中壓充氣柜及其發(fā)展

西安高壓電器研究院 李建基

柜式氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備國外稱C-GIS，我國俗稱充氣柜。所謂充氣柜(C-GIS)，是將高壓元件諸如母線、斷路器、隔離開關(guān)、互感器、電力電纜等封閉在充有低壓壓力（一般0.02—0.05MPa）氣體的殼體內(nèi)。

一、氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的優(yōu)勢

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(充氣柜)是將高壓元件，如母線、斷路器、隔離開關(guān)、互感器、電力電纜等密封在充有較低壓力（一般0.02—0.05MPa）氣體的殼體內(nèi)。它有如下的優(yōu)點：一是利用SF6氣體絕緣，大大縮小了充氣柜的體積及占地面積，有利于向小型化發(fā)展；二是因為高壓元件封閉在充SF6氣體或者其他氣體的殼體內(nèi)，故不受外界環(huán)境的影響；三是配用了免維護的真空開關(guān)，大大提高了可靠性。

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備可用于極其惡劣的環(huán)境條件下。如溫度變化大和高濕環(huán)境（如濕熱帶地區(qū)），高溫及低溫地區(qū)（如沙漠地區(qū)和南北極區(qū)），環(huán)境中含有自然物質(zhì)（如沿海鹽霧、工業(yè)粉塵）或化學(xué)性腐蝕物質(zhì)（化工廠、煉油廠）的地方，還有地震區(qū)，有震動場合、高海拔地區(qū)以及安裝受限制的地方。

中壓充氣柜早已打入中國市場，如用于城網(wǎng)、地鐵和鐵道以及海拔最高的青藏鐵路等。這里舉上海應(yīng)用西門子充氣柜二、三個事例。

前幾年，上海電力部門在人口稠密的靜安寺附近建一座252/126/40.5kV降壓站，在這寸土寸金的地方經(jīng)拆遷征地50m×60m。但開關(guān)設(shè)備需要35面，若用常規(guī)開關(guān)設(shè)備根本無法排布，最后采用西門子8DA10/8DB10型充氣柜，才建成一座降壓容量為540MVA的變電站；上海集裝箱海港，貨物吞吐量很大，使用西門子充氣柜，從未斷過電，確保了供電安全；上海地鐵線路有的也使用西門子充氣柜；作為西門子輸配電工程中一個典型業(yè)績，西門子成功參與了青藏鐵路的供貨。這條鐵路長達1142km，西門子在鐵路沿線參與建設(shè)多個變電站，并提供了202間隔40.5kV8DA10型充氣柜，13間隔12kV NXplus C型充氣柜。其中還包括為世界上最高的變電站—唐古拉變電站提供產(chǎn)品。

同時我國城市軌道交通的發(fā)展、城網(wǎng)建設(shè)的加快、大都市的迅速崛起，都為充氣柜提供了大的發(fā)展空間。

二、充氣柜的結(jié)構(gòu)

充氣柜現(xiàn)有2種外形上差異很大的結(jié)構(gòu)形式：一種為圓筒型結(jié)構(gòu)；另一種為柜式結(jié)構(gòu)。前者很像高壓GIS，后者卻很像一般金屬封閉開關(guān)柜。

圓筒式充氣柜有三相共筒式和分相式2種結(jié)構(gòu)。柜體材料有鑄鋁合金，也有鋼板卷制，如西門子8DA10/8DB10型為鋁筒分相式，Areva的WI型為鋼板三相共筒式。我國平高公司40.5kV充氣柜為鋁筒分相式，平開華明公司的40.5kV充氣柜也為金屬筒分相式。

充氣柜的柜式結(jié)構(gòu)，也有各種形式，其主要區(qū)別在于：（1）氣室的設(shè)置，有3氣室、2氣室和單氣室；（2）一次回路中母線、3工位開關(guān)和真空斷路器的排布方式，大致可分為3類：一類上中下布置；二類下中上布置；三類后中前布置。以第一類（上中下布置）居多。

關(guān)于氣室的設(shè)置，現(xiàn)多為單氣室和2氣室。單氣室結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，成本低，但氣室內(nèi)元件在一起，容易相互受影響，可靠性差些。多氣室結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大，成本高，但模塊更換容易，可免除多元件相互影響，安全性高。

