40.5kV氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)柜研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

川開(kāi)電氣有限公司 王 濤 郭 攀 喬 爔 吳小虎

1 引言

中壓氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備簡(jiǎn)稱C-GIS，是多學(xué)科的有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，融合了氣體絕緣技術(shù)、氣體密封技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)、金加工技術(shù)、焊接技術(shù)等。其主要特點(diǎn)在于體積小、全封閉、全絕緣、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，功能穩(wěn)定可靠，廣泛用于軌道交通、大型工礦企業(yè)、新能源等市場(chǎng)領(lǐng)域，起到控制、測(cè)量、檢測(cè)和保護(hù)的作用。隨著C-GIS 行業(yè)整體的穩(wěn)健增長(zhǎng)，電網(wǎng)領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)化速度的推進(jìn)，國(guó)家電力需求的日益增長(zhǎng)和電網(wǎng)的升級(jí)改造，40.5kV C-GIS 的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)日益凸顯，35kV 配電市場(chǎng)得到了快速擴(kuò)張，其市場(chǎng)占有率逐年提升。

2 C-GIS 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式及特點(diǎn)

2.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

從目前40.5kV C-GIS 應(yīng)用情況來(lái)看，其整體結(jié)構(gòu)普遍采用的柜式結(jié)構(gòu)，僅西門(mén)子公司的8DA/8DB系列采用了高壓GIS 的罐式結(jié)構(gòu)。柜式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于容易制作，基本沒(méi)有需要特殊開(kāi)模制作的零部件，生產(chǎn)成本低，裝配方式靈活，能滿足不同的方案需求。柜式結(jié)構(gòu)的C-GIS 主要包含一次主回路氣箱、電纜室、二次儀表室、機(jī)構(gòu)室、泄壓通道等部分。氣箱的布局根據(jù)各廠家高壓母線、三工位開(kāi)關(guān)、真空斷路器等布局方式和需求，又有單氣室和雙氣室之分，但市場(chǎng)上多數(shù)廠家采用以及用戶接受度高的方案是雙氣室布局。氣箱結(jié)構(gòu)通常選用不小于3mm厚不銹鋼板激光焊接而成，激光焊接強(qiáng)度好，焊接密封缺陷低，焊縫美光等優(yōu)點(diǎn)從而得到廣泛廠家應(yīng)用。因不同廠家充氣氣體、充氣壓力、結(jié)構(gòu)布局不同，氣箱加強(qiáng)筋有“C”型、“幾”型，也有方管、襯板等方式。C-GIS 的柜間母線結(jié)構(gòu)擴(kuò)展通常采用插拔式固體絕緣母線（頂擴(kuò)）或混合絕緣母線（側(cè)擴(kuò)）形式；柜間母線擴(kuò)展通常在氣箱上預(yù)裝外錐母線套管或氣箱側(cè)面安裝預(yù)留內(nèi)錐套管，方便實(shí)現(xiàn)固體絕緣母線或混合絕緣母線插拔式連接，不同廠家對(duì)柜間母線連接方式不完全一致，均有不同特點(diǎn)。如青島特銳德40.5kV 充氣柜TGP-40.5頂擴(kuò)母線擴(kuò)展則采用的是分段式固體絕緣母線，該連接方式有效提升了柜間母線連接的可靠性與現(xiàn)場(chǎng)安裝的便捷性。

在電流互感器布局方面，主要有兩種形式，一是電流互感器內(nèi)置于氣箱和外置于氣箱外的電纜室。電流互感器內(nèi)置于氣箱有利于傳統(tǒng)支柱式大容量電流互感器的選取，但是檢修、維護(hù)困難；同時(shí)由于增加的互感器與氣箱之間的密封，因此漏氣風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加；二是外置于氣箱外側(cè)電纜室通常采用穿芯式電流互感器，其在小變比下很難有足夠的空間進(jìn)行安裝，但有利于后期運(yùn)維檢修。內(nèi)置方式主要以國(guó)外和合資品牌為主，外置電纜室方式主要以國(guó)產(chǎn)品牌為主。

2.2 產(chǎn)品特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

一是環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。高壓帶電元器件完全密封于氣箱內(nèi)，密封的氣箱防護(hù)等級(jí)可達(dá)IP67，應(yīng)用場(chǎng)所的污穢、鹽霧、雨雪等惡劣環(huán)境不會(huì)對(duì)一次回路導(dǎo)電和操作造成影響，可較好地適應(yīng)沿海、潮濕、重污染、高海拔等多種特殊區(qū)域。

