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摘要： 综述了SF6气体绝缘的金属封闭式组合电器（GIS）和户外紧凑型组合式开关设备（例如PASS）等SF6气体绝缘开关装置的发展情况，指出小型化和智能化是发展的趋势。
关键词： 六氟化硫；开关装置；小型化；人工智能
SF6气体具有耐电强度高、灭弧能力强、通常无液化问题和化学稳定性好等优点，是迄今为止最理想的绝缘和灭弧介质［1］，在开关装置领域中得到了广泛的应用。目前SF6气体绝缘开关装置主要包括SF6气体绝缘的金属封闭式组合电器（GIS）和户外紧凑型组合式开关设备（例如PASS）。
随着电力工业的不断发展和高新技术的应用，国际上几大开关装置制造公司的SF6气体绝缘开关装置的设计制造水平不断提高。小型化和智能化是SF6气体绝缘开关装置的发展趋势。以下分别介绍GIS和户外紧凑型组合式开关设备的情况。
1 小型化的意义
随着城市用电量的急增，252、550kV变电站已进入市区或者城郊，在现代城市地区征地费用较高和征地困难的条件下，使用小型化GIS可以减小占地面积，大大降低投资成本。与传统GIS相比，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有明显的下降，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%。目前限制GIS广泛使用的因素主要是其设备成本过高。因此，从经济角度上讲，GIS的小型化可以促进GIS的进一步推广使用。与传统GIS相比，小型化GIS安装更为灵活，能够满足一些城市
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更好的条件。更重要的是，GIS的小型化有利于环保，由于SF6气体是一种温室效应气体，被列为需全球管制使用的6种气体之一。因此如何减少电力设备中SF6气体的使用量是人们非常关心的问题。GIS的小型化可以减少SF6气体的用量，而且由于小型化GIS的密封部位和部件的数目比普通GIS要少得多，可以减少SF6气体的泄漏，所以小型化是目前减少SF6的排放，保护环境的一个比较好的解决方案。
总之，无论从经济角度，还是从安装的灵活性，亦或是从环保角度考虑，小型化都应该成为GIS发展的一个趋势。
2 实现小型化的主要途径
GIS的小型化不仅是简单地缩小尺寸，还包括合理地简化元件和布置，提高运行的可靠性。
实现小型化的途径主要有3个：
（1） 减少断路器的断口数。早期的SF6断路器单元断口电压水平为126kV，目前断路器制造技术发展很快，国外一些大的开关装置制造公司已经做到单元断口电压为550kV和800kV的水平。目前国内也有生产厂
家已经研制成功550kV单断口断路器。与双断口断路器相比，相同技术参数的单断口断路器的技术经济性能的提高十分可观。以国内生产的363（420）kV级SF6罐式断路器为例［2］，比较双断口断路器和单断口断路器（如图1所示），可以看出，无论是罐体长度、气室容积，还是质量，亦或是零部件数量，单断口断路器均优于双断口断路器。将单断口SF6断路器用于GIS中，可使结构布置简化，占地面积和零部件数大为减少，从而实现GIS的小型化。以2组主接线及技术参数完全相同，分别使用单断口SF6罐式断路器和双断口SF6罐式断路器的双母线典型间隔作比较，前者的体积仅为后者的56%。
图1 某363（420）kV双断口断路器与单断口断路器比较
1-罐体长度；2-气室容积；3-质量；4-零部件数量
（2） 三相共筒化。三相共筒化结构与分相布置结构相比，一般可减少占地面积的40%以上，还可以节省材料、减少密封部位和部件数目，减少SF6气体的泄漏，提高产品的可靠性 能。此外，还可以减少外壳涡流损耗和现场安装维修工作量。
目前日本的产品已经做到363kV GIS全三相共筒式结构和550kV GIS母线三相共筒式结构，同时正在探索发展550kV全三相共筒式GIS。世界各大开关设备制造公司都在发展三相共筒化结构。170kV以下的电压等级的GIS产品几乎全是三相共筒化结构。
（3） 采用小型元件。采用小型元件替代传统GIS中的元件可以使GIS内布置更为紧凑，大大减小GIS的体积，实现GIS的小型化。
