氣體絕緣全封閉組合電器智能化的幾個關鍵問題探討

郭樂

(江蘇西電南自智能電力設備有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引言

2009年以來，隨著智能電網建設工作的逐步展開，氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)的智能化作為智能變電站的一個重要方面得到了越來越多的關注。根據國家電網公司的相關標準，智能GIS由GIS本體和智能組件組成，是具有測量數字化、控制網絡化、狀態可視化、功能一體化、信息互動化特征的高壓設備。其中，智能組件由若干智能電子裝置集合組成，承擔宿主設備的測量、控制和監測等基本功能。在滿足相關標準要求時，智能組件還可承擔相關計量、保護等功能，其中包括測量、控制、狀態監測、計量、保護等全部或部分裝置。智能GIS既包括為完成基本功能而作的智能感知、判斷和執行，也包括反映GIS運行情況的在線監測和狀態評估。

GIS的智能化是一個跨學科的綜合課題，知識點眾多且相對零散。智能GIS不再僅僅是一個設備，而更應該看作是具有眾多功能和豐富通信接口的系統，一個與變電站自動化系統、狀態監測系統交互的綜合系統。本文總結了過去幾年的工程實施經驗，以實用化為出發點，對GIS智能化的幾個關鍵問題進行了分析并提出了建議。

1 智能操控回路

在傳統變電站中，GIS機構操作回路和操作箱的控制回路分別由一次、二次回路廠家設計，存在回路重復設計的現象。一方面容易產生寄生回路，帶來隱患;另一方面會造成浪費，導致成本上升。在智能變電站系統中，開關智能終端的就地化使得操控回路的一體化設計成為可能，并帶來以下幾方面的好處。

(1)防跳回路的簡化設計。傳統變電站中，防跳回路分為2類:操作箱內的防跳回路和就地操作機構內的防跳回路。前者合閘啟動，側重于防止開關機械故障引起的反復分合;后者跳閘啟動，側重于防止電氣故障引起的反復分合。這兩者如果配合不好，就會產生沖突，甚至不能完成基本的合、跳閘操作［1］。

智能GIS設計時，考慮在開關智能終端的防跳回路的基礎上加入機械故障防跳機制，防跳回路在印制板上實現，接線更簡單，占用空間更小;同時，經典的回路設計保證了防跳功能動作的可靠性，提高了一次設備的集成化程度和智能化程度。一體化的防跳回路如圖1所示。

圖1 一體化的防跳回路

圖1中:TBJV為防跳繼電器，可由分閘回路啟動，發揮電氣防跳的作用，也可由合閘回路+斷路器常開接點(圖中的DL)啟動，發揮機械防跳的作用。

(2)減少斷路器、刀閘的位置輔助結點。在傳統GIS回路中，由于眾多二次設備分別從機構讀取位置結點信息，要求輔助結點數目眾多(甚至超過20副)，導致電氣接線復雜。在智能GIS中，由開關智能終端統一采集位置結點信息并通過GOOSE服務轉發給各二次設備，大大減少了輔助結點的數量。

(3)斷路器總位置信號、三相不一致信號都可以在開關智能終端內部通過軟件邏輯實現，不需要額外的繼電器串、并聯合成回路。

(4)取消電氣聯閉鎖的硬件回路。電氣二次聯閉鎖回路是一種現場電氣聯鎖技術，主要通過GIS設備的輔助接點連接來實現閉鎖。這是電氣閉鎖最基本的形式，需要接進大量的二次電纜，接線方式較為復雜，在運行中存在輔助接點工作不可靠、戶外電磁鎖機構易損壞等難題;同時，其防誤功能隨二次接線而定，不易修改。

引入開關智能終端之后，電氣聯閉鎖工作可以由開關智能終端通過軟件邏輯完成。軟件運行穩定，不會出現功能改變或性能下降的現象;同時，開關智能終端預留了可編程邏輯功能，用戶可根據實際情況修改聯閉鎖邏輯，減少對廠家的依賴。

2 在線監測

設備檢修方式大致可分為故障檢修、定期檢修和狀態在線監測3種類型。目前，國內、外通常采用定期檢修(TBM):在預定的檢修時間，按照規程實行的檢修。即在發生故障、功能明顯劣化之前進行檢修，以預防故障的發生。相比定期檢修，狀態在線監測可以帶來以下3方面的好處:

(1)在線監測不需要停電即可對設備進行檢查，一方面減少了電力公司的工作量，避免過度檢修，另一方面可提高供電可靠性，增加用戶滿意度。

(2)定期巡檢時，試驗手段不能完全反映運行情況，比如試驗電壓往往達不到運行時的電壓等級，導致一些潛伏性故障不能被發現。

(3)定期巡檢有個周期，有的故障不會在該周期內出現，不能及時發現，存在檢修不足的問題。在線監測是每時每刻都對設備進行監視，可在最短的時間內發現事故隱患。

隨著GIS用量的迅速增加和運行年限的增長，目前國內GIS的故障率也明顯提高，已遠遠高出了IEC所建議的GIS事故率不超過0.1間隔/(百臺·年)的要求［2］，主要運行問題集中在內絕緣、氣密性、操作機構幾個方面［3］。因此，GIS在線監測的實施迫在眉睫，但考慮到經濟性、技術成熟度等因素，可以著重開展以下幾方面的工作。

