董仲剛++李惠鵬++黃皓宇++顧克勝++莫春榮

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，中壓開關(guān)柜使用量越來越大，近年來不受外界環(huán)境影響的小型化、免維護(hù)、可靠性高的充氣式開關(guān)柜日益受歡迎。本文回顧了充氣柜產(chǎn)品的發(fā)展歷程和特點(diǎn)，介紹了目前較常見的幾種產(chǎn)品型號(hào)，總結(jié)并展望了充氣柜的發(fā)展趨勢(shì)。環(huán)保型智能化充氣柜將成為充氣柜的發(fā)展方向，并將在軌道交通和配電網(wǎng)等領(lǐng)域逐步獲得推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：充氣柜；發(fā)展趨勢(shì)；環(huán)保型；智能化

中圖分類號(hào)：TM59 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）13-0071-03

Development Status of Medium Voltage C-GIS

Dong Zhonggang， Li Huipeng， Huang Haoyu， Gu Kesheng， Mo Chunrong

（Zhongtian Electrical Technology Co.， Ltd.， Nantong Jiangsu，226463）

Abstract：As the development of economy and society， the amount of medium voltage switch cabinets used is getting larger. C-GIS which could not be affected by external environment is increasingly well received for its small-size， maintenance-free and high reliability in recent years. In this paper， development history and features of C-GIS are reviewed， several common products are introduced and development trend of C-GIS is summarized and forecasted. Environment friendly and intelligent C-GIS would be the development direction and applied progressively in rail transportation and distribution network.

Key words：C-GIS； development trend； environment friendly； intelligent

1 引言

柜式氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Cubical Gas Insulated Switchgear），簡(jiǎn)稱C-GIS，是一種以斷路器為主開關(guān)，用于10～35kV或更高電壓等級(jí)的一次配電系統(tǒng)設(shè)備。充氣環(huán)網(wǎng)柜以負(fù)荷開關(guān)為主開關(guān)，也有配斷路器的方案，用于10～35kV的二次配電系統(tǒng)。充氣柜通常是C-GIS與充氣環(huán)網(wǎng)柜的統(tǒng)稱。

充氣柜利用GIS的絕緣技術(shù)、密封技術(shù)將高壓元件安裝在箱型密封容器內(nèi)，并充入略高于大氣壓力的絕緣氣體，利用現(xiàn)代先進(jìn)的加工工藝制成成套系列化產(chǎn)品，在系統(tǒng)正常和故障情況下具有對(duì)電能分配的控制、保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)視和通訊功能。相對(duì)于傳統(tǒng)非密閉的移開式空氣絕緣開關(guān)柜，具有密封充氣的特點(diǎn)。

2 充氣柜特點(diǎn)與使用場(chǎng)合

充氣柜的整個(gè)高壓系統(tǒng)處于完全密封的狀態(tài)，不受外界環(huán)境條件的影響，縮小了柜體外形尺寸，具有整體小型化、高可靠性、免維護(hù)的特點(diǎn)，由于在工廠整體組裝后運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便，運(yùn)維成本低，整個(gè)生命周期具有較高的性價(jià)比和可靠性。

由于具有以上特點(diǎn)，充氣柜是環(huán)境條件惡劣地區(qū)和污染嚴(yán)重地區(qū)的最佳中壓配電設(shè)備。另外，在人口密集地區(qū)、大型工礦企業(yè)、高層建筑等場(chǎng)合，因占地面積、空間限制，也需要這種開關(guān)設(shè)備。

3 充氣柜的分類

20世紀(jì)80年代以來，充氣柜的發(fā)展經(jīng)歷了不同階段。充氣柜可按電壓等級(jí)劃分，也可按斷路器類型分為SF6斷路器和真空斷路器，按用途分為電力配電、變電和工業(yè)配電用，按內(nèi)部高壓元件布置方式分為有隔板與無隔板，按結(jié)構(gòu)分為箱式和圓筒式。圓筒式很像高壓GIS，箱式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兩種結(jié)構(gòu)。柜體材料有鑄鋁合金，也有鋼板卷制。

4 充氣柜發(fā)展歷程

C-GIS產(chǎn)品始于20世紀(jì)80年代初。1980年，日本開發(fā)了氣壓0.2MPa以下84kV柜型C-GIS。1982年，西門子公司研制出配真空斷路器的C-GIS，采用單項(xiàng)圓筒式結(jié)構(gòu)，很像高壓GIS。隨后其它公司也推出了自己的產(chǎn)品。我國(guó)于20世紀(jì)90年代開始研制C-GIS。

