1—垂直伸缩式隔离开关；2—数字式光电TA；

3—HPL型断路器；4—中心控制柜；5—接地开关

图1 HPL型550 kV超高压组合电器(Compact)元件配置图

Compact的结构特点为：①SF₆断路器元件采用常规瓷柱式HPL 550型SF₆断路器，单柱双断口，断口瓷柱套管水平安装，成T字型结构布置在组合电器中间，并附弹簧操动机构；②
2个隔离开关/接地开关元件采用常规瓷柱式垂直开启的隔离开关，为双剪刀结构形式，并附电动操动机构，分别布置在组合电器两侧；③电流互感器元件是利用Rogowski线圈工作原理的光电电流互感器，位于断路器与隔离开关之间，并安装在SF₆断路器两侧水平布置的2个灭弧室套管的顶部，可满足500
kV进(出)线回路电气主接线的要求。



3 超导电缆



     超导电缆采用超导材料在液氮汽化温度(约-196 ℃)下无电阻的传输大电流，导体损耗不足常规电缆的1/10，即使加上制冷的能量损耗，其运行总损耗也仅为常规电缆的50%～60%，且同样截面超导电缆的电流输送能力是常规电缆的3～5倍。

     超导电缆与常规电缆相比具有低噪声的特性，使用的金属和绝缘材料较少，因此使用超导电缆可以节约输电系统的占地面积和空间，且没有常规充油电缆存在的漏油污染环境的弊病。目前由国产超导线材制造的我国第一组35
kV超导电缆已于2004年7月10日在昆明220 kV普吉变电站并网运行，这标志着我国成为继美国、丹麦之后，世界上第三个将超导电缆投入电网运行的国家。



4 气体绝缘变压器



     SF₆的负电性(即吸附电子的能力)和优异的热交换特性使其有很好的绝缘性能和冷却效果，气体绝缘变压器(Gas-Insulated
Transformer,GIT)就是以SF₆气体作为绝缘介质的不燃变压器，它利用SF₆气体的惰性性质，当变压器内部发生电弧现象时，内部升高的压力会被SF₆气体体积的变化而抵消，不易燃不易爆，且占地面积小；SF₆气体密度也比变压器油的密度小得多，因此声音传送比较慢，中间铁心发出的声音很少能传到罐体，使得GIT在运行中所产生的噪声很小，无需隔离墙，从而整体显得简洁、轻巧，使空间得到充分利用，因而大大降低了变电站的建设成本。尤其当GIT与GIS配合使用时，这些优势更加明显，因此，自20世纪60年代以来在日本、欧洲得到开发，且一些小型的自动冷却式GIT已得到了广泛应用。

     气体绝缘变压器根据其冷却介质的不同，可分为气体绝缘、气体冷却和气体绝缘、液体冷却二大类型。一般容量小于60
MVA的GIT，因热损耗较小，通常可采用SF₆气体循环冷却的散热方式，这种类型的GIT与传统的油浸式变压器在结构上有不少类似之处。对容量大于60
MVA的GIT，大多数采用液体(C₈F₁₆O或C₈F₁₈)冷却和SF₆气体绝缘分离式结构。这类产品的结构和油浸式变压器有很大差异，通常为分层冷却、箔式绕组的气体绝缘变压器。目前，我国采用无噪声的由自然冷却法获得的强制式气冷类型的双模式GIT也已投入了使用。

     对SF₆气体绝缘变压器而言，它与传统油浸式变压器相比，根本区别在于GIT采用的是SF₆气体进行绝缘和冷却，因而二者在结构特征上既有相似之处，但也有所差别，它们间的比较如下：

     (1) 对于GIT来说，罐内SF₆气体压力越大，冷却特性和绝缘性能也就越好，但较高的压力对变压器器身的压力承受强度要求较高，这样反而会增加变压器的重量和对形状的要求，因此GIT一般采用压力为0.11～0.14
MPa，而油浸式变压器则为正常大气压力。

     (2) 在冷却系统方面，GIT与油浸式变压器的不同之处在于冷却介质和冷却处理方面的差异，GIT采用SF₆或C8F16O作为冷却介质，而油浸式变压器则采用变压器油作为冷却介质；同时为获得与油浸式变压器同样的冷却特性，GIT使用了空气压缩机，其循环率比强制式油冷型油浸式变压器的循环率大几十倍。

     (3) 在绝缘结构方面，根据工作电压和容量的不同，GIT选用各种饼式绕组和箔式绕组，高低压绕组间、绕组对地间的主绝缘强度主要决定于SF₆气体的绝缘强度；在绝缘材料方面，
GIT采用具有很高机械强度和绝缘能力的高密闭性塑料薄膜作为铜线的绝缘包布，绝缘等级为E、B级。油浸式变压器则采用绝缘纸，其绝缘等级为A级。