二是使用壽命長(zhǎng)。一次主回路全密封于不銹鋼氣箱內(nèi)，氣箱外殼抗腐蝕能力強(qiáng)；氣箱內(nèi)采用氣體絕緣結(jié)構(gòu)，通?？蓪?shí)現(xiàn)20～40年不補(bǔ)氣下正常運(yùn)行，相比于空氣絕緣柜有更高的可靠性和穩(wěn)定性，有利于變電站少維護(hù)或免維護(hù)，以及無(wú)人值守的變電站的實(shí)現(xiàn)。

三是占地面積少。C-GIS 采用氣體和固體復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)，相較于傳統(tǒng)空氣絕緣柜集成化程度更高，整柜體積小，目前主流40.5kV C-GIS 額定電流為2500A 的產(chǎn)品，其柜寬可做到 800 mm，整柜體積約為傳統(tǒng)KYN61柜的1/3；因此在使用過(guò)程很大程度節(jié)約了占地面積與變電站的建設(shè)。

四是方案組合靈活。目前的C-GIS 通常都采用了模塊化設(shè)計(jì)，針對(duì)不同用戶不同需求，可通過(guò)靈活的模塊化組合，設(shè)計(jì)不同的主接線方案，拼裝方便、擴(kuò)展靈活，能滿足不同客戶需求和特殊的電力系統(tǒng)。

3 C-GIS 產(chǎn)品市場(chǎng)應(yīng)用情況

中壓C-GIS 產(chǎn)品的出現(xiàn)和應(yīng)用，標(biāo)志著中壓開(kāi)關(guān)柜的研究與應(yīng)用進(jìn)入一個(gè)嶄新階段。根據(jù)國(guó)網(wǎng)的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，截至2017年國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)的12kV、24kV、40.5kV C-GIS 應(yīng)用總量就已經(jīng)突破10000臺(tái)，其中40.5kV C-GIS 占比約38%，有3825臺(tái)。在2018-2019年的時(shí)間內(nèi)，電網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)C-GIS 增加了5506臺(tái)，僅兩年時(shí)間就增長(zhǎng)了2017年以前總和的一半，增長(zhǎng)迅速[1]。同時(shí)值得注意的是，隨著電網(wǎng)的改造升級(jí)和新能源建設(shè)，40.5kV 的大電流開(kāi)關(guān)設(shè)備需求量逐年提高。但其特點(diǎn)主要表現(xiàn)為40.5kV C-GIS 的指標(biāo)在國(guó)家電網(wǎng)中額定電流主要以1250A為主，在光伏與風(fēng)電為主的新能源領(lǐng)域額定電流則以2500A 或3150A 為主。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)環(huán)保型氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備的研制與應(yīng)用呼聲愈來(lái)愈高，也提出了明確要求。國(guó)內(nèi)外一些科研單位和有實(shí)力的廠家都在積極開(kāi)展環(huán)保絕緣氣體的探尋及其在C-GIS 上的應(yīng)用，并且國(guó)家電網(wǎng)也在進(jìn)行相關(guān)環(huán)保型充氣柜設(shè)備的招標(biāo)與應(yīng)用。

4 C-GIS 產(chǎn)品發(fā)展方向

4.1 發(fā)展方向

從國(guó)內(nèi)生產(chǎn)和應(yīng)用來(lái)看，目前40.5kV C-GIS仍然以SF6絕緣為主，普遍采用雙氣室結(jié)構(gòu)。分析主流廠家40.5kV C-GIS 主要參數(shù)可知：額定電流主要集中為1250A-2500A，少數(shù)廠家能做到額定電流為3150A；額定短時(shí)耐受電流為25kA 與31.5kA兩檔；額定充氣壓力（相對(duì)，20℃，MPa）主要分布在0.04～0.05的微正壓內(nèi)；柜寬尺寸為600mm 與800mm；該部分參數(shù)已逐漸成為各個(gè)廠家和市場(chǎng)的通用參數(shù)。

