中压充气柜及其发展

西安高压电器研究院 李建基

柜式气体绝缘金属封闭开关设备国外称C-GIS，我国俗称充气柜。所谓充气柜(C-GIS)，是将高压元件诸如母线、断路器、隔离开关、互感器、电力电缆等封闭在充有低压压力（一般0.02—0.05MPa）气体的壳体内。

一、气体绝缘开关设备的优势

气体绝缘开关设备(充气柜)是将高压元件，如母线、断路器、隔离开关、互感器、电力电缆等密封在充有较低压力（一般0.02—0.05MPa）气体的壳体内。它有如下的优点：一是利用SF6气体绝缘，大大缩小了充气柜的体积及占地面积，有利于向小型化发展；二是因为高压元件封闭在充SF6气体或者其他气体的壳体内，故不受外界环境的影响；三是配用了免维护的真空开关，大大提高了可靠性。

气体绝缘开关设备可用于极其恶劣的环境条件下。如温度变化大和高湿环境（如湿热带地区），高温及低温地区（如沙漠地区和南北极区），环境中含有自然物质（如沿海盐雾、工业粉尘）或化学性腐蚀物质（化工厂、炼油厂）的地方，还有地震区，有震动场合、高海拔地区以及安装受限制的地方。

中压充气柜早已打入中国市场，如用于城网、地铁和铁道以及海拔最高的青藏铁路等。这里举上海应用西门子充气柜二、三个事例。

前几年，上海电力部门在人口稠密的静安寺附近建一座252/126/40.5kV降压站，在这寸土寸金的地方经拆迁征地50m×60m。但开关设备需要35面，若用常规开关设备根本无法排布，最后采用西门子8DA10/8DB10型充气柜，才建成一座降压容量为540MVA的变电站；上海集装箱海港，货物吞吐量很大，使用西门子充气柜，从未断过电，确保了供电安全；上海地铁线路有的也使用西门子充气柜；作为西门子输配电工程中一个典型业绩，西门子成功参与了青藏铁路的供货。这条铁路长达1142km，西门子在铁路沿线参与建设多个变电站，并提供了202间隔40.5kV8DA10型充气柜，13间隔12kV NXplus C型充气柜。其中还包括为世界上最高的变电站—唐古拉变电站提供产品。

同时我国城市轨道交通的发展、城网建设的加快、大都市的迅速崛起，都为充气柜提供了大的发展空间。

二、充气柜的结构

充气柜现有2种外形上差异很大的结构形式：一种为圆筒型结构；另一种为柜式结构。前者很像高压GIS，后者却很像一般金属封闭开关柜。

圆筒式充气柜有三相共筒式和分相式2种结构。柜体材料有铸铝合金，也有钢板卷制，如西门子8DA10/8DB10型为铝筒分相式，Areva的WI型为钢板三相共筒式。我国平高公司40.5kV充气柜为铝筒分相式，平开华明公司的40.5kV充气柜也为金属筒分相式。

充气柜的柜式结构，也有各种形式，其主要区别在于：（1）气室的设置，有3气室、2气室和单气室；（2）一次回路中母线、3工位开关和真空断路器的排布方式，大致可分为3类：一类上中下布置；二类下中上布置；三类后中前布置。以第一类（上中下布置）居多。

关于气室的设置，现多为单气室和2气室。单气室结构简单，制造容易，成本低，但气室内元件在一起，容易相互受影响，可靠性差些。多气室结构复杂，制造难度大，成本高，但模块更换容易，可免除多元件相互影响，安全性高。

充气柜有12kV级和40.5kV级，但40.5kV级最能体现充气柜的优势，因此国内外制造商的充气柜并不是都从12kV到40.5kV成系列，多数厂商开发充气柜从40.5kV电压等级做起，并不一定延伸到12kV等级产品。对40.5kV充气柜来说，一般做到额定电流1250/1600/2000/2500A，额定短路开断电流25/31.5kA。

40.5 kV充气柜的优势特别表现在减少占地面积方面，如ABB公司ZX2型40.5kV充气柜占地面积仅为2300mm×600mm×1710mm（长×宽×高）。这对城网建设和改造来说特别适用。