例如，日本三菱公司开发了一种GIS用新型氧化物避雷器［3］，它采用一种新型的ZnO阀片，通过用新的添加剂减小ZnO颗粒的大小。图2所示为该ZnO阀片与常规ZnO阀片的伏安特性的比较，可以看出，在厚度相同的情况下，新型阀片耐受电压约为常规阀片的2倍，从而使串联阀片数减半。该新型避雷器的体积为传统避雷器体积的40%～60%，更重要的是使避雷器的残压下降，从而使被保护设备的雷电冲击耐受水平（LIWL）下降，减小GIS的绝缘尺寸，实现GIS的进一步小型化。此外，日本日立公司也将一种使用高电位梯度（400V/mm）阀片的ZnO避雷器用于GIS中［4］，降低了被保护设备的LIWL，减小了GIS的尺寸。图3所示为安装常规阀片和安装高电位梯度阀片的22kV GIS内部避雷器的结构比较，从图中可以看出，新式避雷器的高度仅为传统避雷器的53.2%。图4所示为安装常规避雷器和安装新型避雷器的66～77kV GIS结构比较，可以看出，安装新型避雷器的GIS体积明显减小，布置更加紧凑。
又如，采用光电式电压/电流传感器替代传统电磁式互感器。在GIS中可以使用基于Faraday效应的光电式电流传感器(OCT)和基于Pockels效应的电压传感器(OPT)。它们的体积比传统电磁式互感器小得多，可以消除测量时的电磁干扰，而且光纤绝缘可靠性好。光电式传感器的输出稳定性很好，其输出特性曲线如图5所示［5］。从图中可以看出光电式传感器的输出变化率在±1%以内。OPT的安装空间只相当于传统电压互感器的1/3，OCT的安装空间则只有传统电流互感器的1/24。因此，使用光电式传感器是实现GIS小型化的途径之一。
图2 新型ZnO阀片与常规ZnO阀片的伏安特性比较（厚度相同）
1-新型ZnO阀片；2-常规ZnO阀片
图3 22kV GIS内部避雷器的结构比较
(a)常规ZnO阀片；(b)新型ZnO阀片
图4 采用不同类型避雷器的66～77kVGIS结构比较
(a)常规避雷器；(b)新型避雷器
图5 光电式传感器输出特性曲线
（a）光电式电流传感器（I＝1200A）；（b）光电式电压传感器
3 GIS的智能化
GIS的智能化主要指的是二次监控系统的智能化。传统GIS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。GIS的维护也因产品的运行状况不明而只能采用传统方式。采用二次监控智能化系统可以解决以上问题。
二次监控智能化系统主要包括［6］：①电压电流传感器；②断路器执行机构；③气体密度测量传感器；④隔离开关和接地开关执行机构；⑤其他物理现象传感器，如电弧、局放、温度和长度变化等。
与传统GIS二次监控方式相比，智能化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。近年来，Rogowski线圈被用作电流传感器。它是空心环状线圈，在测量范围内没有磁饱和问题，测量电流范围宽，频带响应范围宽，信号无畸变，结构简单，体积较传统电流互感器小得多。
（2） 采用微机数据处理系统处理数据。微机数据处理系统安装在GIS内部，体积较小，但是功能非常强大，可以对采集所得的数据进行A/D转换、算术和逻辑运算以及记录等操作，实时性好，准确可靠。
（3） 按状态维修。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，决定是否需要检修，从而可以最大限度地减少GIS维护工作量，提高GIS的寿命。
目前监控系统主要可以完成对GIS的绝缘性能、机械性能和电气性能等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。
4 户外紧凑型组合式开关设备
户外紧凑型组合式开关设备与GIS的主要区别是采用高度集成化的高压元件，可以做成模块，既有SF6气体绝缘模块，又有空气绝缘模块。
这类开关设备的主要优点是：
（1） 相对敞开式开关设备而言，可以大大节省占地面积，有时可使占地面积降至60%。
（2） 与GIS相比，大大节省费用。户外紧凑型组合式开关设备的发展趋势也是小型化和智能化。目前这类产品的代表主要是ABB公司生产的插接式开关系统（PASS）。
本文主要以PASS为例介绍户外紧凑型组合式开关设备。ABB公司开发的插接式开关系统（plug and switch system，PASS）具有金属外壳，内装有断路器、隔离开关、接地开关和电压/电流传感器。绝缘介质为SF6气体，其结构如图6所示［7］。