2.1 GIS局部放電監測

根據CIGRE 23.10工作組的國際調查報告，1985年以后投運的GIS出現的247次故障中絕緣故障占51%［4］。2002年我國發生的5起GIS事故均為絕緣事故。因此，對GIS絕緣的監測變得尤為重要，局部放電監測則是一個非常有效的手段。制造、安裝過程產生的金屬顆粒、自由粒子會引發局部放電，可通過局部放電在線監測盡早發現問題，防止缺陷進一步發展進而導致絕緣擊穿。因此，GIS的局部放電監測逐漸成為絕緣監測的一個重要手段。根據監測原理的不同，局部放電監測可分為脈沖電流法、超聲波法和特高頻法(UHF)等。UHF法利用GIS局部放電輻射出的特高頻電磁波(0.3～1.5 GHz)進行局部放電監測，具有如下優點:

(1)UHF范圍的信號避開了外部電暈等干擾信號的影響，手機等窄帶通信信號也可以通過軟件濾除，因此抗干擾能力強。

(2)UHF信號的頻譜特征可以反映故障類型。

(3)根據UHF信號的衰減和相位特征，可以進行故障定位。

(4)UHF傳感器檢測靈敏度高、檢測范圍大、檢測點少，適用于在線監測系統。

根據安裝位置的不同，UHF傳感器分為內置式和外置式2種。對于新建變電站，建議采用內置安裝方式，目前比較成熟的解決方案是圓盤形傳感器。對于運行中的GIS設備，建議采用外置式傳感器，安裝在盆式絕緣子附近，以接收局部放電UHF信號。由反映設備故障率的“浴盆曲線”可知，給即將到達使用年限的GIS安裝外置式傳感器，可有效延長其工作壽命(無論是采用離線式手段還是在線式手段)，具有明顯的經濟效益。

2.2 斷路器機械故障在線監測

在開關類設備中，開斷、關合故障占開關類設備故障的43.3%，表現為拒分、開斷與關合、誤動、拒合［5］。因此，對GIS斷路器的機械特性進行監測，可及時發現缺陷，避免操作事故。

(1)通過霍爾傳感器可對分、合閘電流進行監測，可獲取電磁鐵本身以及所控制傳動機構的工作情況，及時報告卡滯等異常現象。

(2)對儲能電動機電流進行監測，可了解儲能機構的工作情況。

(3)適當的分、合閘速度有益于保證斷路器的滅弧性能和工作壽命，因此，對動觸頭行程、速度的監測也是非常必要的，建議采用旋轉光編碼傳感器。

2.3 電壽命監測

通過電壽命監測了解滅弧室燒蝕程度，是斷路器實現按運行狀態進行維護的重要手段。通過采集電流互感器信號和開關位置結點信息，得到開斷電流值進行加權計算，進而通過分析軟件獲取滅弧室觸頭的電磨損程度。

傳統電磁式電流互感器由于存在鐵磁飽和現象，開斷、關合電流往往不能準確得到，不滿足電壽命監測的要求。電子式互感器暫態特性好，不存在鐵磁飽和現象，盡管存在采樣回路的數字飽和(削頂)現象，但可通過軟件算法將完整的電流進行還原。還原信號盡管與真實信號有一定的誤差，但不影響電磨損的判斷。

SF6氣體密度壓力監測比較成熟，只需要提供必要的接口方式就可以適應智能變電站的需要，故本文不再贅述。

考慮到經濟性、工程實施的便利性等因素，建議采用一體化的監測功能組主IED解決方案。該設備提供光纖、RS485、DC電流等各種接口，用以接收各種傳感器的輸入信號，包括SF6密度監測、SF6微水監測、避雷器監測、斷路器機械特性監測等。智能電子設備(IED)具有接入變電站狀態監測系統后臺的光纖以太網接口，依據IEC 61850標準，以報告服務的形式上傳預警、告警信息，以文件服務的形式上傳數據。

3 電子式互感器的應用

對于電子式互感器的優點，很多文章都有介紹，本文不再敘述。

進入2000年以后，國內電子式互感器的應用逐漸展開，取得了一定的工程應用經驗，但同時也暴露出了不少問題(尤其是在GIS場合)。

(1)試驗手段的問題。GB/T 20840.7—2007《互感器 第7部分:電子式電壓互感器》和GB/T 20840.8—2007《互感器 第8部分:電子式電流互感器》規定的試驗項目主要著眼于傳統互感器需要的一次試驗，比如工頻耐壓、局部放電等，而對電子式互感器的二次采樣回路的試驗項目提及不多。而常規的二次設備的電磁兼容試驗又不能完全滿足要求，比如GIS隔離刀閘操作引起的快速暫態過電壓(VFTO)現象。因此，需要盡快完善試驗手段。