     (4) 保护方面，GIT取消了气体继电器，装设了与气体继电器等效的突发压力继电器，该继电器测量气体压力的上升速度以确定内部故障的发生并给出一个跳闸信号，此时虽然SF₆气体随温度变化而膨胀、收缩时的体积变化会直接转变为压力的变化，但由于GIT的气体容量很大，内部故障造成的本体压力不会上升到危险状态，除非故障能量非常大、故障时间特别长，因此，GIT不需安装压力释放设备和附加油枕，这样就降低了变压器的高度和占地成本，而且杜绝了由于呼吸器硅胶受潮更换不及时可能引起变压器受潮的隐患，从而提高了运行安全性和可靠性。

     (5) GIT采用SF₆气体绝缘的真空有载分接开关，它采用真空开关切断有载开关切换机构的电流，并采用滚柱式触头系统和无润滑轴承，以防止电弧引起的SF₆分解气体对变压器本体的影响；油浸式变压器则在变压器油中采用滑动接触切断电流。

     (6) GIT在出厂时完整组装，SF₆气体也注入其中，在安装现场无需抽真空，同时，由于SF₆气体的密度仅为绝缘油密度的1/60，且黏性较低，因此在冷却管中压力降很小，这样冷却器既可以水平安装，也可以脱离变压器垂直安装，从而使其布局相当灵活。



5 超导变压器



     在传统的变压器中，绕组中的铜损占变压器满负荷运行时总损耗的绝大部分，而采用高温超导绕组可以大大降低这部分损耗和提高导电容量，因此超导变压器就是用超导材料(如铋的氧化物等超导体)替代原来的传统金属作为线圈材料的变压器，超导变压器的特点为效率高、体积小、无环境污染以及可用液氮代替油料，从而无火灾隐患等优点，超导变压器在相同容量下体积比常规变压器小40％~60％，它的变电效率高达99.4％，可直接安装在现有的变电站内，从而节省大笔建设经费，有利于节省能源和满足保护环境的要求，且具有故障限流功能，是被公认为最有可能取代常规变压器的高新技术。

     目前用于配电实验的高温超导变压器，已由ABB公司、日本九州电力公司、美国超导公司以及德国西门子公司等开发并投入了运行。我国由中科院电工研究所自主研制成功的第一台630
kVA/10.5 kV三相高温超导变压器样机(其二次侧输出电流是目前世界上最大的)也已顺利通过了各项试验检测，这是继美国、瑞士、德国、日本等少数几个国家之后，我国研究成功的首台三相高温超导变压器样机，这为下一步研制实用型高温超导变压器打下了可靠的技术基础；同时45
kV单相超导变压器(变压幅度为160～2 400 V)，为了获得在遭受雷击、短路冲击等特殊情况下的极端参数，也在沈阳变压器研究所完成了破坏性极端实验。实验结果表明，超导变压器的各项性能均达到或优于同级常规变压器，预计2005年可完成全部研制工作，并进行挂网示范运行。



6 组合电器的小型化和智能化



     随着电力制造工业的不断发展和高新技术的应用，国际上几大开关设备制造公司的SF₆气体绝缘开关装置的设计制造水平也在不断提高，小型化和智能化是SF₆气体组合电器的发展趋势。以GIS为例，小型化GIS结构更为简单，使用的零部件数大为减少，因此价格较传统的GIS有明显下降，在相同技术参数配置的情况下，其价格一般是传统GIS的70%～80%，且SF₆气体的用量和泄漏都相对减少，有利于环保；小型化GIS的安装更为灵活，能满足一些城市内特殊布置的要求，为变电站的布置和周围环境的协调性创造了更好的条件。因此，无论从经济角度安装的灵活性、或是环保角度考虑，高压和超高压GIS和紧凑型组合电器的发展趋势都是小型化和智能化。

     目前组合电器小型化的途径主要是：①减少断路器的断口数，如将双断口断路器更换为体积较小的单断口断路器(体积不到原来的60%)。目前国外一些大的开关制造公司已做到单断口电压为550
kV和800 kV，国内也有生产厂家研制成功了550 kV的单断口断路器。②三相共筒化结构，这种结构一般可减少占地面积40%以上，同时还可减少外壳的涡流损耗和现场的安装维修工作量。目前170
kV以下电压等级的GIS产品几乎全是三相共筒化结构，日本已开发出363 kV全三相共筒式结构GIS和550 kV母线三相共筒式结构GIS。③采用小型元件替代传统GIS中的常规元件。如日本三菱公司开发的GIS用新型氧化物避雷器，不但体积为传统避雷器体积的40%～60%，而且避雷器的残压下降，从而使被保护设备的雷电冲击耐受水平(LIWL)下降；再就是基于Faraday效应的光电式电流传感器的输出稳定性很好，而安装空间只有传统电流互感器的1/24，基于Pockels效应的电压传感器安装空间为传统电压互感器的1/3。

