1.1 课题背景及研究意义
封闭式的组合电器简称 GIS（gas insulated substation），它是把变电站内除了变压器以外的其他电器元件经过工程师优化设计后组合在一起并密封在金属外壳内的装置，设备内部填充入一定量纯净的具有优良绝缘性能的六氟化硫以保障设备内部的绝缘。GIS 能在电力系统中不断的普及推广，是由于其自身的许多优点，包括其具有的优良电器性能及环境保护效应。 第一，占地面积小。GIS 较敞开式变电站的占地面积大大减少，通常只有常规电站的 15%~35%。因为其采用绝缘性能优良的六氟化硫（SF6）为绝缘灭弧介质，所以能在设计的时候将结构安排的更加紧凑，大幅缩小变电站的体积及用地面积。 第二，安全性好。SF6气体化学结构稳定，属于不燃性气体，所以无火灾安全隐患。另外带电部分全部密封于接地的金属外壳内，大大降低了触电的危险。 第三，可靠性高。带点部分设备全密封在惰性气体 SF6 中，降低了外部环境因素对 GIS 内部运行情况的影响，同时也减小了 GIS 对外部环境产生的影响。GIS内部设备因其处在密封环境中的特殊运行环境，对静电和电磁干扰具有屏蔽效应，对环境产生的噪音污染也相对较小。最重要的是不会受到外界雨、雪、雾等环境因素影响。 第四，生产安装周期短。小型化的组合电器能在工厂车间进行装配和试验，然后再以单元的形式运到变电站现场，所以可以大大缩短生产安装时间。 第五，检修工作量小，维护周期长。由于设备密封在金属外壳内不受外部环境的影响，运行特性稳定，故障发生的较少，设备故障率只是敞开式变电站设备的 20%-40%[1]，大大降低了检修的工作量，同时延长了维护周期。 组合电器具有运行安全性好、可靠性高、环境影响小、结构紧凑、维护量小、占地面积小、污染小等优点。将 GIS 投入电力系统运行当中不仅可以大大提高电力系统的安全性能，而且占地面积小的优点对我国节约土地的国策也是非常有利的，大幅减少我国在变电站建设中投入的土地面积。在工业密集区及大城市的中心变电站、重污秽区、高海拔及地震多发区、超高压输电等特殊条件下应用具有非常大的优势。我们可以预计，随着组合电器相关技术及配套理论的不断完善，GIS 的稳定性会进一步提升，制造成本会进一步下降，将会被输变电领域广泛采用。随着未来组合电器的大量应用，电力系统的不断发展，也将产生一系列新的问题，所以对组合电器运行特性研究就会非常重要。
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1.2 组合电器国内外发展现状
组合电器在 20 世纪 60 年代中期推向市场，1965 年全世界首套组合电器在美国投入使用后，逐步在全世界各地得到了广泛的应用。GIS 之所以会拥有卓越的绝缘性能，主要取决于其采用的绝缘介质六氟化硫。在 SF6气体诞生到现在的百余年间，这种气体优异的性能就在科研人员的不断努力下逐渐被发现，并在许多高压电器设备中被频繁的使用，逐步取代了传统绝缘油及固体绝缘介质。 两位法国的化学家 P.Lebean 和 H.Moissan 通过让氟和硫反应得到了六氟化硫气体[2]。美国在 1953 年首次生产出双压式六氟化硫断路器。德国于二十世纪六十年代，西门子公司研发并生产出 220k V4 断口的六氟化硫断路器。20 世纪 70年代以后，六氟化硫断路器的发展速度进一步加快，根据不同的灭弧方式可以分为三个基本阶段[3]。 第一阶段是 1969 年到 1971 期间，双压式断路器得到了很大的发展。 第二阶段是二十世纪七十年代到八十年代，单压式六氟化硫断路器逐渐取代了双压式断路器成为了研发的主流方向。在之后的二十年间，断路器的发展趋势走向单断口式、高压化及大容量化。 第三阶段是 20 世纪末期到现在，自膨胀式断路器及装配有弹簧操动机构的自能式六氟化硫断路器成为发展主流。 随着 SF6断路器技术的不断完善，设备体积不断变小，可靠性逐步加强。GIS正朝着复合化、智能化、小型化、超高压大容量化方向发展。
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第二章 组合电器结构及其工作原理
2.1 高压组合电器的类型
高压组合电器一句电力系统开关设备招投标通用技术规范可以大致分为两类。其中一种为气体绝缘的金属封闭式开关设备（GIS），另一种是复合式高压组合电器（HGIS）。气体绝缘式金属开关设备是以罐式断路器为核心元件，将罐式电流互感器、避雷器、管道封闭母线、电压互感器、接地开关、隔离开关等电器设备经过优化设计集成到一起而形成的高压组合电器。GIS 组合电器的断路器一般都是选用的六氟化硫断路器，将各个设备封闭的金属外壳内部填充一定量的六佛化硫气体，所以 GIS 在早期也被称为六氟化硫全封闭式高压组合电器。在 20 摄氏度的温度下断路器内的额定压力为 0.6MPa，除断路器外的气室压力应为 0.4 MPa[7]。 组合电器将变电站内除变压器外所有的一次设备元件全部封装在具有一定压力六氟化硫气体的金属外壳内。并且可以根据工程设计要求，将变电站的各种功能元件组成为相应的功能间隔，如进出线间隔、避雷器保护间隔、变压器间隔、母联间隔等。还可以按照一次接线图的布置，任意设置变电站内的接线形式，如单母线接线、双母线接线、桥式接线、一个半接线及断路器-变压器接线等。
