川開電氣有限公司 王 濤 郭 攀 喬 爔 吳小虎

1 引言

中壓氣體絕緣金屬封閉開關設備簡稱C-GIS，是多學科的有機結合的產物，融合了氣體絕緣技術、氣體密封技術、控制技術、傳感技術、金加工技術、焊接技術等。其主要特點在于體積小、全封閉、全絕緣、環(huán)境適應力強，功能穩(wěn)定可靠，廣泛用于軌道交通、大型工礦企業(yè)、新能源等市場領域，起到控制、測量、檢測和保護的作用。隨著C-GIS 行業(yè)整體的穩(wěn)健增長，電網領域國產化速度的推進，國家電力需求的日益增長和電網的升級改造，40.5kV C-GIS 的應用優(yōu)勢日益凸顯，35kV 配電市場得到了快速擴張，其市場占有率逐年提升。

2 C-GIS 產品結構形式及特點

2.1 產品結構

從目前40.5kV C-GIS 應用情況來看，其整體結構普遍采用的柜式結構，僅西門子公司的8DA/8DB系列采用了高壓GIS 的罐式結構。柜式結構的優(yōu)點在于容易制作，基本沒有需要特殊開模制作的零部件，生產成本低，裝配方式靈活，能滿足不同的方案需求。柜式結構的C-GIS 主要包含一次主回路氣箱、電纜室、二次儀表室、機構室、泄壓通道等部分。氣箱的布局根據各廠家高壓母線、三工位開關、真空斷路器等布局方式和需求，又有單氣室和雙氣室之分，但市場上多數廠家采用以及用戶接受度高的方案是雙氣室布局。氣箱結構通常選用不小于3mm厚不銹鋼板激光焊接而成，激光焊接強度好，焊接密封缺陷低，焊縫美光等優(yōu)點從而得到廣泛廠家應用。因不同廠家充氣氣體、充氣壓力、結構布局不同，氣箱加強筋有“C”型、“幾”型，也有方管、襯板等方式。C-GIS 的柜間母線結構擴展通常采用插拔式固體絕緣母線（頂擴）或混合絕緣母線（側擴）形式；柜間母線擴展通常在氣箱上預裝外錐母線套管或氣箱側面安裝預留內錐套管，方便實現固體絕緣母線或混合絕緣母線插拔式連接，不同廠家對柜間母線連接方式不完全一致，均有不同特點。如青島特銳德40.5kV 充氣柜TGP-40.5頂擴母線擴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場安裝的便捷性。

在電流互感器布局方面，主要有兩種形式，一是電流互感器內置于氣箱和外置于氣箱外的電纜室。電流互感器內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、維護困難；同時由于增加的互感器與氣箱之間的密封，因此漏氣風險也隨之增加；二是外置于氣箱外側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行安裝，但有利于后期運維檢修。內置方式主要以國外和合資品牌為主，外置電纜室方式主要以國產品牌為主。

2.2 產品特點及優(yōu)勢

一是環(huán)境適應性強。高壓帶電元器件完全密封于氣箱內，密封的氣箱防護等級可達IP67，應用場所的污穢、鹽霧、雨雪等惡劣環(huán)境不會對一次回路導電和操作造成影響，可較好地適應沿海、潮濕、重污染、高海拔等多種特殊區(qū)域。

二是使用壽命長。一次主回路全密封于不銹鋼氣箱內，氣箱外殼抗腐蝕能力強；氣箱內采用氣體絕緣結構，通?？蓪崿F20～40年不補氣下正常運行，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或免維護，以及無人值守的變電站的實現。

三是占地面積少。C-GIS 采用氣體和固體復合絕緣結構，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；因此在使用過程很大程度節(jié)約了占地面積與變電站的建設。

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

3 C-GIS 產品市場應用情況

中壓C-GIS 產品的出現和應用，標志著中壓開關柜的研究與應用進入一個嶄新階段。根據國網的統(tǒng)計報告，截至2017年國家電網系統(tǒng)內的12kV、24kV、40.5kV C-GIS 應用總量就已經突破10000臺，其中40.5kV C-GIS 占比約38%，有3825臺。在2018-2019年的時間內，電網系統(tǒng)內C-GIS 增加了5506臺，僅兩年時間就增長了2017年以前總和的一半，增長迅速[1]。同時值得注意的是，隨著電網的改造升級和新能源建設，40.5kV 的大電流開關設備需求量逐年提高。但其特點主要表現為40.5kV C-GIS 的指標在國家電網中額定電流主要以1250A為主，在光伏與風電為主的新能源領域額定電流則以2500A 或3150A 為主。

近年來國內外對環(huán)保型氣體絕緣開關設備的研制與應用呼聲愈來愈高，也提出了明確要求。國內外一些科研單位和有實力的廠家都在積極開展環(huán)保絕緣氣體的探尋及其在C-GIS 上的應用，并且國家電網也在進行相關環(huán)保型充氣柜設備的招標與應用。

4 C-GIS 產品發(fā)展方向

4.1 發(fā)展方向

從國內生產和應用來看，目前40.5kV C-GIS仍然以SF6絕緣為主，普遍采用雙氣室結構。分析主流廠家40.5kV C-GIS 主要參數可知：額定電流主要集中為1250A-2500A，少數廠家能做到額定電流為3150A；額定短時耐受電流為25kA 與31.5kA兩檔；額定充氣壓力（相對，20℃，MPa）主要分布在0.04～0.05的微正壓內；柜寬尺寸為600mm 與800mm；該部分參數已逐漸成為各個廠家和市場的通用參數。