图6 PASS系统结构图
1-组合式电压/电流传感器；2-断路器；3-组合式隔离开关/接地开关；
4-间隔控制单元；5-主保护；6-后备保护；7-光纤母线
PASS的主要特点包括：
（1） 采用了先进的组合式电压/电流传感器技术和组合式隔离开关/接地开关技术，使设备更加紧凑，体积更加小型化。
（2） 在测量、控制、保护系统中，采用了计算机技术、数字化技术、光纤通信技术，支持数字式继电器，继电保护系统引入了微机处理和分段监控保护，实现了二次监控系统的智能化。
（3） 采用了预安装技术，整套设备在出厂前安装、调试完毕。设备运抵现场后，一个PASS间隔在数小时内即可安装完毕，实现了“即插即用”的功能。
（4） 每一PASS间隔配置一台就地控制柜，内设控制及保护单元，即将二次技术集成化。
相同技术参数的PASS和GIS相比，PASS使用SF6气体的量要少于GIS，因此，从环保的角度 上讲，PASS比GIS更具有优越性。
图7［7］对PASS间隔与传统敞开式变电站的接线进行了比较。可以看出，PASS在间隔的线路侧省去了一组隔离开关和接地开关。这是因为，线路侧的隔离开关和接地开关主要是为了检修而安装的，由于PASS间隔安全可靠，长期工作稳定性是传统敞开式变电站的5～10倍。因此可以省去线路侧的隔离开关和接地开关。
图7 PASS间隔与传统敞开式变电站接线比较
（a）PASS间隔；（b）传统敞开式变电站
目前PASS被广泛地应用于变电站的新建、改造和扩建工程。国外许多大的制造公司对户外紧凑型开关设备非常重视，相继开发出很多产品，如日本三菱公司生产的MITS，ABB公司的CAIS和COMPACT等，目前正在向着更加小型化和智能化的方向努力。
5 结束语
GIS和户外紧凑型组合式开关设备的未来发展趋势主要是小型化和智能化。户外紧凑型组合式开关设备具有可靠性高，方便灵活的特点，将是未来新建、改造和扩建变电站的首选。总之，未来的SF6气体绝缘开关装置的发展将更加重视环保问题，减少SF6气体的使用和泄漏率，在二次监控系统中采用高新技术，提高装置的灵活性和适应性，加快小型化和智能化的进程。
6 参考文献
［1］ 邱毓昌. GIS装置及其绝缘技术. 北京：水利电力出版社，1994.
［2］ 侯平印，江洪. GIS小型化探讨. 西安高压电器技术, 2002, (4):1～5.
［3］ Shichimiya, S. et al. Development of advanced arresters for GIS with new zinc-oxide elements. IEEE Trans. on Power Delivery, 1998，13(2)：465～472.
［4］ Shirakawa，S.et al. Application of high gradient zinc oxide element to SF6 gas insulated surge arresters for 22kV-765kV power system. IEEE Trans. on Power Delivery, 1999，14(2)：419～424.
［5］ Kobayashi, S. et al. Development and field test evaluation of optical current and voltage transformers for gas insulated switchgear. IEEE Trans. on PowerDelivery, 1992，7(2)：815～821.
［6］ Engler F., Jaussi A. W. Intelligent Substation automation-monitoring and diagnostics in HV switchgear. ABB Review,1998，(3)：19～26.
［7］ Hgg P., Füchsle D.,Kara A. Pass for retrofitting, extending and constructing new high-voltage substations. ABB Review,1998，(6)：12～20.
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