充氣柜有12kV級和40.5kV級，但40.5kV級最能體現(xiàn)充氣柜的優(yōu)勢，因此國內(nèi)外制造商的充氣柜并不是都從12kV到40.5kV成系列，多數(shù)廠商開發(fā)充氣柜從40.5kV電壓等級做起，并不一定延伸到12kV等級產(chǎn)品。對40.5kV充氣柜來說，一般做到額定電流1250/1600/2000/2500A，額定短路開斷電流25/31.5kA。

40.5 kV充氣柜的優(yōu)勢特別表現(xiàn)在減少占地面積方面，如ABB公司ZX2型40.5kV充氣柜占地面積僅為2300mm×600mm×1710mm（長×寬×高）。這對城網(wǎng)建設(shè)和改造來說特別適用。

1982年，西門子公司率先推出中壓氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（國內(nèi)俗稱充氣柜）。當(dāng)時充氣柜為8DA10/8DB10型。截止1999年，西門子公司已向世界上54個國家400多個用戶提供了8DA10/8DB10型充氣柜22 222間隔，從1982年到2002年的20年中，西門子公司共生產(chǎn)8DA10/8DB10型等系列充氣柜30 000間隔。如果將這些產(chǎn)品排成行，長度長達18km。西門子充氣柜在德國的法蘭克福開關(guān)廠生產(chǎn)。該廠現(xiàn)集中力量生產(chǎn)氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（包括環(huán)網(wǎng)柜）。充氣柜加環(huán)網(wǎng)柜每年產(chǎn)量約為45000間隔。為此該廠每年加工鋼板10 000t以上，加工VZA優(yōu)質(zhì)鋼鐵3000t，加工鋼材1000t以上。該廠的氣體絕緣開關(guān)設(shè)備在世界市場上處于主導(dǎo)地位。

在從1982年到2007年的25年中，西門子充氣柜有了很大發(fā)展，從8DA10/8DB10型—8DC11型—NXplus型，其中8DA10/8DB10型為分相鋁筒式結(jié)構(gòu)，而8DC11型和NXplus型為三相共箱式結(jié)構(gòu)。8DA10/8DB10型參數(shù)為12-40.5kV/630-2 500A/31.5-40kA，8DC11型參數(shù)為12-24kV/1250A/25kA，NXplus型參數(shù)為40.5kV/2 500A/31.5kA。這三種型號產(chǎn)品的共同特點是采用SF6氣體做絕緣，而用真空進行開斷。其最大的不同是前一種為分相鋁筒式結(jié)構(gòu)，而后兩種為三相共箱式結(jié)構(gòu)。參見圖一和圖二。

三、結(jié)構(gòu)及工藝特點

圖1 8DA10型中壓GIS的結(jié)構(gòu)圖

圖2 NXplus型40.5kV（最高）充氣柜結(jié)構(gòu)

與空氣絕緣開關(guān)設(shè)備不同，氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的帶電元件不是裝在抽屜里，而是裝在防腐蝕的焊接密封殼體內(nèi)。斷路器或母線和三工位開關(guān)也可裝在兩個分開的隔室內(nèi)。而操動機構(gòu)及所帶脫扣器、輔助開關(guān)及電流、電壓互感器和低壓控制箱裝在氣室之外。

開斷功能在真空開關(guān)管內(nèi)進行，真空中的開距僅有十幾毫米。由于電弧電壓極低且電弧旋轉(zhuǎn)，故觸頭熔焊極微小。固定在殼體壁上的焊接波紋管使之可從外部操動開關(guān)。三工位開關(guān)擺動操作，而斷路器軸向操動。操動機構(gòu)采用電動機儲能的彈簧操動機構(gòu)，所儲能量足夠二次重合閘之用。

除殼體的后壁外，殼體的所有外壁，包括加強橫檔、緊固件和套管均用激光設(shè)備全自動焊接。向內(nèi)呈拱形的防爆膜盒與殼體壁焊在一起。

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備為確保產(chǎn)品性能和增加競爭能力，如西門子形成4大核心工藝，即鈑金工藝、激光焊接工藝、澆注樹脂工藝及銅件加工工藝。這里特別提出以下幾點：

