40.5kV气体绝缘金属封闭开关柜研究现状及趋势

川开电气有限公司 王 涛 郭 攀 乔 爔 吴小虎

1 引言

中压气体绝缘金属封闭开关设备简称C-GIS，是多学科的有机结合的产物，融合了气体绝缘技术、气体密封技术、控制技术、传感技术、金加工技术、焊接技术等。其主要特点在于体积小、全封闭、全绝缘、环境适应力强，功能稳定可靠，广泛用于轨道交通、大型工矿企业、新能源等市场领域，起到控制、测量、检测和保护的作用。随着C-GIS 行业整体的稳健增长，电网领域国产化速度的推进，国家电力需求的日益增长和电网的升级改造，40.5kV C-GIS 的应用优势日益凸显，35kV 配电市场得到了快速扩张，其市场占有率逐年提升。

2 C-GIS 产品结构形式及特点

2.1 产品结构

从目前40.5kV C-GIS 应用情况来看，其整体结构普遍采用的柜式结构，仅西门子公司的8DA/8DB系列采用了高压GIS 的罐式结构。柜式结构的优点在于容易制作，基本没有需要特殊开模制作的零部件，生产成本低，装配方式灵活，能满足不同的方案需求。柜式结构的C-GIS 主要包含一次主回路气箱、电缆室、二次仪表室、机构室、泄压通道等部分。气箱的布局根据各厂家高压母线、三工位开关、真空断路器等布局方式和需求，又有单气室和双气室之分，但市场上多数厂家采用以及用户接受度高的方案是双气室布局。气箱结构通常选用不小于3mm厚不锈钢板激光焊接而成，激光焊接强度好，焊接密封缺陷低，焊缝美光等优点从而得到广泛厂家应用。因不同厂家充气气体、充气压力、结构布局不同，气箱加强筋有“C”型、“几”型，也有方管、衬板等方式。C-GIS 的柜间母线结构扩展通常采用插拔式固体绝缘母线（顶扩）或混合绝缘母线（侧扩）形式；柜间母线扩展通常在气箱上预装外锥母线套管或气箱侧面安装预留内锥套管，方便实现固体绝缘母线或混合绝缘母线插拔式连接，不同厂家对柜间母线连接方式不完全一致，均有不同特点。如青岛特锐德40.5kV 充气柜TGP-40.5顶扩母线扩展则采用的是分段式固体绝缘母线，该连接方式有效提升了柜间母线连接的可靠性与现场安装的便捷性。

在电流互感器布局方面，主要有两种形式，一是电流互感器内置于气箱和外置于气箱外的电缆室。电流互感器内置于气箱有利于传统支柱式大容量电流互感器的选取，但是检修、维护困难；同时由于增加的互感器与气箱之间的密封，因此漏气风险也随之增加；二是外置于气箱外侧电缆室通常采用穿芯式电流互感器，其在小变比下很难有足够的空间进行安装，但有利于后期运维检修。内置方式主要以国外和合资品牌为主，外置电缆室方式主要以国产品牌为主。

2.2 产品特点及优势

一是环境适应性强。高压带电元器件完全密封于气箱内，密封的气箱防护等级可达IP67，应用场所的污秽、盐雾、雨雪等恶劣环境不会对一次回路导电和操作造成影响，可较好地适应沿海、潮湿、重污染、高海拔等多种特殊区域。

二是使用寿命长。一次主回路全密封于不锈钢气箱内，气箱外壳抗腐蚀能力强；气箱内采用气体绝缘结构，通常可实现20～40年不补气下正常运行，相比于空气绝缘柜有更高的可靠性和稳定性，有利于变电站少维护或免维护，以及无人值守的变电站的实现。

三是占地面积少。C-GIS 采用气体和固体复合绝缘结构，相较于传统空气绝缘柜集成化程度更高，整柜体积小，目前主流40.5kV C-GIS 额定电流为2500A 的产品，其柜宽可做到 800 mm，整柜体积约为传统KYN61柜的1/3；因此在使用过程很大程度节约了占地面积与变电站的建设。

