高壓C-GIS配電裝置在變電站中的應用研究

沈陽電能建設集團有限公司 崔克非

1 設備現狀及發展方向

目前，既有的配電網變電站開關設備主要有兩大類，一類是采用常規敞開式空氣絕緣開關設備，間隔內由隔離開關、斷路器、電流互感器等設備組成，各設備之間采用敞開式鋼芯鋁絞線聯結，占地面積較大，接線板均為外露，設備性能受當地環境、污穢等因素影響較大，設備價格低[1]。另一類是氣體絕緣金屬封閉開關設備，利用SF6的良好絕緣性能，將斷路器、隔離開關、電流互感器、電壓互感器、避雷器等多個單一設備以及母線等聯結在一起，組裝在封閉的金屬腔體內，這樣大大減小了設備占地面積，除了進出線套管接線板外，均為絕緣體。內部采用常規SF6斷路器，氣體壓力在0.4～0.6MPa。

隨著城市核心區配電變電站的不斷建設和改造，對配電裝置的要求也在逐漸提高，柜式氣體絕緣開關設備（Cubicle Gas Insulated Switchgear，C-GIS，簡稱充氣柜）的配電裝置近幾年來得到廣泛應用。該設備同樣集隔離開關、斷路器、接地開關、互感器及母線等獨立設備于一體，且都裝在充有低壓環保氣體（正常為低于0.15MPa）的金屬封閉柜體內，所充氣體為SF6氣體、氮氣或干燥壓縮空氣作為絕緣介質[2]。用高性能高可靠性的真空斷路器替代原有設備中的SF6斷路器。整個柜體外形與原有GIS 設備不同，采用矩形布置方式，使用全絕緣的電纜插拔頭引出，跨間隔的柜體之間連接用插拔式絕緣管狀母線。該設備在生產車間內進行氦氣進行漏氣測試，并在環保氣體充注后運輸至變電站，在變電站配電裝置室內安裝時，無須采用無塵安裝及抽氣等操作。由于C-GIS配電裝置使用了高可靠性的真空斷路器，從而大大減少了后期運維檢修人員的維護工作量，設備的運行可靠性高，全壽命周期長，特別適合城市核心區以及需要高供電質量的場合使用。

由于設備柜內環保氣體充氣量更少，柜內密封性較常規設備大大提高，漏氣率極低，設備內部氣壓低,充氣所用氣體少，所以該設備比同電壓等級的常規氣體絕緣金屬封閉開關產品較大程度地減少了SF6氣體的排放。設備內部使用高可靠性的真空斷路器，開斷電流時不會產生有毒有害氣體，是符合國家節能減排政策的環保型設備。其中使用氮氣或干燥混合氣體的C-GIS 產品，完全取消了SF6氣體的使用，使產品無溫室氣體排放，成為零排放產品[3]。

SF6氣體是導致全球溫室效應的主要因素之一。SF6氣體開關設備在斷路器開斷電流的過程中，會產生有害物質。如果這些有害物質排放到大氣對環境會造成極大傷害。從全球環境保護角度出發，大多數發達國家已經開始制定減少使用SF6氣體的計劃，并提出到2030 年將禁止SF6氣體的使用。故研究應用高電壓等級無SF6開關設備十分重要。

2 C-GIS配電裝置在變電站中應用

2.1 在變電站中的應用情況

變壓器組接線是目前遼寧地區配電網變電站采用較多的接線形式，該種接線形式簡單，運行安全可靠，間隔內設備數量少，可以有效節省用地面積，技經指標良好。

根據國網公司電網建設“兩型一化”的要求，結合國內電網快速發展的實際需要，為滿足變電站一次設備集成化，同時滿足變電站智能化建設的實際情況，計劃在沈陽沙東66kV 變電站設計中，選用72.5kV C-GIS 開關設備，作為C-GIS 應用的示范工程。C-GIS 節省用地面積的優點可以很好的在變電站設計過程中體現出來。在變電站設備運行過程中，產生噪聲較小，減少了設備運行過程中對變電站周圍環境的影響。二次控制部分采用智能化設備、遠程巡視技術、一鍵順控技術，實現控制、巡視、聯鎖、防誤操作等聯動功能，實現了變電站的智慧化應用[4]。

由于應用新型配電裝置，因此大大減少了后期運行維護次數，同時優化了設備的全壽命使用周期。在與同類產品的對比中，其的工程經濟指標良好，高于同類產品，節約了變電站的建設資金，符合國網公司“兩型三新”的要求。該變電站的順利投運，是對當前配電網變電站形式的突破，不但可以優化土地指標和降低建設成本，提高運行可靠性，同時可以減少SF6氣體的使用量和排放量，適應國家節能減排的要求。

2.2 比較于傳統的GIS設備優點介紹

SF6用量少，C-GIS 產品充氣壓力為0.04MPa，每臺開關柜用氣量約10kg，且由于充氣壓力極低，因而漏氣率和可能出現的漏氣量也是極低的。而傳統GIS產品充氣壓力在0.4～0.6MPa，單間隔用氣量約150kg，漏氣率和可能出現的漏氣量會遠大于CGIS 產品。一旦發生嚴重的事故，例如內部電弧，傳統GIS 產品對周圍人群的傷害及對周圍環境的破壞會遠遠大于C-GIS 產品。因此，ZHN3-72.5 型C-GIS 產品對安裝地點的限制很少，居民區、市中心、地下室等均適合產品的安裝。