     组合电器的智能化主要是指二次监控系统的智能化。由于传统组合电器的二次监控系统是由众多的电磁式继电器、多触点辅助开关、行程开关及压力开关等元件组成，可靠性较差，使得组合电器的维护也因产品的运行状况不明而只能采用传统方式，因此为解决以上问题就有必要采用二次监控智能化系统。

     与传统组合电器的二次监控方式相比，智能化组合电器的二次监控方式的特点是：

     (1) 采用高可靠性、长寿命的信息传感器，如近年来，已被用作电流传感器的Rogowski空心环状线圈和已经开发并在近期应用于组合电器的基于Faraday效应的光电流传感器，其结构简单，测量电流范围大，频带响应范围宽，信号无畸变，因无铁芯因而也就没有磁饱和问题；

     (2) 采用体积小，功能强的微机数据处理系统，对采集所得的数据进行A/D转换、并进行算术和逻辑运算以及记录等操作，且实时性好，准确性、可靠性高；

     (3) 分析微机数据处理系统处理好的数据，根据运行经验和动作规则，按状态决定是否需要检修，从而最大限度地减少组合电器维护工作量，
使组合电器的使用寿命延长。

     目前GIS的二次监控智能化系统主要包括：电压电流传感器，断路器执行机构，气体密度测量传感器，隔离开关和接地开关执行机构，其他物理现象传感器，如电弧、局放、温度和长度变化等。监控系统主要可以实现对GIS的绝缘性能、机械性能和电气性能3个方面的监控工作，并且采用了一些较新的技术，如红外技术和超声波技术等。

     紧凑型组合式开关设备在测量、控制、保护系统中，采用了计算机技术、数字化技术和光纤通信技术，支持数字式继电器，并在继电保护系统引入了微机处理和分段监控保护，从而实现了二次监控系统的智能化。



7 结束语



     随着电子学、光电子学、光纤传感技术、超导技术及数字信号处理等现代高科技的发展，供电设施小型化在国外发展很快，如近期，日本九州大学已开发了采用铋氧化物超导体作线圈材料，以
-196 ℃的液氮为冷却剂，从而实现了冷却装置小型、轻型化的可把22 kV电压转变为6.9 kV，容量为1 000
kW的大容量超导变压器，并可望在几年后达到实用水平；我国也正在加紧小型化供电设施的研究和开发；同时由于设备的主要组装调试工作已在制造厂内完成，现场安装和调试工作量较小，因而可缩短变电站的安装周期；再加上运行中除了断路器需定期维修外，其他元件几乎无需检修，维护工作量和年运行费用大为降低，即变电站的土地和年运行费用很低，再加上未来的SF₆气体绝缘设备的小型化发展将进一步减少SF₆气体的使用和泄漏率，更加重视环保问题，同时在二次监控系统中采用高新技术，设备的灵活性和适应性会更加提高，以及设备制造成本的下降等特点。相信在不久的将来，由小型化高压和超高压组合电器(GIS或紧凑型开关设备)与超导电缆和GIT(或超导变压器)将会共同组成一个更加方便灵活的完整小型化供电变电站。



8 参考文献



［1］ 李坚，郭建文.变电运行及设备管理技术问答.北京：中国电力出版社，2005.

［2］ 尹星光，李伟强.SF₆气体绝缘变压器在我国的应用前景探讨  电力设备，2004，(1)：39~41.

［3］ 王琦，邱毓昌.SF₆气体绝缘开关装置的小型化与智能化.电力设备，2003,(4)：28~31.

［4］ Reinbold C.Mahmood Z.Current and voltage measurement
with optical sensors technology.Proceedings of 3rd EPRI
Optical Sensors System Workshop，Pittsburgh，PA，Oct.17—19，2001:E2—11E.

［5］ Hrabliuk J.D.P.optical current sensors eliminate
CT saturation，January 2002 PES Winter Power Meeting.

［6］ Shichimiya, S. Development of advanced arresters
for GIS with new zinc-oxide elements. IEEE Trans on Power
Delivery, 1998，13(2)：465～472.