(2) 對于強蝕變巖、渣體以碎屑狀為主時，化學灌漿材料發(fā)泡倍數及漿液擴散半徑均對固結體強度產生顯著影響。當漿液擴散半徑為0.25 m，灌漿材料發(fā)泡倍數分別為2倍～3倍、5倍～10倍時，試塊固結強度分別為10 MPa、5 MPa，而當漿液擴散半徑為0.75 m、灌漿材料發(fā)泡倍數調整為2倍～3倍時，試塊最大固結強度為3.5 MPa左右。

在電力行業(yè)中SF6應用非常廣泛，應用現場目前對于SF6回收、處理的設備缺失，現場檢修或試驗時候基本都是直接排放。根據聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的報告顯示：1kg SF6GWP值相當于23.9tCO2GWP 值，并且自然條件下SF6的降解非常緩慢。在各國碳減排政策和目標的促使下，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。目前國內外科研單位、企業(yè)主要集中在氟化物、N2、CO2及其混合氣體研究。

隨著用電負荷容量的不斷增加，變電站主變容量也越來越大，40.5kV 開關設備額定電流由原來的1250A 快速向3150A、4000A，甚至5000A 發(fā)展。就目前實際應用來看，大電流變電站大都采用分流方案[2]，這就使得設備投資加大，而普通大電流KYN61柜體積過于龐大，無法實現變電站建設的小型化和集成化需求。因此，研發(fā)性能穩(wěn)定、開斷可靠的大電流40.5kV C-GIS 勢在必行，其應用市場前景廣闊。

智能手機、智能家電、智能汽車等新型概念與產品不斷融入大眾生活，“智能”無處不在。電網要實現智能的關鍵在于配網自動化，而配網自動化的關鍵在于中壓開關設備的智能化。智能中壓開關設備應該具有多功能、運行穩(wěn)、安全可靠等基本特性，可實現自動控制和故障自診斷以及網絡遙測、遙控等功能，實現遠程監(jiān)控和無人值守，減少運維成本。各科研單位和廠家主攻幾個方向：操作自動化；在線監(jiān)測和自診斷技術等。

隨著電網改造發(fā)展以及光伏、風電等新能源建設，以及環(huán)保意識的提高和對自動化、智能化的需求，環(huán)保型、大電流、智能化40.5kV C-GIS 研制勢在必行。

4.2 技術難點與解決思路

在大電流方向：已有廠家通過采用雙組隔離刀方案設計了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 的額定電流已經可以做到3150A，并已成熟地應用到市場；而西門子罐式結構的8DA10電流可高達4000A。

在環(huán)保型氣體方向：主要的絕緣介質為N2、干燥空氣、C5氣體等。國內廠家主要以N2與干燥空氣為主，并且采用N2絕緣的40.5kV C-GIS 已經上市應用；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，應用普及性不高。

總體來說，目前環(huán)保型、大電流、智能化的40.5kV C-GIS 技術還未成熟，主要有以下幾個技術需要突破。

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：介電常數大，無可燃性，導熱性好，高飽和蒸汽壓，理化惰性，不易分解或與導體、絕緣材料等不易發(fā)生反應，而環(huán)保絕緣氣體還應具備無毒，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。從目前的研究和應用來看，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時，氣箱尺寸與SF6充氣柜基本相同時，但其充氣壓力升高；在N2作為絕緣介質時，N2氣體和局部固體相結合的界面絕緣技術使其絕緣性能更加優(yōu)越。

雖然目前已有單位研制出無SF6環(huán)保40.5kV 充氣柜，但是仍有幾大問題亟待解決：探尋高絕緣強度環(huán)保氣體，涉及充氣柜小型化研究；溫升對氣體絕緣強度的影響，涉及能否成功做成大電流充氣柜；環(huán)保氣體的監(jiān)測和檢漏技術，涉及充氣柜氣箱密封、充氣壓變化的在線監(jiān)測；環(huán)保氣體的充氣和回收技術，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題。同傳統(tǒng)空氣絕緣開關柜比較，充氣柜的斷路器、三工位隔離開關、母排等完全密封于具有一定氣壓的氣箱內，該密封結構造成內部絕緣氣體與外部空氣無法直接進行對流形成熱交換。充氣柜氣箱內的氣體傳熱主要以輻射導熱和氣箱內的對流同時作用的換熱，而對流與輻射換熱又主要受氣體密度、黏度、導熱率有關。因此，同種結構的充氣柜的散熱能力主要由絕緣氣體性質決定。

無論充氣柜的熱功耗以哪種形式進行散熱，都與散熱面積緊密相關，這就與小型化和經濟性相互矛盾。無論采用哪種絕緣氣體，都必須面對這個問題，這就對充氣柜通流能力的提升提出了嚴峻挑戰(zhàn)[5]。

三是多物理場下的傳感技術。開關柜的自動化、智能化離不開對各大元件工作狀態(tài)的在線監(jiān)測。充氣柜一次主設備均密封于不銹鋼板制焊接密封而成的氣箱內，而氣箱內是一個高壓、大電流、強電磁、高熱氣壓的一個復雜環(huán)境。因此，應用于40.5kV 充氣柜在線監(jiān)測的傳感器必須滿足耐壓絕緣、氣體耐受、溫度耐受、電磁耐受，同時還需要面臨信號的傳輸問題。這就對充氣柜的智能化、實時監(jiān)測等技術的研制提出了更高的要求。

5 結語

由于新材料、新技術的發(fā)展與應用，40.5kV 充氣柜產品質量不斷提高，性價比越來越高。同時，隨著國家在加強電網、新能源、軌道交通等項目大規(guī)模建設及升級改造的持續(xù)投入，40.5kV 充氣柜必將更廣泛應用。