“0”表壓功能，C-GIS 產品通過對電極形狀的控制，從而優化、均勻氣箱內部的電場，而不是完全依賴于充入的SF6氣體密度的大小。C-GIS 產品的最低功能壓力為“0”表壓，如果C-GIS 產品的氣箱出現泄漏，當內外壓力相等（即“0”表壓）時，SF6氣體由于沒有壓力差作用，將自動停止泄漏，而此時C-GIS 產品完全具有額定的絕緣水平,這為發現問題、解決問題提供極其充裕的時間。傳統的GIS 產品的最低功能壓力0.33MPa，絕緣問題主要靠高壓力的SF6解決，當GIS 產品發生泄漏時，必須在氣體壓力降到0.33MPa前，將漏氣問題解決，否則GIS 產品將不再具有額定的絕緣能力，很容易發生絕緣擊穿故障，從而導致內部電弧事故。因此GIS 產品從發現問題開始，留給搶修工作的時間很短,如果不能及時完成搶修，將導致被迫停電，故障范圍擴大。

C-GIS 產品的額定充氣壓力為微正壓力，且是在制造廠的潔凈車間里完成充氣隔室密封，水分及灰塵控制，并采用分子直徑僅為SF6氣體分子直徑1/3的氦氣進行漏氣率檢測，能夠很有效地控制產品漏氣的可能性、微水含量以及充氣隔室內部的潔凈度，從而使得出現內部放電的可能性降到最低，現場安裝采用插接式連接，不涉及SF6氣體的操作。傳統的GIS 產品是在裝配條件很差的施工現場完成充氣隔室的最后拼接、充氣等本應該在潔凈環境下完成的工作，產品的密封性、潔凈度、微水很難達到理想狀態，設備運行過程中的隱患較多，很多問題被充入的高壓力的SF6暫時掩蓋，一旦發生泄漏，問題會立刻暴露出來。

C-GIS 產品的額定充入壓力為0.04MPa，氣箱內的SF6氣體液化溫度為-62℃左右。不發生液化產品的絕緣性能就不會降低，可見C-GIS產品對環境的適應性更強，更適合東北地區的使用環境。傳統的GIS產品的額定充氣壓力為0.4～0.6MPa，氣室內SF6氣體的液化溫度為-25℃左右，一旦出現液化，將嚴重影響產品的絕緣能力，因此必須增加額外的加熱裝置解決液化問題。

C-GIS 產品單個間隔的外廓尺寸和占地面積遠小于GIS產品，約為其1/3，且為柜式結構。柜與柜之間可以直接并柜連接，更加提高了土地的使用率，節省占地面積，從而減少了土建尺寸?，F場并柜安裝無須在電站內部預先安裝行吊，降低了建筑物的高度，大大減少了投資。

2.3 設備優化介紹

2.3.1 采用真空斷路器代替傳統SF6斷路器

對高電壓真空斷路器進行概念設計、電場分析、絕緣性能計算、結構計算、工藝分析等工作，采用改進的固封極柱工藝，同時真空滅弧室技術日益成熟，使得C-GIS設備可以采用真空斷路器替代傳統的SF6斷路器

2.3.2 采用先進的配電結構和裝配工藝

C-GIS 成套設備完全在工廠內完成組裝，現場安裝只是簡單地利用母線聯結器進行主母線的拼接，不涉及SF6氣體操作和密封連接。電流互感器采用低壓式互感器，直接套接在一次電纜上，開關柜的一次主回路就構成了電流互感器的一次繞組，二次線圈和鐵芯經環氧澆注后安裝在氣室外，套接在一次電纜上，因此不受絕緣應力的影響，沒有局放問題、沒有動熱穩定問題，安全可觸摸。

電壓互感器和避雷器采用單相絕緣、單相金屬封閉式結構，因此，沒有相間故障的可能性，接地的金屬外殼安全可觸摸。電壓互感器和避雷器采用插入式結構，通過電纜套管與主回路連通，主絕緣通過界面絕緣實現，因此安裝、更換過程中不涉及SF6氣體的操作，沒有SF6氣體的排放問題。

2.3.3 采用先進的生產技術

C-GIS 配電裝置的金屬氣箱箱體采用高精度激光切割、焊接設備加工而成的，并采用先進的等壓抽真空，氦氣檢漏，氣體充注一體式裝置進行檢漏和充氣工作，精度高、質量好，為設備的安全可靠運行提供保障。

3 環保與節能

3.1 防止SF6排放措施

沙東66kV變電站設計中采用的72.5kV C-GIS氣體絕緣開關設備，為戶內產品，采用真空斷路器，絕緣用SF6氣體的額定壓力僅為0.02～0.03MPa,比相同規格的采用SF6斷路器的GIS氣體絕緣開關設備單臺減少SF6的使用量相當于減少超過20t CO2，且無毒害氣體產生。

沙東66kV 變電站使用的C-GIS 設備環保效應分析表見表1。

表1 沙東66kV變電站使用的C-GIS設備環保效應分析

3.2 防電磁輻射措施

本站采用戶內布置方式，通過建筑物自身的圍護結構起到良好的電磁屏蔽作用。且C-GIS設備為小型化設備，設備自帶的金屬罩殼也能起到一定的屏蔽效果。因此變電站內電磁場強不會對周邊居民的正常無線電通信接受和人體健康產生不利影響。

4 結語

在變電站中應用C-GIS設備，在大大縮小建筑面積的同時，還具有比傳統GIS 更多的優點，更適合在東北地區使用。積極響應國家環境政策，采用一系列措施，做到節能減排，防止環境的污染。在現階段智能變電站的設計原則下，可以將二次設備布置在C-GIS設備內，減少二次設備空間，提高設備運行穩定性與可靠性，為以后智能變電站的升級與發展打下了良好的基礎。