(2)與繼電保護裝置的分工和配合問題。在智能變電站中，由于電子式互感器和開關智能終端的應用，繼電保護裝置本身只完成算法邏輯功能，但是作為維護電網安全運行的一道防線，繼電保護功能不能弱化，包括電子式互感器和開關智能終端都應該看作是繼電保護功能的一個環節。電子式互感器應該參與傳統繼電保護裝置的入網試驗，并且“門檻”不應該低于繼電保護裝置。

(3)計量功能。目前的電能表的檢驗、校驗規程都是根據常規互感器制訂的，與電子式互感器不兼容。由于牽扯到計費和法律問題，檢驗、校驗規程的修訂也不是一朝一夕能夠完成的，導致智能變電站中的數字接口電能表不能用于計量，僅作為電力公司內部參考比對使用，而一些關鍵線路需要配置冗余的傳統互感器用于關口計量。因此，電子式互感器最終能否成功應用，取決于相關計量規程能否早日修訂。

(4)合并單元的定位。按照 GB/T 20840.8—2007《互感器 第8部分:電子式電流互感器》的規定，合并單元(MU)是電子式互感器的一部分，但很多項目招標時，把合并單元和互感器分開招標。由于合并單元和采集模塊的通信問題，增加了聯調工作的不確定性，人為加大了工程實施難度。因此，強烈建議將合并單元作為電子式互感器的一部分。

4 匯控柜方案

GIS的智能化伴隨著電子設備的就地化，這意味著傳統的匯控柜已經不滿足要求。一方面，需要提高柜體性能指標;另一方面，IED設備也需要進行優化，以滿足就地化的要求。

4.1 柜體性能

GIS的傳統匯控柜由模擬主接線、狀態指示器、控制開關、聯閉鎖回路等強電回路構成，元器件對防護等級和電磁兼容要求不高。而在智能變電站系統中，隨著智能組件甚至保護測控裝置的就地化，匯控柜需要在以下幾個方面進行改進。

(1)全環境適應性。需要采取高防護等級柜體和完備的溫、濕度調節控制系統。戶內柜體的防護等級不低于IP54，戶外防護等級不低于IP65;溫度控制在－10～55℃并保證低溫時不凝露。

(2)完備的信息交互。安裝智能化的柜內環境監測、采集及控制系統，并接入柜內的智能組件，實現環境數據及控制信息的交互，進而實現工作環境及工作狀態的后臺可視化。

(3)為了提高溫、濕度控制系統的可靠性，同時體現綠色環保的理念，不能采用空調等高成本的實現手段，建議采用圖2所示的智能匯控柜。

4.2 優化方案

在傳統模式下，模擬主接線、開關把手、狀態顯示器占據了匯控柜的大部分空間。在智能GIS中，模擬主接線、狀態顯示器可在智能組件裝置液晶界面中實現;同時，可通過觸摸屏點擊方式對斷路器、刀閘等進行分、合控制，這樣可以給就地化的智能電子設備節省出更多的柜內空間。

圖2 智能匯控柜的散熱原理

5 結論

筆者依據過去幾年在GIS數字化、智能化方面的工作經驗，針對工程實踐的具體情況，對智能操控回路、在線監測、電子式互感器、匯控柜等熱點問題進行了闡述。

(1)一體化的智能操控回路可以提高GIS動作執行的可靠性、靈活性，同時節省系統成本。

(2)在線監測提高了GIS的智能感知能力，建議采用局部放電、機械特性、電觸頭壽命監測等項目，以提高GIS的可靠性，延長其壽命，進而降低全生命周期成本。

(3)需要對試驗手段、校驗規程等進行修訂，以適應電子式互感器工程化應用的需要。

(4)傳統的匯控柜需要進行改造，以適應GIS智能化的要求。

［1］兀鵬越.高壓斷路器防跳回路的應用及問題探討［J］.電力自動化設備，2010，30(10):106 －109.

［2］郭賢珊.高壓開關設備生產運行使用技術［M］.北京:中國電力出版社，2008.

［3］黎斌.論 GCB/GIS的可靠性設計(上)——對用戶期盼的回應［J］.高壓電器，2011，47(6):98－106.

［4］Ahraed Feroz，Dams Ahrmad Bin，Yusoff Zulkalnain，et a1.Defect Detection and Identification of Sources in GIS Based on Laboratory and On-site Experience［C］//Conference Record of the 1998 IEEE International Symposium.Arlington:IEEE，1998:73 －76.

［5］朱德恒，嚴璋.電氣設備狀態監測與故障診斷技術［M］.北京:中國電力出版社，2009.