[原创]：GIS智能化及PASS技术

sudan2008

摘要：PASS(Plug andSwitch System)是由金属外壳、气体绝缘、内装有断路器、隔离开关、接地开关、电压、电流传感器构成的全封闭组合电器。它采用了先进的组合式电压、电流传感器和组合式隔离开关，接地开关，在测量、控制、保护系统中，它采用了计算机技术，数字化技术，光纤通讯技术；在整套设备出厂前，采用了预安装。使设备更加紧凑，体积更加小型化，保护更加可靠，安装方便，实现了即插即用。　　　
关键词：变电站　GIS　PASS技术　应用

1 GIS的现状及发展动向

GIS是由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成的组合电器的简称，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体，故也称SF6全封闭组合电器。与常规变电站(AIS)相比，GIS具有如下优点：

1.1　结构紧凑。220kVGIS占地面积仅为AIS的10％，500kVGIS占地面积仅为AIS的5％，这一点在地皮昂贵的城镇和密集的负荷中心和山区水电站尤为重要。

1.2　不受污染及雨、盐雾等大气环境因素的影响，因此，GIS持别适合于工业污染和气候恶劣以及高海拔地区。

1.3　安装方便。GIS一般是以整体或若干单元组成，可大大缩短现场安装工期。

GIS设备自60年代实用化以来，到目前为止，世界上已有2 000台GIS在运行。实践证明，GIS运行安全可靠、配置灵活、环境适应能力强、检修周期长、安装方便。GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用，而且在特高压领域变电站也被使用，在我国，63～500kV电力系统中，GIS的应用已相当广泛。

GIS制造技术仍在不断进步和发展，30多年来，各GIS生产厂家围绕着提高经济性和可靠性这2个主要目标，在元件结构、组合形式、制造工艺以及使用和维护方面进行了大量研究、开发。随着大容量单压式SF6断路器的研制成功和氧化锌避雷器的应用，GIS的技术性能与参数已超过常规开关设备，并且使结构大大简化，可靠性大大提高，为GIS进一步小型化创造了十分有利的条件。

2GIS整体性能的提高有赖于各组件性能的提高

GIS是各高压电器的集合，通常采用积木式结构，断路器、隔离开关、接地开关、互感器等元件均可随意组合。其整体性能的提高还有赖于各组件性能的提高。分述如下：

2.1　断路器

　　断路器是GIS中最重要的设备之一，由于SF6气体具有优良的绝缘性能和灭弧性能，因而SF6气体绝缘断路器具有尺寸小、重量轻、开断容量大、维护工作量小等优点。目前SF6断路器最高工作电压已达765kV，开断电流已达80kA，额定电流已达12kA。SF6断路器应用在高压、超高压领域的同时，也在向中压10～35kV级发展，除了采用压气式灭弧室外，还出现了采用旋弧式和自能吹弧式灭弧室的新型SF6断路器。SF6和真空灭弧技术的确立和发展，新型材料及多种触头形式(自动触头、多点触头等)的出现，使开关的开通和通流能力大大提高。灭弧结构中利用了电弧能量或开断电流产生的磁场，不仅降低了开关的机械应力，而且减小了灭弧结构的径向尺寸，成为当前的发展方向。灭弧方式的改进意味着操作能量的减少，机械性能的改善，外型尺寸更为紧凑，维护工作随之减少，工作更加安全可靠。断路器断口正在减少，300kV以下为单断口、500kV以下为双断口的现状有望在近几年内得到突破。在未来的几年里，特高压断路器有可能只有1个断口，从而只需很小的驱动能力。传统的瓷绝缘材料正被复合绝缘材料所取代，使得断路器重量更轻，结构更加简化。

2.2　隔离开关和接地开关

　　隔离开关主要用于电路无电流投入和切除，动触头一般由电力操作机构驱动的绝缘旋杆传动。为了适应不同的电气主接线和GIS结构布置的需要，隔离开关具有多种结构形式，从而保证了GIS整体设计时的灵活性。隔离开关未来的发展趋势是：随着断路器结构的进一步缩小，重量的进一步减轻，隔离开关和断路器有可能集成在一起。

2.3　电流互感器(CT)

　　长期以来，GIS一直采用电磁式电流互感器取得测量和保护信号，这种CT是按机电式继电器的要求设计的，需要较大的输入功率，功率损耗大，体大笨重；且受铁芯磁饱和影响，大大降低了互感器的测量精度，使用中不得不将测量信号和保护信号分开；高压电流互感器内部充油，如果密封不好，极易漏油，故障时容易发生爆炸等。

