張卓為

（浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州 310012）

在電壓等級(jí)220/110/20kV的變電站中，低壓側(cè)往往出線規(guī)模大、無功補(bǔ)償組數(shù)多、接線方式相對(duì)復(fù)雜，使得20kV開關(guān)柜數(shù)量多，20kV配電裝置室占地面積比較大。低壓側(cè)若使用柜式氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（C-GIS），則能顯著減小20kV配電裝置室面積，從而減小變電站總體占地面積。結(jié)合桐鄉(xiāng)220kV安興變電站設(shè)計(jì)方案，對(duì)20kV C-GIS的設(shè)計(jì)應(yīng)用進(jìn)行探討。

1 安興變電站20kV側(cè)電氣接線和布置

220kV安興變電站低壓側(cè)接線為：主變壓器進(jìn)線3回、出線24回、無功補(bǔ)償裝置12組、所變壓器2臺(tái)，單母線四分段環(huán)行＋單母線接線，每段母線設(shè)母線柜（含電壓互感器和避雷器）。遠(yuǎn)景接線示意見圖1。

220kV安興變電站的20kV配電裝置采用開關(guān)柜戶內(nèi)單列布置，開關(guān)柜共需52臺(tái)。如果按常規(guī)采用金屬鎧裝移開式開關(guān)柜，單臺(tái)開關(guān)柜寬度1 m計(jì)算，20kV配電裝置室長度達(dá)到57 m。如果采用小型化設(shè)備C-GIS，額定電流為3150 A或2500 A的大電流柜，如主變壓器柜，分段柜，復(fù)雜結(jié)構(gòu)柜，如母線橋進(jìn)線電纜出線的2號(hào)所變壓器柜、裝設(shè)電壓互感器和避雷器的母線柜，單臺(tái)寬度可控制在0.8 m，其它開關(guān)柜單臺(tái)寬度可控制在0.5 m。采用C-GIS后，20kV配電裝置室長度36.6 m，建筑面積相對(duì)減少122.4 m2。在安興變電站中，20kV配電裝置室布置在主變場地環(huán)形道路以內(nèi)，其長度恰恰制約著總平面的橫向尺寸內(nèi)，采用20kV C-GIS后，變電站占地面積可減少609 m2。

2 20kV C-GIS應(yīng)用分析

2.1 C-GIS主要結(jié)構(gòu)

C-GIS是GIS的充氣絕緣技術(shù)、密封技術(shù)與鎧裝開關(guān)柜的制造技術(shù)相結(jié)合的設(shè)備。ABB、Alstom、施耐德、西門子、日立、三菱、上海天靈等公司都有7.2～40.5kV C-GIS產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)分為：由低表壓的絕緣氣體作為絕緣介質(zhì)的高壓室（即氣箱）、由空氣作為絕緣介質(zhì)的二次室和電纜室。

高壓室：一次高壓帶電體（斷路器、三工位開關(guān)、母線及相互連接）全被密封在氣箱內(nèi)。氣箱內(nèi)充絕緣氣體；箱內(nèi)氣體壓力與大氣壓的壓差小于0.05 MPa。由于氣箱內(nèi)外壓差低、氣箱密閉性好，箱內(nèi)氣體年泄漏率一般小于0.1%。大多數(shù)C-GIS的高壓室為1～2個(gè)氣箱，每個(gè)氣箱都有獨(dú)立的氣體系統(tǒng)，互不影響，積木式插接。氣箱封裝后無須也無法對(duì)其內(nèi)部元件進(jìn)行調(diào)整和維修，斷路器一般采用真空斷路器。

C-GIS不設(shè)饋線側(cè)隔離開關(guān)和接地開關(guān)，僅在母線側(cè)設(shè)分閘、合閘、接地三工位隔離開關(guān)，以簡化C-GIS接線。饋線側(cè)接地經(jīng)下列操作實(shí)現(xiàn)：斷路器斷開－三工位隔離開關(guān)分閘位置—三工位隔離開關(guān)接地位置—斷路器合閘—實(shí)現(xiàn)饋線側(cè)接地。氣箱內(nèi)充的絕緣氣體一般為SF6，絕緣強(qiáng)度優(yōu)于壓縮空氣或N2，但對(duì)大氣的溫室效應(yīng)是CO2的23900倍。從保護(hù)環(huán)境的角度出發(fā)，宜盡量減少SF6的使用?？梢允褂肧F6與N2混合氣體（如10%SF6+90%N2），通過均勻電場來達(dá)到絕緣要求。正常情況下，SF6氣體不會(huì)接觸高溫電弧而分解。但在故障狀態(tài)下，SF6氣體在電弧電暈作用下可能分解，產(chǎn)生有害物質(zhì)。因此，20kV配電裝置室內(nèi)須設(shè)有可以室外控制的排風(fēng)機(jī)。

二次室：布置二次回路、控制和保護(hù)單元。根據(jù)需要可實(shí)現(xiàn)控制、保護(hù)、測(cè)量、通信、顯示、故障錄波和事件記錄等功能，并可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)測(cè)；具備可視界面，以便巡視檢修。