(1)優(yōu)質(zhì)鋼殼體的各個薄板在送入激光焊接裝置時，快速并入專用的插入和夾緊夾具內(nèi)。像電流套管等的構(gòu)件在這些夾具內(nèi)通過一個低壓力系統(tǒng)送入和固定在正確的位置；

(2)在制作氣密殼體時，鋼板在激光設(shè)備上繼續(xù)自動焊接。在保護氣體的艙內(nèi)焊接的焊縫滿足氣體密封性和強度的所有要求；

(3)擁有的環(huán)氧樹脂加工工藝確保套管絕緣、熔斷器熔管及各種絕緣支撐件極高的質(zhì)量。100%的密封性例行檢查和用X光檢查絕緣件的材質(zhì)提供了額外的安全性；

(4)母排在自行研制的機器上進行了三維折彎。這就節(jié)省了大量的螺紋連接。因為每個螺紋部位導(dǎo)電截面收縮成為一個發(fā)熱點，而三維折彎的銅排減少了設(shè)備的發(fā)熱。此外螺紋連接加工費事又需支付額外費用。由于節(jié)省了螺紋連接，對螺紋連接所需的試驗也就不必要了。

在焊接后壁之前，還要對所有元件的安裝正確與否作全面檢查，包括功能檢查。

在作整體密封性檢查后，即對殼體充氣。此時對殼體抽真空，接著充入氦氣。氦氣是所有氣體中第二個分子最小的氣體，用氦氣檢查密封性，可確保長期氣密性。還在檢驗室內(nèi)又吸出氦氣，給殼體內(nèi)充入SF6氣體，然后焊上充氣管，也要檢查氣密性。

四、中壓充氣柜的技術(shù)進步

中壓充氣柜（C—GIS）技術(shù)的進步，國外主要表現(xiàn)在減少產(chǎn)品中SF6氣體用量和研發(fā)非充SF6氣體充氣柜。如在歐洲，主要是減少新產(chǎn)品中SF6氣體的用量。而在日本，一方面減少新產(chǎn)品中SF6氣體的用量，另一方面，開發(fā)非SF6充氣柜，如用干壓空氣絕緣或用固體絕緣。SF6氣體具有最優(yōu)異的滅弧和絕緣性能，但被列為溫室效應(yīng)氣體之一，因而被限制使用。為此要減少或不用SF6氣體。

（一）減少新品中的SF6氣體的用量

為尋找SF6的替代氣體，科學(xué)家已研究了40年。直到如今，所有檢驗過得的可替代氣體的性能遠不如SF6氣體的絕緣和滅弧性能。類似于SF6特性的可替代氣體，如氯化物、氟化物或各種鹵化碳混合物缺點很多：(1)GWP系數(shù)（全球變暖系數(shù)）很高；（2）二氧化碳對臭氧層有害；（3）C—F混合物在分解時（電弧、局部放電）生成導(dǎo)電的積炭層。

現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)的CF3I氣體，其絕緣性能很好，在均勻電場中的絕緣水平是SF6氣體的1.2倍，SLF開端性能均為SF6氣體的0.9倍。但其價格昂貴，是SF6氣體的100倍，因此進入實際應(yīng)用還很不現(xiàn)實。

為此，SF6開關(guān)設(shè)備制造廠家可行的辦法是在產(chǎn)品設(shè)計中盡量減少SF6氣體用量、泄漏量和排放量。

采用先進的設(shè)計和焊接工藝及高性能密封材料，在減少SF6氣體用量方面取得明顯成效。同時在充氣柜內(nèi)改用真空斷路器開斷電弧，僅用SF6氣體絕緣，也有利于SF6氣體用量的減少。例如世界三大輸配電設(shè)備制造商之一的Areva（阿海琺）公司SF6充氣柜一代又一代從WI—WS—GWA發(fā)展中SF6充氣量從100%（WI型）—90%（WS型）—40%（GWA型）。又如富士新開發(fā)的C—GIS2000型24kV充氣柜的用氣量從12kg減少為4.4kg（減少63%），還有新開發(fā)的72/84kV充氣柜，將SF6用量從老產(chǎn)品的100%減為36%（減少64%）。