(2) 對(duì)于強(qiáng)蝕變巖、渣體以碎屑狀為主時(shí)，化學(xué)灌漿材料發(fā)泡倍數(shù)及漿液擴(kuò)散半徑均對(duì)固結(jié)體強(qiáng)度產(chǎn)生顯著影響。當(dāng)漿液擴(kuò)散半徑為0.25 m，灌漿材料發(fā)泡倍數(shù)分別為2倍～3倍、5倍～10倍時(shí)，試塊固結(jié)強(qiáng)度分別為10 MPa、5 MPa，而當(dāng)漿液擴(kuò)散半徑為0.75 m、灌漿材料發(fā)泡倍數(shù)調(diào)整為2倍～3倍時(shí)，試塊最大固結(jié)強(qiáng)度為3.5 MPa左右。

在電力行業(yè)中SF6應(yīng)用非常廣泛，應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)目前對(duì)于SF6回收、處理的設(shè)備缺失，現(xiàn)場(chǎng)檢修或試驗(yàn)時(shí)候基本都是直接排放。根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)（IPCC）的報(bào)告顯示：1kg SF6GWP值相當(dāng)于23.9tCO2GWP 值，并且自然條件下SF6的降解非常緩慢。在各國(guó)碳減排政策和目標(biāo)的促使下，電力行業(yè)急需一款能夠完全替代SF6的環(huán)保型絕緣氣體。目前國(guó)內(nèi)外科研單位、企業(yè)主要集中在氟化物、N2、CO2及其混合氣體研究。

隨著用電負(fù)荷容量的不斷增加，變電站主變?nèi)萘恳苍絹?lái)越大，40.5kV 開(kāi)關(guān)設(shè)備額定電流由原來(lái)的1250A 快速向3150A、4000A，甚至5000A 發(fā)展。就目前實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，大電流變電站大都采用分流方案[2]，這就使得設(shè)備投資加大，而普通大電流KYN61柜體積過(guò)于龐大，無(wú)法實(shí)現(xiàn)變電站建設(shè)的小型化和集成化需求。因此，研發(fā)性能穩(wěn)定、開(kāi)斷可靠的大電流40.5kV C-GIS 勢(shì)在必行，其應(yīng)用市場(chǎng)前景廣闊。

智能手機(jī)、智能家電、智能汽車(chē)等新型概念與產(chǎn)品不斷融入大眾生活，“智能”無(wú)處不在。電網(wǎng)要實(shí)現(xiàn)智能的關(guān)鍵在于配網(wǎng)自動(dòng)化，而配網(wǎng)自動(dòng)化的關(guān)鍵在于中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能化。智能中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備應(yīng)該具有多功能、運(yùn)行穩(wěn)、安全可靠等基本特性，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和故障自診斷以及網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)、遙控等功能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和無(wú)人值守，減少運(yùn)維成本。各科研單位和廠家主攻幾個(gè)方向：操作自動(dòng)化；在線監(jiān)測(cè)和自診斷技術(shù)等。

隨著電網(wǎng)改造發(fā)展以及光伏、風(fēng)電等新能源建設(shè)，以及環(huán)保意識(shí)的提高和對(duì)自動(dòng)化、智能化的需求，環(huán)保型、大電流、智能化40.5kV C-GIS 研制勢(shì)在必行。

4.2 技術(shù)難點(diǎn)與解決思路

在大電流方向：已有廠家通過(guò)采用雙組隔離刀方案設(shè)計(jì)了3150A 的40.5kV C-GIS[3]；如常州太平洋、青島特銳德等廠家的40.5kV C-GIS 的額定電流已經(jīng)可以做到3150A，并已成熟地應(yīng)用到市場(chǎng)；而西門(mén)子罐式結(jié)構(gòu)的8DA10電流可高達(dá)4000A。

在環(huán)保型氣體方向：主要的絕緣介質(zhì)為N2、干燥空氣、C5氣體等。國(guó)內(nèi)廠家主要以N2與干燥空氣為主，并且采用N2絕緣的40.5kV C-GIS 已經(jīng)上市應(yīng)用；采用干燥空氣絕緣的環(huán)保型充氣柜，因其充氣壓力較高尚未大面積應(yīng)用；而部分外資與合資公司則主要采用了全新絕緣氣體C5，但C5氣體成本較高，應(yīng)用普及性不高。

總體來(lái)說(shuō)，目前環(huán)保型、大電流、智能化的40.5kV C-GIS 技術(shù)還未成熟，主要有以下幾個(gè)技術(shù)需要突破。