電纜室：根據(jù)需要布置電纜頭、電流互感器、電壓互感器、避雷器?；ジ衅鞑捎铆h(huán)氧樹脂澆注式或電子式。主回路與電纜、互感器、避雷器等元件的連接采用固體界面絕緣插接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)插拔式安裝。根據(jù)需要可預(yù)留插接孔；預(yù)留的插接孔不用時(shí)，用專用絕緣封堵件封上即可。

柜間連接采用固體絕緣母線、固體界面絕緣技術(shù)，如硅橡膠連接器，無需改變或移動(dòng)原有柜體，即可在原有柜體兩側(cè)進(jìn)行擴(kuò)展或更換中間柜。

2.2 C-GIS的優(yōu)點(diǎn)

與常規(guī)的金屬鎧裝移開式開關(guān)柜相比，CGIS有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）體積小?？刂艭-GIS柜體尺寸的因素主要是絕緣、結(jié)構(gòu)、散熱面積。大電流或復(fù)雜結(jié)構(gòu)20kV C-GIS的占地面積約為金屬鎧裝移開式開關(guān)柜的1/2，其他20kV C-GIS的占地面積約為金屬鎧裝移開式開關(guān)柜的1/3。

（2）絕緣可靠性高，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。由于高壓帶電體及其連接部分采用絕緣性能優(yōu)良的氣體密封絕緣，能實(shí)現(xiàn)不受環(huán)境如大氣條件、濕度、海拔、小動(dòng)物、氧化腐蝕等因素的影響，運(yùn)行可靠性高，減少了配電系統(tǒng)的絕緣故障率（絕緣故障約占配電系統(tǒng)故障30%）。

（3）密封部分免維護(hù)。C-GIS能節(jié)省維護(hù)成本，降低維護(hù)風(fēng)險(xiǎn)（維護(hù)引發(fā)故障約占配電系統(tǒng)人為故障30%）。

（4）運(yùn)行成本低。C-GIS主回路電阻小，運(yùn)行能耗小，符合國網(wǎng)公司全生命周期成本（LCC）理念。

（5）電氣安全性高。C-GIS產(chǎn)品沒有外露的高壓帶電體，可以保障運(yùn)維人員的電氣安全性。

圖1 安興變電站20kV側(cè)電氣接線

3 浙江省變電站標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)對(duì)20kV CGIS的要求

3.1 參數(shù)要求

（1）額定電流、額定短路開斷電流要求。按照浙江省220kV（20kV）變電站標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的要求，20kV側(cè)主變、分段開關(guān)柜的額定電流要求3150 A，其他開關(guān)柜的額定電流要求1250 A；柜內(nèi)斷路器開斷電流值要求25 kA。

目前大多數(shù)公司20kV C-GIS產(chǎn)品的額定電流均滿足2500 A，額定短路開斷電流滿足31.5 kA；部分公司（如上海天靈）C-GIS產(chǎn)品的額定電流可達(dá)到3150 A，并能完全自然冷卻，額定短路開斷電流可達(dá)40 kA。

（2）絕緣水平要求。20kV電氣設(shè)備的絕緣水平由雷電沖擊耐壓值決定，以避雷器雷電沖擊10 kA可達(dá)到殘壓為基準(zhǔn)，配合系數(shù)不小于1.4。20kV電氣設(shè)備絕緣水平要求如下：1 min工頻耐壓（有效值）：對(duì)地65kV，斷口間79kV；雷電沖擊耐壓：對(duì)地125kV，斷口間145kV，20kV C-GIS產(chǎn)品普遍能滿足要求。

（3）外絕緣泄漏距離要求。根據(jù)DL/T 404-2007《3.6kV～40.5kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》[1]要求，金屬封閉開關(guān)設(shè)備內(nèi)外絕緣件的最小標(biāo)稱爬電比距為18 mm/kV（瓷質(zhì)）、20 mm/kV（有機(jī)）。20kV屋內(nèi)電氣設(shè)備外絕緣泄漏距離應(yīng)為 432 mm（瓷質(zhì)），480 mm（有機(jī)），20kV CGIS產(chǎn)品普遍能滿足要求。

3.2 元件要求

（1）真空斷路器要求不產(chǎn)生危害性過電壓。

（2）隔離開關(guān)應(yīng)能切斷小電流（如斷路器的充電電流），而不產(chǎn)生可能引起控制回路瞬時(shí)過電壓或在外殼上瞬時(shí)電位升高的瞬時(shí)過電壓。

（3）開關(guān)柜的安裝、操作、擴(kuò)展及更換無需涉及SF6氣體操作。充氣式開關(guān)柜在正常運(yùn)行時(shí)，應(yīng)能在不停電的情況下安全進(jìn)行氣體取樣等檢驗(yàn)工作。

3.3 允許進(jìn)出線方式要求

要求20kV C-GIS能實(shí)現(xiàn)母線橋進(jìn)線（1號(hào)、2號(hào)主變進(jìn)線柜）、電纜進(jìn)線 （3號(hào)主變進(jìn)線柜）、電纜出線 （電纜出線柜）、母線橋進(jìn)線電纜出線（2號(hào)所變柜）等進(jìn)出線方式，每相可連接1～3根電纜。

