔离的。罗柯夫斯基线圈的等效电路如图2所示。
I(t)—母线电流；N—线圈匝数；RL—线圈电阻；
L—线圈自感；R0—信号电阻
图2 罗柯夫斯基线圈等效电路图
在信号电阻R0上输出的电压为
一次电流为 
罗柯夫斯基线圈电流传感器具有如下特点：①当L很大时，一次电流I(t)=-N·u2(t)/R0。②误差＜1%（在外补偿情况下可达到0.2%
）。③频带宽，从几Hz到几MHz。④线性范围大，一直到大于短路电流时才饱和。
2.2 电阻式电压分压器
电阻式电压分压器电路图如图3所示。由于测量系统的输入阻抗一般为1MΩ以上，因此它对电阻式电压分压器的影响极小。对于12kV或40.5kV系统，完全可利用图3所示的电阻式电压分压器将一次电压变换成5～10V，分压比 ；由于测量系统的输入阻抗＞1MΩ,所以R2一般取10kΩ左右；TV是过电压保护装置,一旦R2被损坏,则可以限制电压U2升高,起到了保护测量系统的作用。德国西门子公司使用的电阻分压器(DUROMER
GmbH型GST10)如图4所示,其参数如下:最大操作电压为12kV；分压比为3700∶ 1；绝缘水平为28/75kV；额定频率为50或60Hz；一次额定电压为 ；带宽为0～1000Hz；二次额定电压为 ；精度为1/3P级。
图3 电阻式电压分压器
图4 GST10电阻分压器
为了提高电阻分压器的精度,必须采用合理结构及参数。一般在分压器的高电压端加设高压屏蔽罩,增加高压引线对分压器本体的杂散电容,这样可以抵消分压器本体对地杂散电容CG的影响。在低压侧加设低压屏蔽罩，则可起到控制分压器本体对地杂散电容值的作用。要合理地选择R1的大小。如果R1选得太小，分压器就会流过更多电流，致使热损耗太大，不利于阻值稳定；如果R1太大，则负荷回路会影响分压器的分压比。
2.3 感应式接近传感器
断路器分、合位置的检测，如果采用传统的有触点辅助开关，则会由于污染（包括霜）现象、触头氧化现象，而经常使辅助开关触头接触不良，甚至失效。ABB集团公司所属Calor-Emag公司早已使用感应式传感器取代了传统的有触点辅助开关。感应式传感器原理图如图5所示。
1—操作面；2—动作范围；3—LC振荡回路；4—脉冲形成；
5—输出(带LED)；6—壳体(外部有M12螺纹)
图5 感应式位置传感器
感应式传感器的基本工作原理是根据导电材料中涡流损耗会引起谐振回路品质因数Q值下降,导致振荡衰减这一原理。由LC振荡回路产生的高频交变电场，在传感器的操作面处呈现较强，此时如果有一导电材料（被运动体）接近操作面，由于高频交变电场会在导电材料内产生涡流，消耗了振荡回路中的能量，结果使振荡幅值减小，此变化信号送入后面的脉冲形成级，并根据振荡幅值变化的大小，产生一上升沿很陡的脉冲，输入晶体管驱动级并产生1个10～30V的信号。装在传感器内的发光二极管显示受控状态，在另一端面，利用一根三芯聚氟脂绝缘导线提供工作电压，并获得被测信号。
通过适当选择操作面位置, 感应式传感器就能很精确地检测操作位置。
由于这种传感器密封在壳体内，因此重污秽、腐蚀、高温、外磁场等环境变化不会影响传感器的性能；由于无触头，因而不会出现因表面腐蚀、烧损所致的接触不良现象。另外，由于其体积小，且带外螺纹，所以安装极为方便。增加安置感应式传感器数目，可以增加观察物理量。这种感应式传感器无接触、无触点、无烧损，可使用在操作频繁的场合。使用这种电子感应式传感器，可达到免维护，可保证高可靠性和长寿命。
3 状态监测和诊断技术
3.1 SF6气体密度监测
当高压设备的气室充有SF6气体后，要判定其是否已满足绝缘或灭弧的要求时，常常用SF6气体密度这个概念来衡量，因为SF6气室内的绝缘强度取决于SF6气体密度值的大小，即单位体积内SF6气体的分子数，它与温度无关。而密度值的大小是通过20℃时充气压力来体现的。为了保证C-GIS高压电器设备安全可靠运行，必须对SF6气体的密度、含水量等参数进行严格监测，如果这些设备发生泄漏，SF6气体密度降低，就会产生开关设备耐压强度降低、断路器开断容量下降等严重后果。
对SF6气体密度的在线监测原理及方法见文献［3］。
3.2 SF6气体含水量测量
SF6气体微水含量测量多为离线测量，其方法有镜面冷凝法和电容法2种。镜面冷凝法测量准确度较高，但需要强迫使被测气体流动，无法用作SF6气体微水含量在线检测。电容法不需要被测气体流动，但测量的精确度较差——即湿敏电容传感器长期稳定性较差，如Al2O3介质传感器存在永久性漂移缺陷。文献［1］显示，高分子薄膜介质的湿敏电容长期稳定性好、精确度高、响应快，可用来在线测量GIS/CGB封闭成套电器中SF6气体的微水含量。
3.2.1 湿敏传感器
传感器选用法国Humirel公司的湿敏传感器HM1520，它适用于低湿环境测量，且长期稳定性好、抗化学腐蚀能力强、响应速度快，其湿敏电容介质是高分子薄膜材料，介电常数为ε1，水的介电常数为ε2,高分子材料在吸收水分后的介电常数为ε。