德國中壓開關(guān)設(shè)備制造業(yè)發(fā)達。制造企業(yè)自行承擔(dān)SF6氣體減排任務(wù)，經(jīng)過不懈的努力，從1995年到2003年間，SF6氣體的排放量減少了55%。在德國，由1kV以上開關(guān)及其設(shè)備排放出的SF6氣體僅占溫室效應(yīng)的0.03%，遠低于SF6氣體總體占0.1%的比例。

以下介紹二種減少使用SF6的案例。

1、C—GIS 2000型24kV充氣柜（圖3）

日本富士公司2000年7月開發(fā)出C—GIS 2000型24kV SF6充氣柜，此產(chǎn)品減少了SF6氣體用量（減少到原來的1/3），同時減輕了重量（約減到原來的2/5）,達到小型輕量和正面維護。

為此，C—GIS 2000型采用了如下技術(shù)：

①薄鋼板容器；

②采用固體絕緣件；

a) 固體絕緣母線；

b) 固體絕緣電壓互感器(VT)；

c) 套管貫穿電流互感器（CT）；

③采用小型斷路器；

a) 開發(fā)出小型真空滅弧室；

b) 真空滅弧室水平放置；

④采用小型隔離開關(guān)；

a) 旋轉(zhuǎn)式隔離開關(guān)；

b) 裝在絕緣件容器內(nèi)。

圖3 C-GIS2000到2100已經(jīng)不用SF6氣體

2、72/84kV充氣柜（C—GIS）

日本富士電機公司研制出配真空斷路器的72/84kV充氣柜（C—GIS）。

該產(chǎn)品為柜式結(jié)構(gòu)。上氣室內(nèi)裝有母線隔離開關(guān)；下氣室內(nèi)裝有真空斷路器、線路隔離開關(guān)、線路接地開關(guān)、避雷器、驗電裝置、電纜終端；后側(cè)配置有電流互感器；前面裝有各自的操動機構(gòu)。充氣柜的結(jié)構(gòu)見圖4。三代充氣柜技術(shù)指標(biāo)比較（5間隔）見表1。

新型與老型技術(shù)見表2。

圖4 72/84kV充氣柜(C-GIS)結(jié)構(gòu)

（二）混合氣體C—GIS

上海天靈帕威爾公司研制出N2X-24型充氣柜。該產(chǎn)品用氮氣和少量SF6氣體絕緣（90%N2+10%SF6）。

斷路器/母線及三工位隔離/接地開關(guān)為一個氣箱，并要求與N2X—12kV形成系列化和標(biāo)準化設(shè)計：額定電壓：24kV；額定電流：630、1250、2500A；短路開斷電流：25、31.5kA；絕緣氣體爭取采用純氮絕緣或僅用少量SF6氣體；絕緣水平達到國內(nèi)24kV不接地系統(tǒng)要求；散熱方式爭取自然冷卻?？傮w外形尺寸希望與N2X—12kV相同，不超過充SF6的類似充氣柜產(chǎn)品尺寸。

表1 三代充氣柜技術(shù)指標(biāo)比較（5間隔）

新型與老型技術(shù)參數(shù)比較見表2。

表2 新型與老型的技術(shù)數(shù)據(jù)比較（受電回路）

與其他類型的充氣柜相比，N2X—24kV還具有以下一些特點：

綠色環(huán)?！?2kV-24kV產(chǎn)品可用氮氣和N2+SF6混合氣體絕緣，以技術(shù)創(chuàng)新和精確設(shè)計確保在提高產(chǎn)品性能的同時，減少產(chǎn)品對環(huán)境的危害；

體積更小——N2X-24kV單氣箱柜在采用氮氣或N2+SF6混合氣體絕緣后，并沒有因氣體絕緣強度的降低而增加尺寸，而是更小。N2X-24kV單氣柜柜體尺寸為500×1050×2250mm，柜寬僅為空氣柜的一半，大大縮小電站占地面積；

維護量小——高壓帶電體全被密封，高壓絕緣不受大氣環(huán)境影響不易老化；電接觸不會腐蝕，絕緣和載流可靠性高，高壓部分終生免維護；可降低設(shè)備的全壽命周期成本；

