中壓充氣柜發展現狀

董仲剛++李惠鵬++黃皓宇++顧克勝++莫春榮

摘 要：隨著經濟社會發展，中壓開關柜使用量越來越大，近年來不受外界環境影響的小型化、免維護、可靠性高的充氣式開關柜日益受歡迎。本文回顧了充氣柜產品的發展歷程和特點，介紹了目前較常見的幾種產品型號，總結并展望了充氣柜的發展趨勢。環保型智能化充氣柜將成為充氣柜的發展方向，并將在軌道交通和配電網等領域逐步獲得推廣應用。

關鍵詞：充氣柜；發展趨勢；環保型；智能化

中圖分類號：TM59 文獻標識碼：A 文章編號：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設備（Cubical Gas Insulated Switchgear），簡稱C-GIS，是一種以斷路器為主開關，用于10～35kV或更高電壓等級的一次配電系統設備。充氣環網柜以負荷開關為主開關，也有配斷路器的方案，用于10～35kV的二次配電系統。充氣柜通常是C-GIS與充氣環網柜的統稱。

充氣柜利用GIS的絕緣技術、密封技術將高壓元件安裝在箱型密封容器內，并充入略高于大氣壓力的絕緣氣體，利用現代先進的加工工藝制成成套系列化產品，在系統正常和故障情況下具有對電能分配的控制、保護、測量、監視和通訊功能。相對于傳統非密閉的移開式空氣絕緣開關柜，具有密封充氣的特點。

2 充氣柜特點與使用場合

充氣柜的整個高壓系統處于完全密封的狀態，不受外界環境條件的影響，縮小了柜體外形尺寸，具有整體小型化、高可靠性、免維護的特點，由于在工廠整體組裝后運往現場，現場安裝方便，運維成本低，整個生命周期具有較高的性價比和可靠性。

由于具有以上特點，充氣柜是環境條件惡劣地區和污染嚴重地區的最佳中壓配電設備。另外，在人口密集地區、大型工礦企業、高層建筑等場合，因占地面積、空間限制，也需要這種開關設備。

3 充氣柜的分類

20世紀80年代以來，充氣柜的發展經歷了不同階段。充氣柜可按電壓等級劃分，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、變電和工業配電用，按內部高壓元件布置方式分為有隔板與無隔板，按結構分為箱式和圓筒式。圓筒式很像高壓GIS，箱式卻很像一般金屬封閉開關柜。圓筒式充氣柜有三相共筒式和分相式兩種結構。柜體材料有鑄鋁合金，也有鋼板卷制。

4 充氣柜發展歷程

C-GIS產品始于20世紀80年代初。1980年，日本開發了氣壓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，采用單項圓筒式結構，很像高壓GIS。隨后其它公司也推出了自己的產品。我國于20世紀90年代開始研制C-GIS。

中壓C-GIS的發展過程呈現出以下特點：

（1）箱體從圓筒型轉向柜型。西門子、三菱、AEG等公司早期產品為圓筒形。由于柜式結構具有體積小、占地面積小、維護性能好、結構簡單等特點，他們后期研制的產品都改為柜式結構。

（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、斷路器等氣體間隔。由于C-GIS具有不受環境影響、可靠性高、免維護等特點，現在C-GIS都只剩1或2個氣室。

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

（4）主接線方式簡單化。國外產品將線路側隔離和接地開關取消，簡化了柜體結構，降低了成本。

（5）控制、監測、保護、診斷智能化。將傳統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，動態測量范圍增大，可靠性高，成本降低。

5 國內外主要產品

國外生產C-GIS的廠家主要有ABB、西門子、東芝、三菱、AEG、SE、MG。目前形成了兩種設計模式，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；日本模式是斷路器上下和電纜側均有三位置隔離刀，且電纜側具有快速接地開關，安全性高，但整機設計和機械聯鎖過于復雜。