四是方案组合灵活。目前的C-GIS 通常都采用了模块化设计，针对不同用户不同需求，可通过灵活的模块化组合，设计不同的主接线方案，拼装方便、扩展灵活，能满足不同客户需求和特殊的电力系统。

3 C-GIS 产品市场应用情况

中压C-GIS 产品的出现和应用，标志着中压开关柜的研究与应用进入一个崭新阶段。根据国网的统计报告，截至2017年国家电网系统内的12kV、24kV、40.5kV C-GIS 应用总量就已经突破10000台，其中40.5kV C-GIS 占比约38%，有3825台。在2018-2019年的时间内，电网系统内C-GIS 增加了5506台，仅两年时间就增长了2017年以前总和的一半，增长迅速[1]。同时值得注意的是，随着电网的改造升级和新能源建设，40.5kV 的大电流开关设备需求量逐年提高。但其特点主要表现为40.5kV C-GIS 的指标在国家电网中额定电流主要以1250A为主，在光伏与风电为主的新能源领域额定电流则以2500A 或3150A 为主。

近年来国内外对环保型气体绝缘开关设备的研制与应用呼声愈来愈高，也提出了明确要求。国内外一些科研单位和有实力的厂家都在积极开展环保绝缘气体的探寻及其在C-GIS 上的应用，并且国家电网也在进行相关环保型充气柜设备的招标与应用。

4 C-GIS 产品发展方向

4.1 发展方向

从国内生产和应用来看，目前40.5kV C-GIS仍然以SF6绝缘为主，普遍采用双气室结构。分析主流厂家40.5kV C-GIS 主要参数可知：额定电流主要集中为1250A-2500A，少数厂家能做到额定电流为3150A；额定短时耐受电流为25kA 与31.5kA两档；额定充气压力（相对，20℃，MPa）主要分布在0.04～0.05的微正压内；柜宽尺寸为600mm 与800mm；该部分参数已逐渐成为各个厂家和市场的通用参数。

(2) 对于强蚀变岩、渣体以碎屑状为主时，化学灌浆材料发泡倍数及浆液扩散半径均对固结体强度产生显著影响。当浆液扩散半径为0.25 m，灌浆材料发泡倍数分别为2倍～3倍、5倍～10倍时，试块固结强度分别为10 MPa、5 MPa，而当浆液扩散半径为0.75 m、灌浆材料发泡倍数调整为2倍～3倍时，试块最大固结强度为3.5 MPa左右。

在电力行业中SF6应用非常广泛，应用现场目前对于SF6回收、处理的设备缺失，现场检修或试验时候基本都是直接排放。根据联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的报告显示：1kg SF6GWP值相当于23.9tCO2GWP 值，并且自然条件下SF6的降解非常缓慢。在各国碳减排政策和目标的促使下，电力行业急需一款能够完全替代SF6的环保型绝缘气体。目前国内外科研单位、企业主要集中在氟化物、N2、CO2及其混合气体研究。

随着用电负荷容量的不断增加，变电站主变容量也越来越大，40.5kV 开关设备额定电流由原来的1250A 快速向3150A、4000A，甚至5000A 发展。就目前实际应用来看，大电流变电站大都采用分流方案[2]，这就使得设备投资加大，而普通大电流KYN61柜体积过于庞大，无法实现变电站建设的小型化和集成化需求。因此，研发性能稳定、开断可靠的大电流40.5kV C-GIS 势在必行，其应用市场前景广阔。

智能手机、智能家电、智能汽车等新型概念与产品不断融入大众生活，“智能”无处不在。电网要实现智能的关键在于配网自动化，而配网自动化的关键在于中压开关设备的智能化。智能中压开关设备应该具有多功能、运行稳、安全可靠等基本特性，可实现自动控制和故障自诊断以及网络遥测、遥控等功能，实现远程监控和无人值守，减少运维成本。各科研单位和厂家主攻几个方向：操作自动化；在线监测和自诊断技术等。