能耗更低——開關(guān)柜主回路電阻低，載流能力最高，長期運行節(jié)約能耗；

高模塊化——靈活組合，拼接方便；用戶在現(xiàn)場不需處理氣體；

更換方便——在萬一故障情況下，需更換故障充氣柜時，N2X單氣箱柜可在不移動相鄰充氣柜情況下，從中間抽出，實現(xiàn)更換并與相鄰柜重新拼接，大大減少停電時間和檢修工作量。

（三）干壓空氣充氣柜

在C—GIS中，雖多數(shù)仍使用具有優(yōu)異滅弧和絕緣性能的SF6氣體，但也出現(xiàn)了非充SF6充氣柜。如用氮氣或干壓空氣取代SF6，現(xiàn)還出現(xiàn)固體絕緣柜及復(fù)合絕緣柜。如富士于2004年4月開發(fā)出C—GIS2100型24kV干壓空氣充氣柜。該產(chǎn)品采用0.05MPa（表壓）的壓縮空氣絕緣。該公司減少SF6充氣量的C—GIS2000型和充干壓空氣充氣柜的結(jié)構(gòu)及外形尺寸見圖5。

又如日本日新公司用干壓空氣開發(fā)出小型化24kV XAE2X型化充氣柜。其充空氣壓力較高，為0.5MPa。該產(chǎn)品的殼體為鋁鑄件，使用真空斷路器及薄型旋轉(zhuǎn)式3工位隔離/接地開關(guān)，并采用固體絕緣母線。該產(chǎn)品重量減輕了40%，占地面積減少了50%，屬于質(zhì)輕、小型化結(jié)構(gòu)。

（四）復(fù)合絕緣開關(guān)柜

圖5 C-GIS 2000型 和C-GIS 2100型充氣柜的結(jié)構(gòu)和外形尺寸

三菱公司將創(chuàng)立100周年的2012年作為目標(biāo)，制訂了環(huán)境經(jīng)營的長期展望“環(huán)境展望2012”計劃。其中為防止全球變暖，通過①將產(chǎn)品使用時的CO2排放量削減30%；②將產(chǎn)品生產(chǎn)時的CO2排放量削減30%；③努力削減發(fā)電時的CO2產(chǎn)生量，并為形成循環(huán)型社會而進一步考慮3R（減少、再使用、再循環(huán)）的產(chǎn)品開發(fā)，使每個產(chǎn)品均實現(xiàn)小型、輕量化等，在2012年前實現(xiàn)資源投入量減少30%的目標(biāo)。

以前，中壓等級（24-84kV）開關(guān)柜是以絕緣介質(zhì)使用SF6氣體的箱型氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（C—GIS）為主流產(chǎn)品，但SF6氣體作為溫室效應(yīng)氣體（全球變暖系數(shù)為23900）而被指定為限制排放氣體，因此在削減SF6氣體排放量的同時，期望使用無SF6氣體的開關(guān)柜。在這一背景下，2000年以后，在24—36kV等級實現(xiàn)了無SF6氣體開關(guān)柜的商品化。

三菱公司以C—GIS無SF6氣體來抑制全球變暖為目標(biāo)，于2000年實現(xiàn)了世界首臺低壓力（最高使用氣體壓力為0.5MPa—G以下）干燥空氣（地球變暖系數(shù)為0）絕緣的24kV C—GIS的商品化。

圖6 采用復(fù)合絕緣技術(shù)的絕緣性能概念圖

之后，通過更進一步地提高干燥空氣絕緣和固體絕緣相結(jié)合的復(fù)合絕緣技術(shù)（圖6），又于2006年將72kV等級、2007年將7.2kV等級的干燥空氣絕緣C—GIS投放市場，實現(xiàn)了72kV—7.2kV等級無SF6產(chǎn)品的系列化（圖7）。

