中壓充氣柜及其發展

西安高壓電器研究院 李建基

柜式氣體絕緣金屬封閉開關設備國外稱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、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。

一、氣體絕緣開關設備的優勢

氣體絕緣開關設備(充氣柜)是將高壓元件，如母線、斷路器、隔離開關、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。它有如下的優點：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，故不受外界環境的影響；三是配用了免維護的真空開關，大大提高了可靠性。

氣體絕緣開關設備可用于極其惡劣的環境條件下。如溫度變化大和高濕環境（如濕熱帶地區），高溫及低溫地區（如沙漠地區和南北極區），環境中含有自然物質（如沿海鹽霧、工業粉塵）或化學性腐蝕物質（化工廠、煉油廠）的地方，還有地震區，有震動場合、高海拔地區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、地鐵和鐵道以及海拔最高的青藏鐵路等。這里舉上海應用西門子充氣柜二、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拆遷征地50m×60m。但開關設備需要35面，若用常規開關設備根本無法排布，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品。

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

二、充氣柜的結構

充氣柜現有2種外形上差異很大的結構形式：一種為圓筒型結構；另一種為柜式結構。前者很像高壓GIS，后者卻很像一般金屬封閉開關柜。

圓筒式充氣柜有三相共筒式和分相式2種結構。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。

充氣柜的柜式結構，也有各種形式，其主要區別在于：（1）氣室的設置，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。

關于氣室的設置，現多為單氣室和2氣室。單氣室結構簡單，制造容易，成本低，但氣室內元件在一起，容易相互受影響，可靠性差些。多氣室結構復雜，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級最能體現充氣柜的優勢，因此國內外制造商的充氣柜并不是都從12kV到40.5kV成系列，多數廠商開發充氣柜從40.5kV電壓等級做起，并不一定延伸到12kV等級產品。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充氣柜的優勢特別表現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）。這對城網建設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設備（國內俗稱充氣柜）。當時充氣柜為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8DA10/8DB10型等系列充氣柜30 000間隔。如果將這些產品排成行，長度長達18km。西門子充氣柜在德國的法蘭克福開關廠生產。該廠現集中力量生產氣體絕緣開關設備（包括環網柜）。充氣柜加環網柜每年產量約為45000間隔。為此該廠每年加工鋼板10 000t以上，加工VZA優質鋼鐵3000t，加工鋼材1000t以上。該廠的氣體絕緣開關設備在世界市場上處于主導地位。

在從1982年到2007年的25年中，西門子充氣柜有了很大發展，從8DA10/8DB10型—8DC11型—NXplus型，其中8DA10/8DB10型為分相鋁筒式結構，而8DC11型和NXplus型為三相共箱式結構。8DA10/8DB10型參數為12-40.5kV/630-2 500A/31.5-40kA，8DC11型參數為12-24kV/1250A/25kA，NXplus型參數為40.5kV/2 500A/31.5kA。這三種型號產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構，而后兩種為三相共箱式結構。參見圖一和圖二。

三、結構及工藝特點

圖1 8DA10型中壓GIS的結構圖

圖2 NXplus型40.5kV（最高）充氣柜結構

與空氣絕緣開關設備不同，氣體絕緣開關設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。斷路器或母線和三工位開關也可裝在兩個分開的隔室內。而操動機構及所帶脫扣器、輔助開關及電流、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管內進行，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，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。三工位開關擺動操作，而斷路器軸向操動。操動機構采用電動機儲能的彈簧操動機構，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備全自動焊接。向內呈拱形的防爆膜盒與殼體壁焊在一起。

氣體絕緣開關設備為確保產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)優質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。像電流套管等的構件在這些夾具內通過一個低壓力系統送入和固定在正確的位置；

(2)在制作氣密殼體時，鋼板在激光設備上繼續自動焊接。在保護氣體的艙內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量。100%的密封性例行檢查和用X光檢查絕緣件的材質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。這就節省了大量的螺紋連接。因為每個螺紋部位導電截面收縮成為一個發熱點，而三維折彎的銅排減少了設備的發熱。此外螺紋連接加工費事又需支付額外費用。由于節省了螺紋連接，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。還在檢驗室內又吸出氦氣，給殼體內充入SF6氣體，然后焊上充氣管，也要檢查氣密性。

四、中壓充氣柜的技術進步

中壓充氣柜（C—GIS）技術的進步，國外主要表現在減少產品中SF6氣體用量和研發非充SF6氣體充氣柜。如在歐洲，主要是減少新產品中SF6氣體的用量。而在日本，一方面減少新產品中SF6氣體的用量，另一方面，開發非SF6充氣柜，如用干壓空氣絕緣或用固體絕緣。SF6氣體具有最優異的滅弧和絕緣性能，但被列為溫室效應氣體之一，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（全球變暖系數）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）生成導電的積炭層。