　　近年来出现的光电电流传感器(MOCT)无此缺点，且频率响应范围宽、精度高、不受电磁干扰等。MOCT是应用法拉第元件构成的电流传感器，它所检测的信号是被测电路的磁场而不是电流，来自光纤的自然光经过法拉第元件时会产生与交变磁场强度成正比的旋转光，经过光电二极管(O/E)变成电信号，经放大后输出。信号传输介质采用光纤。MOCT的优点是被测电流的范围很大，可从5A到4kA，测量精度为0?2级，且在100kA以下输出电流的波形不失真，因而也可以记录故障电流。MOCT的另一重大优点是工作安全可靠，不像CT有二次侧开路出现高压和铁磁谐振问题。和CT不同的是MOCT的输出是电压信号而不是电流信号。这种类型的传感器在市面已有产品出售，可用于123～420kV电压等级，并已有成功的运行经验。

2.4　电压互感器(PT)

GIS中的PT分为电容分压式和电磁式2种，因电磁式高电压PT在制造上有困难，300kV以上的PT一般采用电容式，300kV及以下的PT一般才采用电磁式。无论哪种形式，和CT一样，也都存在易饱和、易渗油、易爆炸、精度低、体大笨重等缺陷。

EOVT是近年来新出现的有望取代传统PT的光电传感器，EOVT是根据泡克尔斯(Pockels)效应的原理工作的，整个装置由3个部分构成：承受被测电压的光学晶体、光学元件(包括发光二极管)、光电二极管和光纤、电子组件(模拟与数字处理单元和数模转换器)。EOVT的晶体装在充有SF6气体的金属筒中。由于泡克尔斯元件(晶体)光的双折射率随电场强度而变化，因此可以根据光电二极管的输出电压来确定施加于晶体上的电场强度亦即电压的大小。美国纽约电力局早在1996年就将这种EOVT安装在一个345kV变电站中试运行。

此外，也有将电压、电流传感器做在一起，构成电流/电压传感器并已用于AIS产品中。

2.5　监测与自诊断

因GIS的全部元件都密封在一个金属壳中，为防止内部故障的发生，随时掌握设备的运行工况，发现设备的故障隐患，有效的检测手段是必不可少的，目前所采用的检测手段主要有：

2.5.1X射线照相：采用X射线可以从外部探测GIS状态，如触头烧损、螺丝松动等。

2.5.2　光学检测法：利用安装在GIS内部的光学传感器来检测GIS内部故障电弧。

2.5.3　红外定位技术：红外热敏成像装置可用于GIS内部电弧故障定位和故障点定位。该装置主要包括红外热敏镜头、磁带录象机和触发电子元件等。

2.5.4　电磁技术：GIS内处于悬浮电位元件、固体绝缘中的气泡、自由导电杂质和局部电场畸变等均会引起局部放电，在隔离开关操作和GIS相对地闪络时还会产生陡波头暂态过电压，根据这些电磁现象可以进行局部放电的检测和定位。

2.5.5　化学检测法：GIS内部闪络会导致SF6气体分解。在现场常用化学测试管来检测SF6生成物的成分，用以判断GIS内部是否存在放电。

　　近年来，随着传感器技术的飞速发展，新型传感器的不断推出，GIS使用了更多的传感器作为其内部状态监测，而用微计算机技术来处理获得的信息。    东芝公司研制的智能GIS监测系统的构成，它主要包括了下列性能的检测：

(1)绝缘性能监视诊断：应用了电晕传感器、压力传感器、气体传感器、温度传感器、漏电流传感器。

(2)导电性能的检测：应用了温度传感器、光纤温度计。

(3)机械方面的检测：应用了开、闭传感器。

在线检测技术和自我诊断技术的引入将打破传统的高压电器大小修计划模式，可以根据诊断结果安排更合理、更科学的检修计划，可将事故消灭在萌芽状态，从而缩短GIS的检修时间，提高设备的利用率和可靠性。

3PASS技术

　　伴随着计算机技术、传感器技术、数字化技术的不断发展，智能化GIS高压变电站——PASS技术，最近几年得到迅速的推广和应用，介绍如下：

3.1PASS的概念

PASS是具有金属外壳的、气体绝缘的、内装有断路器、隔离开关、接地开关、电压/电流传感器的全封闭组合电器。PASS反映了GIS制造技术的最新成果。其主要特点概括如下：