中壓C-GIS的發(fā)展過程呈現(xiàn)出以下特點(diǎn)：

（1）箱體從圓筒型轉(zhuǎn)向柜型。西門子、三菱、AEG等公司早期產(chǎn)品為圓筒形。由于柜式結(jié)構(gòu)具有體積小、占地面積小、維護(hù)性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，他們后期研制的產(chǎn)品都改為柜式結(jié)構(gòu)。

（2）氣體間隔減少。早期研制的C-GIS分成很多氣室，如母線、隔離開關(guān)、斷路器等氣體間隔。由于C-GIS具有不受環(huán)境影響、可靠性高、免維護(hù)等特點(diǎn)，現(xiàn)在C-GIS都只剩1或2個(gè)氣室。

（3）元件組合化。隔離開關(guān)和接地開關(guān)組合成一體成為三工位隔離接地開關(guān)。個(gè)別公司產(chǎn)品還將三工位隔離開關(guān)同斷路器組合成一體，電壓互感器、電流互感器組成一體，使得安裝調(diào)試更方便。

（4）主接線方式簡(jiǎn)單化。國(guó)外產(chǎn)品將線路側(cè)隔離和接地開關(guān)取消，簡(jiǎn)化了柜體結(jié)構(gòu)，降低了成本。

（5）控制、監(jiān)測(cè)、保護(hù)、診斷智能化。將傳統(tǒng)的電磁式電壓互感器、電流互感器改為新型傳感器，使得元器件體積減小，動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍增大，可靠性高，成本降低。

5 國(guó)內(nèi)外主要產(chǎn)品

國(guó)外生產(chǎn)C-GIS的廠家主要有ABB、西門子、東芝、三菱、AEG、SE、MG。目前形成了兩種設(shè)計(jì)模式，歐洲模式和日本模式。歐洲模式是用真空滅弧室配合三工位隔離/接地開關(guān)；日本模式是斷路器上下和電纜側(cè)均有三位置隔離刀，且電纜側(cè)具有快速接地開關(guān)，安全性高，但整機(jī)設(shè)計(jì)和機(jī)械聯(lián)鎖過于復(fù)雜。

NXPLUS型C-GIS是西門子公司產(chǎn)品，如圖1所示，采用多樣化的模塊化結(jié)構(gòu)，可拼接成各種單母線主接線方案。一體小型化真空斷路器水平臥式排列，轉(zhuǎn)動(dòng)刀閘式三工位隔離開關(guān)沿柜深方向布置，由絕緣連桿實(shí)現(xiàn)三相聯(lián)動(dòng)。所有充氣外殼由不銹鋼板焊接，裝有防爆安全膜。改型充氣柜電壓等級(jí)有24kV、40.5kV，充SF6氣體絕緣，額定壓力0.05MPa表壓，額定電流2500A，額定短路開斷電流31.5kA，外形尺寸為寬600mm×高2450mm×深1600mm。

為確保產(chǎn)品性能，西門子形成四大核心工藝，即鈑金工藝、激光焊接工藝、澆注樹脂工藝和銅件加工工藝。

ABB公司的ZX2型充氣柜如圖2，具有單母線和雙母線兩種結(jié)構(gòu)，雙母線結(jié)構(gòu)中母線前后排列。母線室裝有一個(gè)直動(dòng)式三工位隔離開關(guān)，母線氣室與斷路器氣室間用氣隔絕緣子連接。柜與柜間用復(fù)合絕緣母線連接器連接。真空斷路器水平排列，配有光纖位置傳感器。使用電流/電壓組合式傳感器，可根據(jù)狀態(tài)信息在需要維護(hù)時(shí)提供必要的信息和提示。智能二次系統(tǒng)可顯示所有設(shè)備的狀態(tài)和測(cè)定值。開關(guān)電壓等級(jí)12～36kV，額定電流2500A，額定短路開斷電流31.5kA，充氣壓力0.02MPa表壓。

國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家主要有上海天靈開關(guān)廠、沈陽(yáng)華德海泰電器公司、廈門華電開關(guān)有限公司。一次方案主要有三種，真空滅弧室加下隔離接地開關(guān)；三工位上隔離加固封極柱；固封極柱加三工位下隔離。