個(gè)別C-GIS產(chǎn)品不能實(shí)現(xiàn)母線橋進(jìn)線及母線橋進(jìn)線電纜出線的方式，故在設(shè)備招標(biāo)時(shí)應(yīng)注意標(biāo)明要求的進(jìn)出線方式。罕有C-GIS產(chǎn)品能實(shí)現(xiàn)同時(shí)母線橋進(jìn)出線或同時(shí)電纜進(jìn)出線，這2種進(jìn)出線方式也鮮有需求。

4 20kV C-GIS經(jīng)濟(jì)分析

通過詢價(jià)，在能滿足設(shè)計(jì)參數(shù)要求的20kV C-GIS產(chǎn)品中，部分C-GIS的造價(jià)可控制在浙江省220kV（20kV）變電站標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)通用造價(jià)之內(nèi)。按遠(yuǎn)景規(guī)模，對(duì)充SF6型C-GIS作經(jīng)濟(jì)分析見表1。

表1 設(shè)備造價(jià)分析

如果考慮環(huán)境友好型盡量少用SF6，可采用充混合氣體的C-GIS（例如充10%SF6+90%氮?dú)猓﹦t造價(jià)較充純SF6型增加約15%～20%。部分合資品牌的20kV C-GIS造價(jià)較上表約增加15%～30%。

可見，20kV C-GIS的價(jià)格并非高不可攀。而且，采用20kV C-GIS，土建費(fèi)用明顯減少。在安興變電站中，采用20kV C-GIS后，建筑面積減少122.4 m2，節(jié)省投資24.48萬元；變電站占地面積減少609 m2，節(jié)省投資22.86萬元；共計(jì)減少土建費(fèi)用47.34萬元。

綜合來看，采用20kV C-GIS的性價(jià)比頗為優(yōu)良。

5 C-GIS應(yīng)用中須注意的問題

5.1 C-GIS對(duì)安裝地坪平整度要求高

C-GIS對(duì)安裝地坪平整度要求高，一般要求在整個(gè)C-GIS運(yùn)行年限內(nèi)（如30年），安裝地坪誤差小于1 mm/m且C-GIS整體安裝地坪誤差小于5 mm。浙江部分地區(qū)存在不均勻沉降，投產(chǎn)后時(shí)間越久，安裝地坪的水平標(biāo)高差越大。由于CGIS柜間連接母線采用固體界面絕緣技術(shù)，一旦安裝地坪誤差超出C-GIS的承受范圍，會(huì)產(chǎn)生界面接觸不均勻，會(huì)影響氣室密封性。因此，在220kV安興變電站中，對(duì)20kV配電裝置室安裝地坪采取了架空、整體現(xiàn)澆、校準(zhǔn)地平誤差的措施。

5.2 泄壓通道

為防備異常情況下C-GIS的氣體外泄，CGIS應(yīng)考慮泄壓通道。個(gè)別C-GIS設(shè)內(nèi)置泄壓通道，大部分C-GIS要求外部空間具備泄壓通道。對(duì)要求外部空間具備泄壓通道的C-GIS，土建預(yù)留在安裝地坪下的高壓電纜安裝孔、柜體上方?jīng)]有母線橋的空間，即可作為泄壓通道。泄壓通道不應(yīng)朝向操作人員。

5.3 監(jiān)測(cè)

現(xiàn)代監(jiān)測(cè)技術(shù)或智能化技術(shù)可進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視，變定期維護(hù)為狀態(tài)維護(hù)。除了常規(guī)的斷路器機(jī)械故障、母線異常溫升、局放、故障電弧等監(jiān)測(cè)外，C-GIS還需要監(jiān)測(cè)所充灌的絕緣氣體。例如對(duì)充SF6的C-GIS，需要監(jiān)測(cè)SF6氣體密度和SF6氣體含水量，SF6氣體密度決定了SF6氣室內(nèi)的絕緣強(qiáng)度。而當(dāng)SF6氣體中的水分含量若超過飽和值時(shí)，水分就可能凝結(jié)在固體絕緣件的表面，降低其沿面閃絡(luò)電壓。

6 結(jié)語

通常認(rèn)為，限制C-GIS取代常規(guī)空氣絕緣開關(guān)柜的因素為其額定電流和價(jià)格。從上述分析可知，20kV C-GIS滿足浙江省220kV（20kV）標(biāo)準(zhǔn)化變電站要求的性能條件，且造價(jià)可控制在標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)通用造價(jià)之內(nèi)。C-GIS有尺寸小、絕緣可靠性高、運(yùn)行維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)，能減小20kV配電裝置室建筑面積，減少變電站占地面積。在C-GIS實(shí)際應(yīng)用時(shí)，須注意保證其安裝地坪在整個(gè)C-GIS運(yùn)行年限內(nèi)的平整度。

[1]DL/T 404-20073.6kV～40.5kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備[S].北京：中國電力出版社，2008.

[2]王金剛.中壓C-GIS（充氣柜）發(fā)展方向及技術(shù)問題[J].電力設(shè)備，2005，6（2）∶121-122.