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2.2 GIS 的特点及优势
GIS 易于检修维护，使用周期内的检修费用被大幅缩减。绝大多数的组合电器产品都要求在使用周期内免于维护或者少维护，一般情况下其使用寿命可长达30 年。由于组合电器的带电元件封装在六氟化硫气体当中，能有效排除外部环境因素对设备造成的干扰和影响，在重污染、高海拔、高层建筑物内部或地下室展现出敞开式变电站设备无法具有的优势。带电元器件被密封于金属外壳内，对电磁感应和静电感应实现屏蔽，有效减小噪音，增强了设备内部的抗无线电干扰能力，而且由于外壳接地良好，无触点危险。SF6为化学性质稳定不可燃气体，故不需要考虑火灾隐患。
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第三章 组合电器运行特性研究 ........... 25
3.1 六氟化硫气体的绝缘特性....... 25
3.1.1 六氟化硫放电分解机理 ....... 26
3.1.2 放电故障类型 ......... 27
3.1.3 组合电器绝缘缺陷 ........ 28
3.1.4 绝缘缺陷预防 ......... 29
3.1.5 放电故障类型与放电特征气体的关系 ........... 29
3.1.6 组合电器中六氟化硫泄露故障及其防范措施 ...... 33
3.2 组合电器交流耐压试验 ........... 35
3.2.1 串联谐振电路原理 ........ 35
3.2.2 组合电器交流耐压试验条件 ..... 36
3.2.3 组合电器的交流耐压试验 .......... 36
3.3 GIS 内部特快速暂态过电压分析 ......... 38
3.4 本章小结 ...... 39
第四章 总结 ....... 40
第三章 组合电器运行特性研究
组合电器变电站在绝缘特性上相比于敞开式变电站具有巨大的优势，可以通过高压电器安全距离明显的反映出来。敞开式变电站中 10k V 的安全距离为 0.35米；35k V 的安全距离为 0.6 米；110k V 的安全距离为 1.5 米；220k V 的安全距离为 3.0 米；500k V 的安全距离为 5 米。而不同电压等级的组合电器变电站中封闭在 SF6气体中的带电设备都可以保证外壳与金属外壳的良好绝缘，运行人员可以零距离查看设备。组合电器在绝缘性能上的优越性主要是源于 SF6气体绝缘介质，敞开式变电站与外界的绝缘介质只是空气介质，SF6气体比空气有更好的绝缘性能。接下来将重点研究组合电器中的 SF6气体绝缘介质的特性。
3.1 六氟化硫气体的绝缘特性
六氟化硫拥有优异的绝缘性能，在均匀的电场当中，六氟化硫介质的绝缘强度大致为空气的 2.5 倍左右。当六氟化硫气体的压力达到 0.2MPa 时，其绝缘强度已经相当于绝缘油的强度。六氟化硫独特的分子结构决定其拥有拥有良好的绝缘性。 组成六氟化硫的氟原子具有很强的电负性（电负性是指很容易吸附电子而形成负离子）。六氟化硫分子中的六个氟原子紧紧的围绕着硫原子，所以六氟化硫也具有极强的电负性，特别容易吸附自由电子。在六氟化硫气体中，自由电子的碰撞游离能力很弱，而且六氟化硫吸附电子后形成的负离子又极易与正离子结合形成不带电的中性分子，因此 SF6气体有很强的绝缘强度。在交流电压额定频率到通信频率的范围内，六氟化硫气体的绝缘强度基本保持不变。GIS 金属管中充满了六氟化硫气体作为绝缘，其中断路器内气体压力为 0.6MPa，除此之外的气室内的气体压力一般为0.4MPa（也有少数生产厂家将非六氟化硫气室的压力也充气至 0.6MPa）。各气室之间连接处通过盆式绝缘子隔离开，保证各气室的气体不互相流通，防止气体之间互相污染。在隔离位置的连接处金属外壳上有红色线条表示气室隔离。
总结
组合电器采用绝缘性能优异六氟化硫气体作为绝缘介质，使其拥有结构紧凑、占地面积小的优点，可以有效缓解土地资源日益紧张的问题，在我国大型城市及一些特殊的企业得到了广泛的引用。组合电器运行稳定，维护工作量小的特点则大大提高了电力系统运行的安全稳定性。 本文首先介绍了