式中，φ2为高分子薄膜中吸收的水的体积分数,随环境中水蒸气的气压而变化。在低湿条件下，ε∝RH，电容量C正比于ε，因此测试C值就可求出RH值。
HM1520集成化湿度探头有Us、Uout、地 3个引线端子,把2个谐振回路的电容量转化为频率，获得差频信号，再经过F-V转换、滤波及放大则可得到反映RH的电压信号。这2个谐振回路中，一个谐振回路的电容量随环境的相对湿度的变化而变化，另一个谐振回路的电容量是不随环境湿度变化的参考电容。
3.2.2 传感器的安装
可以将湿度传感器安置在设备内，使它处于SF6气体循环回路中，对SF6气体的湿度变化进行实时监测。
为了装卸方便，可以将湿度传感探头装于设备取气口外接的在线监测的测量腔体中，这样通过取气腔体与被测气体自扩散相连通。
3.3 断路器机械故障的监测
3.3.1 断路器合、分闸线圈电流的监测
如果高压断路器的操作机构是电磁操动机构，其合、分闸线圈的电流一般由直流电源供电。经验表明：合、分闸线圈的电流可以作为诊断机械故障的信息，合、分闸线圈的电流信号可由补偿式霍尔电流传感器给出。给出的合、分闸线圈的电流信号如图6所示。
图6 合、分闸电磁铁及的合、分闸线圈的电流波形
图6中,t0是起始时刻，是合、分过程计时的起点；t1为线圈中电流引起的磁通上升到足以驱动铁心运动的时刻，即铁心开始移动的时刻；t2为铁心已触动（开始）操作机构负荷的时刻，也是开关触头开始运动的时刻；t3为开关辅助接点切断电源的时刻，即电磁线圈回路断开的时刻。利用比较电流波形的变化或差异，可以诊断出操作机构的故障程度。
3.3.2 行程、速度的监测
断路器触头的刚分速度对灭弧性能影响很大。适当提高刚分速度对减少电弧能量、减少零部件的烧损有很大作用。但过分增大刚分速度不一定能提高灭弧性能，反而会加重操动机构的负担。同样，断路器触头的合闸速度对灭弧性能也有很大影响。因此，对断路器触头的行程、速度特性的测量及在线监测是很重要的。为了实现正确测量，必须选取合适的位移传感器，如线性梯度磁场传感器、旋转光编码传感器。
3.3.3 机构操动时振动信号监测
断路器在实现合、分闸的过程中，操动机构、连动机构及触头的运动和撞击会产生一系列振动信号。在断路器体内，采用频率响应为几十kHz的加速度传感器可以对振动信号进行采集，再经信号处理单元可以得到一系列可反映断路器振动参数的量，即可判断路器的机械特性。如果振动事件的出现时间和事件强度相对于正常状态下的参数发生明显变化时，则说明机构已出现了问题。
3.4 封闭箱内母线联接处异常温升的在线监测
ABB公司开发的母线联接处温升在线检测装置原理图如图7所示。
1—高压电流母线；2—变压器矽钢片；3—温度变换、发射装置（高电位处）(a.温度传感器；b.电源；c.红外发射器)；4—红外光；5—红外光接收器；6—温度接收装置（低电位处）
图7 温度测量装置原理图
该温度检测装置使用了石英传感器，每一个传感器有一个电流源，电流通过母线时交变电磁场提供了温度传感器探头所需的电源才进行温度测量。母线电流40A（50Hz）时探头能正常工作，短路故障所产生的短路电流不会损坏传感器。因为在测量点有强的电磁场，所以通过数字信号传递方案更为适合，输出的数字信号（频率）与温度有关。
传感器特点是体积小、准确度高、耐老化性好，且价格便宜；它由石英晶体、辅助电源及信号输出回路组成，可以方便地安装在母线联结处；采用红外调制发射技术，一个红外发光二极管把高电位处温度值发送到低电位处的红外接收器上，可以把许多传感器的测量值送到同一接收器上。
1992年5月，ABB提供的新型温度监视系统，在一面中压开关柜12个接点处（母线接触处）的暴露部分安装上这种尺寸极小的温度电子传感器。一般情况下仅需使用9个传感器，因为开关下面接线与电缆终端的距离很近。其中，3个传感器装在母线联接处；3个装在开关连接线的上端，另3个在电缆终端。
3.5 通电性能监测
异常温升的监测方法一般采用将开关设备停止运行的监测方法,即将开关设备停止运行，然后测定其主回路的电阻值；还有一种是参考文献［2］中提到的测温方法。这里介绍另一种监测方法——SF6气体成分监测法。
由于接触电阻增加、涡流损耗等因素，将导致局部过热，产生气体分解。如温度达到200℃，则金属会成为SF6气体分解的催化剂，SF6气体开始分解
这样可利用对气体成分敏感的由固体电介质晶体制成的传感器检测出SF6气体的成分。专家认为: 的过程要经历1年半以上的时间，而该传感器可以在半年时间内连续检测，以此判断SF6气体的分解趋势，并作为发生事故的依据。
4 几点看法
（1） C-GIS充气柜是中压开关制造、成套及工艺等技术综合提高的体现，充气柜最大特点是柜内元件不受外界环境影响，同时由于使用了SF6绝缘气体，大大缩小了柜体尺寸，从而减少了占地面积。
（2） 为了做到开关柜的小型化，除使用SF
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