該產(chǎn)品通過將主回路部分放置在密封容器內(nèi)，并采用大氣壓程度的低壓力干燥空氣和固體絕緣件的復(fù)合絕緣，實現(xiàn)了無SF6氣體化。在采用將控制回路部分及操動機構(gòu)部分放置在金屬封閉箱內(nèi)不受設(shè)置環(huán)境影響的結(jié)構(gòu)、布置非常靈活組柜模塊、在正面進行了一般操作確保良好的操作性能等方面，均沿襲了該公司C—GIS的特點。VCB放置在密封有低壓力干燥空氣的容器內(nèi)，減輕了真空開關(guān)管（VST）對波紋管的負擔(dān)，并通過采用電磁操動機構(gòu)對主觸頭直接操作，大幅度簡化了VCB驅(qū)動機構(gòu)部分的結(jié)構(gòu)，無需擎子、拐臂類磨損件后，大幅度減少了零部件個數(shù)。因此，提高了包括操動機構(gòu)在內(nèi)的VCB的可靠性，減少了現(xiàn)場安裝場所的氣體處理，簡化了作業(yè)。

圖7 72kV HG-VA型C-GIS的結(jié)構(gòu)（受電柜）

表3 密封式復(fù)合絕緣開關(guān)柜的額定參數(shù)

（五）固體絕緣柜

日本東芝公司于1999年研發(fā)出高性能環(huán)氧樹脂及高效的環(huán)氧樹脂澆注技術(shù)，并于2002年開發(fā)出24kV固體絕緣開關(guān)柜（SIS）。之后又進行了系列化，于2005年開發(fā)出36kV SIS，現(xiàn)又進行更高電壓等級72kV及84kV SIS的開發(fā)。24kV SIS的主要參數(shù)為24kV/630-1250A/25kA。

固體絕緣柜（圖8）帶來一系列優(yōu)勢。這里將24kV SF6充氣柜（C—GIS）和固體絕緣柜（SIS）加以比較：C—GIS SF6氣體用量5kg，而SIS為零，有利于環(huán)保；C—GIS體積為2.7m3，而SIS為1.7m3，僅為其63%；C—GIS零件數(shù)為2500個，而SIS為1200個，為其48%。一面固體絕緣柜（SIS）省下5kg SF6氣體，相當(dāng)于120t CO2的溫室效果。

日本的開關(guān)柜最早誕生于1890年。在其后的100多年中，開關(guān)柜的發(fā)展經(jīng)歷了敞開型——箱型——金屬封閉型——氣體絕緣型——固體絕緣性。綜合來看，固體絕緣柜最大特點是不使用SF6氣體的環(huán)保型開關(guān)柜。固體絕緣的絕緣強度三倍于SF6氣體，故可實現(xiàn)開關(guān)柜小型化、輕量化。

圖8 24kV SIS的典型結(jié)構(gòu)

日本于20世紀80年代起開發(fā)出氣體絕緣型，并于2002年開發(fā)出固體絕緣型。日本東芝在開發(fā)固體絕緣柜時解決了以下技術(shù)難題：①新的高性能環(huán)氧樹脂的開發(fā)；②高效率澆注技術(shù)的開發(fā)；③采用真空絕緣的隔離開關(guān)；④元件連接用界面連接方式的開關(guān)；⑤斷路器、隔離用永久磁鐵保持式電磁操動機構(gòu)的開發(fā)。

五、結(jié)語

中壓充氣柜在我國的發(fā)展方興未艾。當(dāng)前主要使用SF6氣體絕緣，為了減少或不用SF6氣體，或?qū)ΜF(xiàn)有產(chǎn)品改型，減少SF6氣體使用量，或采用SF6混合氣體，將SF6氣體用量減至最小，或不用SF6氣體而改用其他介質(zhì)，故出現(xiàn)了干壓空氣絕緣充氣柜、復(fù)合絕緣充氣柜以及固體絕緣充氣柜等。這些代表了充氣柜發(fā)展方向，值得關(guān)注。

[1]李建基，高壓開關(guān)設(shè)備實用技術(shù)，中國電力出版社.2005年，北京

[2]日本三菱.發(fā)展中的變配電系統(tǒng)設(shè)備.高壓電器技術(shù)信息.2009年，No.2，P35-38，P46

[3]日本東芝.24/36kV固體絕緣開關(guān)柜的開發(fā).高壓電器技術(shù)信息.2006年，No.1，P39-43，P50

[4]李建基.中壓充氣柜中的SF6用氣量在減少.高壓電器技術(shù)信息.2006年，No.3，P13-20