3.1.1　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。

3.1.2　在测量、控制、保护系统中，采用了计算机技术，数字化技术，光纤通讯技术，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。

3.1.3　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间隔在数小时之内即可安装完毕，实现了“即插即用”功能。

3.1.4　每一PASS间隔配置1台就地控制柜，内设控制及保护单元，即将二次技术集成化。

PASS在充分考虑了满足不同的变电站主接线布置方案的前提下，选用了尽可能少的部件组合而成，除了绝缘套管之外，整套装置安装完毕后才运抵现场。

PASS中使用的断路器、隔离开关、接地开关等均采用了成熟的GIS技术，绝缘子大部采用了新型的复合绝缘材料，环氧树脂浇注的玻璃纤维管确保了绝缘子的机械强度，而采用硅橡胶浇铸的绝缘子裙边则增加了爬距，提高了抗电性能。

3.2　电压电流的测量

　　在PASS中，常规的电压、电流互感器已被新一代组合电压/电流传感器取代，采用罗柯夫斯基(Rogowiski)电流传感器技术来测量电流，其很宽的线性特性，保证了在所测量或保护的电流范围内不会出现饱和。电压的测量采用的是具有金属外壳封装的电容分压器，很好地避免了铁磁谐振。

　　检测到的电压、电流信号由PASS自身进行处理，先由传感器和执行器的处理器接口PISA(Process Interface for Sensors and Actuators)将模拟信号数字化后经光纤通讯母线以串行方式传输到就地的间隔控制柜中的智能控制和保护单元。传感器安装在断路器的出口处，这样既可以满足继电保护系统和计量表计的需要，也可以用于其他的目的。如有必要，也可以在断路器的母线侧安装额外的传感器。

3.3　控制、保护和监测

PASS采用了如下技术：

3.3.1　所有测量、保护信号经PISA预处理后经串行光纤总线送至间隔控制柜。

3.3.2　面向间隔的控制、保护、测量功能的装置设在就地控制柜内。

3.3.3　间隔与间隔之间、间隔与变电站之间的通讯也采用串行通讯光纤总线。

3.3.4PASS支持保护用的数字继电器，也兼顾了传统的机电式继电器，若使用后者，需另行安装电磁式互感器。

PASS的操作机构控制、气体绝缘强度的测量以及其他物理量的在线状态监测也可采用先进的传感器技术来实现，例如设备自检、绝缘气体强度趋势分析、断路器状态(操作能量需求、触头位移、剩余寿命预测)等。

3.4　双母线结构的常规变电站(AIS)和PASS间隔的比较

　AIS和PASS间隔的单线图，PASS技术和常规AIS模式，两者的差别就在于PASS在间隔的线路侧省去一组隔离开关和接地开关。在常规的AIS中，线路侧的隔离开关主要用于当设备检修时隔离之用，在PASS中，因为PASS具有高度的可靠性，故可不用该隔离开关和接地开关。

　　采用PASS技术后，除了提高了变电站的整体技术水平外，由于整个变电站的占地面积大大减少，土地利用率大大提高，带来的益处是显而易见的：

3.4.1　由于PASS可采用管型母线布置，从而减小了相间距离，可大大缩短软母线。

3.4.2　可减小间隔的长度和宽度，由于绝缘子的数量减少，绝缘子闪络的危险大大降低；需用更少的钢构架和接地钢材，电缆沟的数量也随之减少。

4PASS的应用

4.1　用于高电压、大容量变电站的新建。由于PASS本身就是一个独立的间隔，通过不同的组合，可适用于双母线、接线、桥型接线、双母线加旁路等多种主接线方式。其中双母线旁路的主接线方式欧洲采用的比较多。

4.2　用于老式变电站的扩建，当需要将敞开式AIS变电站增容升压而空间不足时，采用PASS不失为可行的方案。

4.3　用于老式变电站主要高压电器更新换代。当需要更换同一间隔中的断路器、隔离开关、互感器时，可考虑用PASS取代整个间隔而不必一对一更新设备。

4.4　对于枢纽变电站大修而又不允许停电或不允许长期停电时，可临时安装PASS，大修完毕，再将PASS拆除，即将PASS作为一个移动变电站使用，当然，也可以将PASS作为大宗用户的临时电源。