1982年，西门子公司率先推出中压气体绝缘开关设备（国内俗称充气柜）。当时充气柜为8DA10/8DB10型。截止1999年，西门子公司已向世界上54个国家400多个用户提供了8DA10/8DB10型充气柜22 222间隔，从1982年到2002年的20年中，西门子公司共生产8DA10/8DB10型等系列充气柜30 000间隔。如果将这些产品排成行，长度长达18km。西门子充气柜在德国的法兰克福开关厂生产。该厂现集中力量生产气体绝缘开关设备（包括环网柜）。充气柜加环网柜每年产量约为45000间隔。为此该厂每年加工钢板10 000t以上，加工VZA优质钢铁3000t，加工钢材1000t以上。该厂的气体绝缘开关设备在世界市场上处于主导地位。

在从1982年到2007年的25年中，西门子充气柜有了很大发展，从8DA10/8DB10型—8DC11型—NXplus型，其中8DA10/8DB10型为分相铝筒式结构，而8DC11型和NXplus型为三相共箱式结构。8DA10/8DB10型参数为12-40.5kV/630-2 500A/31.5-40kA，8DC11型参数为12-24kV/1250A/25kA，NXplus型参数为40.5kV/2 500A/31.5kA。这三种型号产品的共同特点是采用SF6气体做绝缘，而用真空进行开断。其最大的不同是前一种为分相铝筒式结构，而后两种为三相共箱式结构。参见图一和图二。

三、结构及工艺特点

图1 8DA10型中压GIS的结构图

图2 NXplus型40.5kV（最高）充气柜结构

与空气绝缘开关设备不同，气体绝缘开关设备的带电元件不是装在抽屉里，而是装在防腐蚀的焊接密封壳体内。断路器或母线和三工位开关也可装在两个分开的隔室内。而操动机构及所带脱扣器、辅助开关及电流、电压互感器和低压控制箱装在气室之外。

开断功能在真空开关管内进行，真空中的开距仅有十几毫米。由于电弧电压极低且电弧旋转，故触头熔焊极微小。固定在壳体壁上的焊接波纹管使之可从外部操动开关。三工位开关摆动操作，而断路器轴向操动。操动机构采用电动机储能的弹簧操动机构，所储能量足够二次重合闸之用。

除壳体的后壁外，壳体的所有外壁，包括加强横档、紧固件和套管均用激光设备全自动焊接。向内呈拱形的防爆膜盒与壳体壁焊在一起。

气体绝缘开关设备为确保产品性能和增加竞争能力，如西门子形成4大核心工艺，即钣金工艺、激光焊接工艺、浇注树脂工艺及铜件加工工艺。这里特别提出以下几点：

(1)优质钢壳体的各个薄板在送入激光焊接装置时，快速并入专用的插入和夹紧夹具内。像电流套管等的构件在这些夹具内通过一个低压力系统送入和固定在正确的位置；

(2)在制作气密壳体时，钢板在激光设备上继续自动焊接。在保护气体的舱内焊接的焊缝满足气体密封性和强度的所有要求；

(3)拥有的环氧树脂加工工艺确保套管绝缘、熔断器熔管及各种绝缘支撑件极高的质量。100%的密封性例行检查和用X光检查绝缘件的材质提供了额外的安全性；

(4)母排在自行研制的机器上进行了三维折弯。这就节省了大量的螺纹连接。因为每个螺纹部位导电截面收缩成为一个发热点，而三维折弯的铜排减少了设备的发热。此外螺纹连接加工费事又需支付额外费用。由于节省了螺纹连接，对螺纹连接所需的试验也就不必要了。

在焊接后壁之前，还要对所有元件的安装正确与否作全面检查，包括功能检查。

在作整体密封性检查后，即对壳体充气。此时对壳体抽真空，接着充入氦气。氦气是所有气体中第二个分子最小的气体，用氦气检查密封性，可确保长期气密性。还在检验室内又吸出氦气，给壳体内充入SF6气体，然后焊上充气管，也要检查气密性。

四、中压充气柜的技术进步

中压充气柜（C—GIS）技术的进步，国外主要表现在减少产品中SF6气体用量和研发非充SF6气体充气柜。如在欧洲，主要是减少新产品中SF6气体的用量。而在日本，一方面减少新产品中SF6气体的用量，另一方面，开发非SF6充气柜，如用干压空气绝缘或用固体绝缘。SF6气体具有最优异的灭弧和绝缘性能，但被列为温室效应气体之一，因而被限制使用。为此要减少或不用SF6气体。

（一）减少新品中的SF6气体的用量

为寻找SF6的替代气体，科学家已研究了40年。直到如今，所有检验过得的可替代气体的性能远不如SF6气体的绝缘和灭弧性能。类似于SF6特性的可替代气体，如氯化物、氟化物或各种卤化碳混合物缺点很多：(1)GWP系数（全球变暖系数）很高；（2）二氧化碳对臭氧层有害；（3）C—F混合物在分解时（电弧、局部放电）生成导电的积炭层。