随着电网改造发展以及光伏、风电等新能源建设，以及环保意识的提高和对自动化、智能化的需求，环保型、大电流、智能化40.5kV C-GIS 研制势在必行。

4.2 技术难点与解决思路

在大电流方向：已有厂家通过采用双组隔离刀方案设计了3150A 的40.5kV C-GIS[3]；如常州太平洋、青岛特锐德等厂家的40.5kV C-GIS 的额定电流已经可以做到3150A，并已成熟地应用到市场；而西门子罐式结构的8DA10电流可高达4000A。

在环保型气体方向：主要的绝缘介质为N2、干燥空气、C5气体等。国内厂家主要以N2与干燥空气为主，并且采用N2绝缘的40.5kV C-GIS 已经上市应用；采用干燥空气绝缘的环保型充气柜，因其充气压力较高尚未大面积应用；而部分外资与合资公司则主要采用了全新绝缘气体C5，但C5气体成本较高，应用普及性不高。

总体来说，目前环保型、大电流、智能化的40.5kV C-GIS 技术还未成熟，主要有以下几个技术需要突破。

一是可完全替代SF6的环保绝缘气体的探索。作为充气柜用绝缘气体，其必须拥有几大特性：介电常数大，无可燃性，导热性好，高饱和蒸汽压，理化惰性，不易分解或与导体、绝缘材料等不易发生反应，而环保绝缘气体还应具备无毒，GWP 值低等。但是这些理化特性有的是相互矛盾的，因此要找到一种可替代SF6的绝缘气体不是一件易事。从目前的研究和应用来看，比较有潜力的绝缘气体有：干燥空气、N2、C5F10O（全氟戊酰氟）、C6F12O（全氟己酰氟）、C4F7N（全氟异丁腈）等气体及其混合气体[4]。

目前40.5kV 环保型充气柜研究主要还是集中在干燥空气与N2方面。在干燥空气作为绝缘介质时，气箱尺寸与SF6充气柜基本相同时，但其充气压力升高；在N2作为绝缘介质时，N2气体和局部固体相结合的界面绝缘技术使其绝缘性能更加优越。

虽然目前已有单位研制出无SF6环保40.5kV 充气柜，但是仍有几大问题亟待解决：探寻高绝缘强度环保气体，涉及充气柜小型化研究；温升对气体绝缘强度的影响，涉及能否成功做成大电流充气柜；环保气体的监测和检漏技术，涉及充气柜气箱密封、充气压变化的在线监测；环保气体的充气和回收技术，涉及气体制作成本及利用率。

二是大电流充气柜温升控制问题。同传统空气绝缘开关柜比较，充气柜的断路器、三工位隔离开关、母排等完全密封于具有一定气压的气箱内，该密封结构造成内部绝缘气体与外部空气无法直接进行对流形成热交换。充气柜气箱内的气体传热主要以辐射导热和气箱内的对流同时作用的换热，而对流与辐射换热又主要受气体密度、黏度、导热率有关。因此，同种结构的充气柜的散热能力主要由绝缘气体性质决定。

无论充气柜的热功耗以哪种形式进行散热，都与散热面积紧密相关，这就与小型化和经济性相互矛盾。无论采用哪种绝缘气体，都必须面对这个问题，这就对充气柜通流能力的提升提出了严峻挑战[5]。

三是多物理场下的传感技术。开关柜的自动化、智能化离不开对各大元件工作状态的在线监测。充气柜一次主设备均密封于不锈钢板制焊接密封而成的气箱内，而气箱内是一个高压、大电流、强电磁、高热气压的一个复杂环境。因此，应用于40.5kV 充气柜在线监测的传感器必须满足耐压绝缘、气体耐受、温度耐受、电磁耐受，同时还需要面临信号的传输问题。这就对充气柜的智能化、实时监测等技术的研制提出了更高的要求。

5 结语

由于新材料、新技术的发展与应用，40.5kV 充气柜产品质量不断提高，性价比越来越高。同时，随着国家在加强电网、新能源、轨道交通等项目大规模建设及升级改造的持续投入，40.5kV 充气柜必将更广泛应用。