NXPLUS型C-GIS是西門子公司產品，如圖1所示，采用多樣化的模塊化結構，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，轉動刀閘式三工位隔離開關沿柜深方向布置，由絕緣連桿實現三相聯動。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構，雙母線結構中母線前后排列。母線室裝有一個直動式三工位隔離開關，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，可根據狀態信息在需要維護時提供必要的信息和提示。智能二次系統可顯示所有設備的狀態和測定值。開關電壓等級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。

國內生產廠家主要有上海天靈開關廠、沈陽華德海泰電器公司、廈門華電開關有限公司。一次方案主要有三種，真空滅弧室加下隔離接地開關；三工位上隔離加固封極柱；固封極柱加三工位下隔離。

上海天靈開關廠已開發出N2S/N2X系列中壓環保氣體絕緣開關柜，以及LXG/LMG/LCG系列中壓環網柜系列產品。涵蓋12/24/40.5kV電壓等級，額定電流630～3150A開關柜內密封環保氣體種類有純氮氣、90%氮氣+10%SF6、50%氮氣+50%SF6，充氣壓力為0.02MPa表壓。該系列產品環保性強，各分柜間采用母線連接器擴展，方便未來擴容。該廠40.5kV充氣環網柜占地面積僅為空氣柜的1/10，造價與空氣柜接近或更低，特別適合標準集裝箱預制倉模式制造，安裝、運輸成本低，特別適合容量小的分散式發電設備場所分配和收集電能使用，例如風電、光伏等新能源設備。

廈門華電Airing充氣柜采用三工位開關加真空滅弧室的成熟配置方式，三工位隔離、接地開關可視，將一次開關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。該型開關設備可實現分析一次系統的電能質量、雙電源相互投切、簡單特性采集、遠動控制等功能。

6 充氣柜發展趨勢

C-GIS產品的發展趨勢是高可靠性、免維護、智能化、低成本、模塊化；現場安裝方便、不用處理氣體；盡可能少用SF6氣體。

由于SF6被列為溫室效應氣體，因而要限制使用，開發應用無/少SF6型C-GIS。無/少SF6型C-GIS用氮氣、干燥空氣等作絕緣介質，已有10kV、24kV充壓縮空氣或氮氣的產品投運，更高電壓等級的產品有待開發。

元器件方面，需要發展帶電場控制元件的絕緣子，針對高電壓、大容量的要求，研發低介電常數、耐熱性及強度等均良好的樹脂材料。

C-GIS智能化是另一個發展方向。通過智能保護控制單元及后臺，可以使C-GIS智能化，實現狀態監測，建立計算機輔助維護系統、故障診斷系統對中壓C-GIS運行狀態進行在線監測，實現重要元件例如斷路器、隔離開關和操動機構等有關運行參數的歸檔記錄。對絕緣件老化情況進行在線監測與診斷，建立完善預防事故的保護監控系統。

新產品開發中應用計算機模擬工具對電場、溫度場、應力場等進行優化計算，降低研發成本和研制周期。元器件由專業化廠家生產，產品總裝在流水線上進行，以保證質量，提高可靠性，降低成本。模塊化設計及專業化生產可使中壓C-GIS與空氣絕緣開關柜成本之比降到1.5：1左右。

依靠與國際知名公司合資或合作，C-GIS已具備在國內組裝、供貨能力，可提供可靠的產品及售后服務。

在城市軌道交通成功的應用使C-GIS技術改進、環保化要求提高，隨著技術更新和進步，C-GIS氣體絕緣開關柜勢必向更高的可靠性、智能化、低成本、模塊化、環保型趨勢發展。

7 結語

充氣柜的發展是市場的需要，隨著知識的更新和技術的進步，國內制造企業對C-GIS產品認識會越來越深，產品的系列化、智能化，將使充氣柜能適應更多用戶的使用。環保型智能化充氣柜將逐步在軌道交通和配電網等領域獲得推廣應用。

參考文獻

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