电力地理信息系统的发展趋势

GIS是由断路器、隔离开关、接地开关、变压器、避雷器、母线、连接器和出线端子组成的组合电器的缩写。所有这些装置或元件都封装在一个金属接地外壳内,并充有一定压力的SF6绝缘气体,故又称为SF6全封闭组合电器。与常规变电站(AIS)相比,GIS具有以下优势:

1.1结构紧凑。220kVGIS所占面积仅为AIS的10%,500kVGIS所占面积仅为AIS的5%,这在土地昂贵、负荷中心密集、多山水电站的城镇尤为重要。

1.2不受污染、雨水、盐雾等大气环境因素的影响,因此GIS适用于工业污染、气候恶劣和高海拔地区。

1.3很容易安装。GIS一般由整体或几个单元组成,可以大大缩短现场安装的工期。

自2 0世纪60年代GIS设备投入实际应用以来,到目前为止,世界上已有2 000多台GIS投入运行。实践证明,GIS具有运行安全可靠、配置灵活、环境适应性强、维护周期长、安装方便等优点。GIS不仅广泛应用于高压和超高压领域,而且在超高压变电站中也得到了广泛应用。在我国,GIS已广泛应用于63 ~ 500 kV电力系统。

GIS的制造技术仍在进步和发展。30多年来,GIS厂商围绕提高经济性和可靠性这两个主要目标,在部件结构、组合形式、制造工艺、使用和维护等方面做了大量的研发工作。随着大容量单电压SF6断路器的研制成功和氧化锌避雷器的应用,GIS的技术性能和参数已经超过了常规开关柜,结构大大简化,可靠性大大提高,为GIS的进一步小型化创造了非常有利的条件。

2。GIS整体性能的提高依赖于各个组件性能的提高。

GIS是高压电器的集合,通常采用积木式结构。断路器、隔离开关、接地开关、变压器等元件可以任意组合。其整体性能的提升也有赖于各个部件性能的提升。细分如下:

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,SF6气体绝缘断路器具有体积小、重量轻、分断能力大、维护工作量小等优点。目前,SF6断路器最高工作电压达到765kV,开断电流达到80kA,额定电流达到12kA。SF6断路器应用于高压和超高压领域,也在向10 ~ 35kV中压等级发展。除了压缩空气灭弧室,还有使用旋转灭弧室和自吹式灭弧室的新型SF6断路器。SF6和真空灭弧技术的建立和发展,以及新材料和各种触头形式(自动触头、多点触头等)的出现。)大大提高了开关的开度和通流能力。灭弧结构利用电弧能量或分断电流产生的磁场,既降低了开关的机械应力,又减小了灭弧结构的径向尺寸,成为当前的发展方向。灭弧的改进意味着运行能量降低,机械性能提高,外形尺寸更加紧凑,维护工作量减少,工作更加安全可靠。断路器开断次数在减少,300kV以下单开断、500kV以下双开断的现状有望在近几年被打破。未来几年,UHV断路器可能只有1断口,所以只需要很小的驱动能力。传统的瓷绝缘材料正在被复合绝缘材料所取代,这使得断路器的重量更轻,结构更简单。

2.2隔离开关和接地隔离开关主要用于无电流输入和切除回路,动触头一般由电动操作机构驱动的绝缘旋转杆驱动。为了满足不同电气主接线和GIS结构布局的需要,隔离开关具有多种结构形式,从而保证了GIS总体设计的灵活性。隔离开关未来的发展趋势是,随着断路器结构和重量的进一步减小,隔离开关和断路器可能会集成在一起。

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来获取测量和保护信号。这种CT是按照机电式继电器的要求设计的,要求输入功率大,功率损耗大,体积笨重;并且由于铁芯磁饱和的影响,大大降低了变压器的测量精度,因此在使用时必须将测量信号和保护信号分开;高压电流互感器充满油。如果密封不好,失效时很容易漏油爆炸。

而近几年出现的光电式电流传感器(MOCT)则没有这些缺点,而且频率响应范围宽,精度高,不受电磁干扰。MOCT是一种由法拉第元件组成的电流传感器。它检测的信号是被测电路的磁场,而不是电流。当光纤发出的自然光通过法拉第元件时,会产生与交变磁场强度成正比的旋转光,通过光电二极管(O/E)转换成电信号,然后放大输出。

2.4电压互感器

GIS中的电压互感器分为两种:电容分压式和电磁式。由于电磁式高压PT制造难度大,300kV以上的PT一般采用电容式,300kV以下的PT一般采用电磁式。无论哪种形式,和CT一样,也有一些缺陷,比如易饱和、易漏油、易爆炸、精度低、体积大等等。

EOVT是近年来有望取代传统PT的新型光电传感器。EOVT根据普克尔斯效应原理工作。整个装置由三部分组成:光学晶体、光学元件(包括发光二极管)、光电二极管和光纤、电子元件(模拟和数字处理单元、数模转换器)。EOVT的晶体装在一个充有SF6气体的金属圆筒里。由于普克尔斯元件(晶体)光的双折射随电场强度而变化,所以可以根据光电二极管的输出电压来确定施加在晶体上的电场强度,即电压。早在1996,纽约电力局就在一个345kV变电站安装了这台EOVT进行试运行。

此外,将一些电压和电流传感器制作在一起,形成电流/电压传感器,该传感器已用于AIS产品中。

2.5监控和自诊断

由于GIS的所有部件都密封在一个金属外壳内,为了防止内部故障的发生,及时了解设备的运行状况,发现设备的隐患,有效的检测手段必不可少。目前采用的检测手段主要有:

2.5.1X射线照相:可以用X射线从外部检测GIS的状态,如触头烧损、螺钉松动等。

2.5.2光学检测法:安装在GIS内部的光学传感器用于检测GIS内部的故障电弧。

2.5.3红外定位技术:红外热像仪可用于GIS中的电弧故障定位和故障点定位。该装置主要包括红外热透镜、磁带录音机和触发电子元件。

2.5.4电磁技术:GIS中的悬浮电位元素、固体绝缘中的气泡、游离导电杂质、局部电场畸变都会引起局部放电,隔离开关操作、GIS相对闪络时也会产生陡波头暂态过电压。根据这些电磁现象,可以检测和定位局部放电。

2.5.5化学检测法:GIS内部闪络会导致SF6气体分解。现场经常使用化学试管检测SF6产品的成分,从而判断GIS中是否存在放电。

近年来,随着传感器技术的快速发展和新型传感器的不断推出,GIS使用更多的传感器作为其内部状态监测,并利用微机技术对获得的信息进行处理。日本东芝公司开发的智能GIS监控系统的组成主要包括以下性能测试:

(1)绝缘性能的监测与诊断:应用了电晕传感器、压力传感器、气体传感器、温度传感器、泄漏电流传感器。

(2)电导率的检测:采用温度传感器和光纤温度计。

(3)机械检测:采用开、关传感器。

在线检测技术和自诊断技术的引入,将打破高压电器检修计划的传统模式,根据诊断结果安排更加合理、科学的检修计划,把事故扼杀在萌芽状态,从而缩短GIS的检修时间,提高设备的利用率和可靠性。