上海天靈開關(guān)廠已開發(fā)出N2S/N2X系列中壓環(huán)保氣體絕緣開關(guān)柜，以及LXG/LMG/LCG系列中壓環(huán)網(wǎng)柜系列產(chǎn)品。涵蓋12/24/40.5kV電壓等級(jí)，額定電流630～3150A開關(guān)柜內(nèi)密封環(huán)保氣體種類有純氮?dú)狻?0%氮?dú)?10%SF6、50%氮?dú)?50%SF6，充氣壓力為0.02MPa表壓。該系列產(chǎn)品環(huán)保性強(qiáng)，各分柜間采用母線連接器擴(kuò)展，方便未來擴(kuò)容。該廠40.5kV充氣環(huán)網(wǎng)柜占地面積僅為空氣柜的1/10，造價(jià)與空氣柜接近或更低，特別適合標(biāo)準(zhǔn)集裝箱預(yù)制倉(cāng)模式制造，安裝、運(yùn)輸成本低，特別適合容量小的分散式發(fā)電設(shè)備場(chǎng)所分配和收集電能使用，例如風(fēng)電、光伏等新能源設(shè)備。

廈門華電Airing充氣柜采用三工位開關(guān)加真空滅弧室的成熟配置方式，三工位隔離、接地開關(guān)可視，將一次開關(guān)與二次智能配電終端集成，可以省去如DTU裝置、通信模塊、控制電源模塊的位置空間。該型開關(guān)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)分析一次系統(tǒng)的電能質(zhì)量、雙電源相互投切、簡(jiǎn)單特性采集、遠(yuǎn)動(dòng)控制等功能。

6 充氣柜發(fā)展趨勢(shì)

C-GIS產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)是高可靠性、免維護(hù)、智能化、低成本、模塊化；現(xiàn)場(chǎng)安裝方便、不用處理氣體；盡可能少用SF6氣體。

由于SF6被列為溫室效應(yīng)氣體，因而要限制使用，開發(fā)應(yīng)用無/少SF6型C-GIS。無/少SF6型C-GIS用氮?dú)?、干燥空氣等作絕緣介質(zhì)，已有10kV、24kV充壓縮空氣或氮?dú)獾漠a(chǎn)品投運(yùn)，更高電壓等級(jí)的產(chǎn)品有待開發(fā)。

元器件方面，需要發(fā)展帶電場(chǎng)控制元件的絕緣子，針對(duì)高電壓、大容量的要求，研發(fā)低介電常數(shù)、耐熱性及強(qiáng)度等均良好的樹脂材料。

C-GIS智能化是另一個(gè)發(fā)展方向。通過智能保護(hù)控制單元及后臺(tái)，可以使C-GIS智能化，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，建立計(jì)算機(jī)輔助維護(hù)系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)對(duì)中壓C-GIS運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)重要元件例如斷路器、隔離開關(guān)和操動(dòng)機(jī)構(gòu)等有關(guān)運(yùn)行參數(shù)的歸檔記錄。對(duì)絕緣件老化情況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)與診斷，建立完善預(yù)防事故的保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)。

新產(chǎn)品開發(fā)中應(yīng)用計(jì)算機(jī)模擬工具對(duì)電場(chǎng)、溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)等進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，降低研發(fā)成本和研制周期。元器件由專業(yè)化廠家生產(chǎn)，產(chǎn)品總裝在流水線上進(jìn)行，以保證質(zhì)量，提高可靠性，降低成本。模塊化設(shè)計(jì)及專業(yè)化生產(chǎn)可使中壓C-GIS與空氣絕緣開關(guān)柜成本之比降到1.5：1左右。

依靠與國(guó)際知名公司合資或合作，C-GIS已具備在國(guó)內(nèi)組裝、供貨能力，可提供可靠的產(chǎn)品及售后服務(wù)。

在城市軌道交通成功的應(yīng)用使C-GIS技術(shù)改進(jìn)、環(huán)?；筇岣撸S著技術(shù)更新和進(jìn)步，C-GIS氣體絕緣開關(guān)柜勢(shì)必向更高的可靠性、智能化、低成本、模塊化、環(huán)保型趨勢(shì)發(fā)展。

7 結(jié)語(yǔ)

充氣柜的發(fā)展是市場(chǎng)的需要，隨著知識(shí)的更新和技術(shù)的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)制造企業(yè)對(duì)C-GIS產(chǎn)品認(rèn)識(shí)會(huì)越來越深，產(chǎn)品的系列化、智能化，將使充氣柜能適應(yīng)更多用戶的使用。環(huán)保型智能化充氣柜將逐步在軌道交通和配電網(wǎng)等領(lǐng)域獲得推廣應(yīng)用。

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