一是可完全替代SF6的環(huán)保絕緣氣體的探索。作為充氣柜用絕緣氣體，其必須擁有幾大特性：介電常數(shù)大，無(wú)可燃性，導(dǎo)熱性好，高飽和蒸汽壓，理化惰性，不易分解或與導(dǎo)體、絕緣材料等不易發(fā)生反應(yīng)，而環(huán)保絕緣氣體還應(yīng)具備無(wú)毒，GWP 值低等。但是這些理化特性有的是相互矛盾的，因此要找到一種可替代SF6的絕緣氣體不是一件易事。從目前的研究和應(yīng)用來(lái)看，比較有潛力的絕緣氣體有：干燥空氣、N2、C5F10O（全氟戊酰氟）、C6F12O（全氟己酰氟）、C4F7N（全氟異丁腈）等氣體及其混合氣體[4]。

目前40.5kV 環(huán)保型充氣柜研究主要還是集中在干燥空氣與N2方面。在干燥空氣作為絕緣介質(zhì)時(shí)，氣箱尺寸與SF6充氣柜基本相同時(shí)，但其充氣壓力升高；在N2作為絕緣介質(zhì)時(shí)，N2氣體和局部固體相結(jié)合的界面絕緣技術(shù)使其絕緣性能更加優(yōu)越。

雖然目前已有單位研制出無(wú)SF6環(huán)保40.5kV 充氣柜，但是仍有幾大問(wèn)題亟待解決：探尋高絕緣強(qiáng)度環(huán)保氣體，涉及充氣柜小型化研究；溫升對(duì)氣體絕緣強(qiáng)度的影響，涉及能否成功做成大電流充氣柜；環(huán)保氣體的監(jiān)測(cè)和檢漏技術(shù)，涉及充氣柜氣箱密封、充氣壓變化的在線監(jiān)測(cè)；環(huán)保氣體的充氣和回收技術(shù)，涉及氣體制作成本及利用率。

二是大電流充氣柜溫升控制問(wèn)題。同傳統(tǒng)空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜比較，充氣柜的斷路器、三工位隔離開(kāi)關(guān)、母排等完全密封于具有一定氣壓的氣箱內(nèi)，該密封結(jié)構(gòu)造成內(nèi)部絕緣氣體與外部空氣無(wú)法直接進(jìn)行對(duì)流形成熱交換。充氣柜氣箱內(nèi)的氣體傳熱主要以輻射導(dǎo)熱和氣箱內(nèi)的對(duì)流同時(shí)作用的換熱，而對(duì)流與輻射換熱又主要受氣體密度、黏度、導(dǎo)熱率有關(guān)。因此，同種結(jié)構(gòu)的充氣柜的散熱能力主要由絕緣氣體性質(zhì)決定。

無(wú)論充氣柜的熱功耗以哪種形式進(jìn)行散熱，都與散熱面積緊密相關(guān)，這就與小型化和經(jīng)濟(jì)性相互矛盾。無(wú)論采用哪種絕緣氣體，都必須面對(duì)這個(gè)問(wèn)題，這就對(duì)充氣柜通流能力的提升提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[5]。

三是多物理場(chǎng)下的傳感技術(shù)。開(kāi)關(guān)柜的自動(dòng)化、智能化離不開(kāi)對(duì)各大元件工作狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。充氣柜一次主設(shè)備均密封于不銹鋼板制焊接密封而成的氣箱內(nèi)，而氣箱內(nèi)是一個(gè)高壓、大電流、強(qiáng)電磁、高熱氣壓的一個(gè)復(fù)雜環(huán)境。因此，應(yīng)用于40.5kV 充氣柜在線監(jiān)測(cè)的傳感器必須滿足耐壓絕緣、氣體耐受、溫度耐受、電磁耐受，同時(shí)還需要面臨信號(hào)的傳輸問(wèn)題。這就對(duì)充氣柜的智能化、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等技術(shù)的研制提出了更高的要求。

5 結(jié)語(yǔ)

由于新材料、新技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，40.5kV 充氣柜產(chǎn)品質(zhì)量不斷提高，性價(jià)比越來(lái)越高。同時(shí)，隨著國(guó)家在加強(qiáng)電網(wǎng)、新能源、軌道交通等項(xiàng)目大規(guī)模建設(shè)及升級(jí)改造的持續(xù)投入，40.5kV 充氣柜必將更廣泛應(yīng)用。