現已發現的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，因此進入實際應用還很不現實。

為此，SF6開關設備制造廠家可行的辦法是在產品設計中盡量減少SF6氣體用量、泄漏量和排放量。

采用先進的設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備制造商之一的Areva（阿?，m）公司SF6充氣柜一代又一代從WI—WS—GWA發展中SF6充氣量從100%（WI型）—90%（WS型）—40%（GWA型）。又如富士新開發的C—GIS2000型24kV充氣柜的用氣量從12kg減少為4.4kg（減少63%），還有新開發的72/84kV充氣柜，將SF6用量從老產品的100%減為36%（減少64%）。

德國中壓開關設備制造業發達。制造企業自行承擔SF6氣體減排任務，經過不懈的努力，從1995年到2003年間，SF6氣體的排放量減少了55%。在德國，由1kV以上開關及其設備排放出的SF6氣體僅占溫室效應的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月開發出C—GIS 2000型24kV SF6充氣柜，此產品減少了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：

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；

a) 旋轉式隔離開關；

b) 裝在絕緣件容器內。

圖3 C-GIS2000到2100已經不用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）。

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

新型與老型技術見表2。

圖4 72/84kV充氣柜(C-GIS)結構

（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/接地開關為一個氣箱，并要求與N2X—12kV形成系列化和標準化設計：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24kV不接地系統要求；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的類似充氣柜產品尺寸。

表1 三代充氣柜技術指標比較（5間隔）

新型與老型技術參數比較見表2。

表2 新型與老型的技術數據比較（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?！?2kV-24kV產品可用氮氣和N2+SF6混合氣體絕緣，以技術創新和精確設計確保在提高產品性能的同時，減少產品對環境的危害；

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；可降低設備的全壽命周期成本；

能耗更低——開關柜主回路電阻低，載流能力最高，長期運行節約能耗；

高模塊化——靈活組合，拼接方便；用戶在現場不需處理氣體；

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，雖多數仍使用具有優異滅弧和絕緣性能的SF6氣體，但也出現了非充SF6充氣柜。如用氮氣或干壓空氣取代SF6，現還出現固體絕緣柜及復合絕緣柜。如富士于2004年4月開發出C—GIS2100型24kV干壓空氣充氣柜。該產品采用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構及外形尺寸見圖5。

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

（四）復合絕緣開關柜

圖5 C-GIS 2000型 和C-GIS 2100型充氣柜的結構和外形尺寸

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

以前，中壓等級（24-84kV）開關柜是以絕緣介質使用SF6氣體的箱型氣體絕緣金屬封閉開關設備（C—GIS）為主流產品，但SF6氣體作為溫室效應氣體（全球變暖系數為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氣體的開關柜。在這一背景下，2000年以后，在24—36kV等級實現了無SF6氣體開關柜的商品化。

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

圖6 采用復合絕緣技術的絕緣性能概念圖

之后，通過更進一步地提高干燥空氣絕緣和固體絕緣相結合的復合絕緣技術（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，實現了72kV—7.2kV等級無SF6產品的系列化（圖7）。

該產品通過將主回路部分放置在密封容器內，并采用大氣壓程度的低壓力干燥空氣和固體絕緣件的復合絕緣，實現了無SF6氣體化。在采用將控制回路部分及操動機構部分放置在金屬封閉箱內不受設置環境影響的結構、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，減輕了真空開關管（VST）對波紋管的負擔，并通過采用電磁操動機構對主觸頭直接操作，大幅度簡化了VCB驅動機構部分的結構，無需擎子、拐臂類磨損件后，大幅度減少了零部件個數。因此，提高了包括操動機構在內的VCB的可靠性，減少了現場安裝場所的氣體處理，簡化了作業。

圖7 72kV HG-VA型C-GIS的結構（受電柜）

表3 密封式復合絕緣開關柜的額定參數

（五）固體絕緣柜

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

固體絕緣柜（圖8）帶來一系列優勢。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，有利于環保；C—GIS體積為2.7m3，而SIS為1.7m3，僅為其63%；C—GIS零件數為2500個，而SIS為1200個，為其48%。一面固體絕緣柜（SIS）省下5kg SF6氣體，相當于120t CO2的溫室效果。

日本的開關柜最早誕生于1890年。在其后的100多年中，開關柜的發展經歷了敞開型——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氣體的環保型開關柜。固體絕緣的絕緣強度三倍于SF6氣體，故可實現開關柜小型化、輕量化。

圖8 24kV SIS的典型結構

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

五、結語

中壓充氣柜在我國的發展方興未艾。當前主要使用SF6氣體絕緣，為了減少或不用SF6氣體，或對現有產品改型，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，故出現了干壓空氣絕緣充氣柜、復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展方向，值得關注。

[1]李建基，高壓開關設備實用技術，中國電力出版社.2005年，北京

[2]日本三菱.發展中的變配電系統設備.高壓電器技術信息.2009年，No.2，P35-38，P46

[3]日本東芝.24/36kV固體絕緣開關柜的開發.高壓電器技術信息.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.高壓電器技術信息.2006年，No.3，P13-20