现已发现的CF3I气体，其绝缘性能很好，在均匀电场中的绝缘水平是SF6气体的1.2倍，SLF开端性能均为SF6气体的0.9倍。但其价格昂贵，是SF6气体的100倍，因此进入实际应用还很不现实。

为此，SF6开关设备制造厂家可行的办法是在产品设计中尽量减少SF6气体用量、泄漏量和排放量。

采用先进的设计和焊接工艺及高性能密封材料，在减少SF6气体用量方面取得明显成效。同时在充气柜内改用真空断路器开断电弧，仅用SF6气体绝缘，也有利于SF6气体用量的减少。例如世界三大输配电设备制造商之一的Areva（阿海珐）公司SF6充气柜一代又一代从WI—WS—GWA发展中SF6充气量从100%（WI型）—90%（WS型）—40%（GWA型）。又如富士新开发的C—GIS2000型24kV充气柜的用气量从12kg减少为4.4kg（减少63%），还有新开发的72/84kV充气柜，将SF6用量从老产品的100%减为36%（减少64%）。

德国中压开关设备制造业发达。制造企业自行承担SF6气体减排任务，经过不懈的努力，从1995年到2003年间，SF6气体的排放量减少了55%。在德国，由1kV以上开关及其设备排放出的SF6气体仅占温室效应的0.03%，远低于SF6气体总体占0.1%的比例。

以下介绍二种减少使用SF6的案例。

1、C—GIS 2000型24kV充气柜（图3）

日本富士公司2000年7月开发出C—GIS 2000型24kV SF6充气柜，此产品减少了SF6气体用量（减少到原来的1/3），同时减轻了重量（约减到原来的2/5）,达到小型轻量和正面维护。

为此，C—GIS 2000型采用了如下技术：

①薄钢板容器；

②采用固体绝缘件；

a) 固体绝缘母线；

b) 固体绝缘电压互感器(VT)；

c) 套管贯穿电流互感器（CT）；

③采用小型断路器；

a) 开发出小型真空灭弧室；

b) 真空灭弧室水平放置；

④采用小型隔离开关；

a) 旋转式隔离开关；

b) 装在绝缘件容器内。

图3 C-GIS2000到2100已经不用SF6气体

2、72/84kV充气柜（C—GIS）

日本富士电机公司研制出配真空断路器的72/84kV充气柜（C—GIS）。

该产品为柜式结构。上气室内装有母线隔离开关；下气室内装有真空断路器、线路隔离开关、线路接地开关、避雷器、验电装置、电缆终端；后侧配置有电流互感器；前面装有各自的操动机构。充气柜的结构见图4。三代充气柜技术指标比较（5间隔）见表1。

新型与老型技术见表2。

图4 72/84kV充气柜(C-GIS)结构

（二）混合气体C—GIS

上海天灵帕威尔公司研制出N2X-24型充气柜。该产品用氮气和少量SF6气体绝缘（90%N2+10%SF6）。

断路器/母线及三工位隔离/接地开关为一个气箱，并要求与N2X—12kV形成系列化和标准化设计：额定电压：24kV；额定电流：630、1250、2500A；短路开断电流：25、31.5kA；绝缘气体争取采用纯氮绝缘或仅用少量SF6气体；绝缘水平达到国内24kV不接地系统要求；散热方式争取自然冷却。总体外形尺寸希望与N2X—12kV相同，不超过充SF6的类似充气柜产品尺寸。

表1 三代充气柜技术指标比较（5间隔）

新型与老型技术参数比较见表2。

表2 新型与老型的技术数据比较（受电回路）

与其他类型的充气柜相比，N2X—24kV还具有以下一些特点：

绿色环保——12kV-24kV产品可用氮气和N2+SF6混合气体绝缘，以技术创新和精确设计确保在提高产品性能的同时，减少产品对环境的危害；

体积更小——N2X-24kV单气箱柜在采用氮气或N2+SF6混合气体绝缘后，并没有因气体绝缘强度的降低而增加尺寸，而是更小。N2X-24kV单气柜柜体尺寸为500×1050×2250mm，柜宽仅为空气柜的一半，大大缩小电站占地面积；

维护量小——高压带电体全被密封，高压绝缘不受大气环境影响不易老化；电接触不会腐蚀，绝缘和载流可靠性高，高压部分终生免维护；可降低设备的全寿命周期成本；

能耗更低——开关柜主回路电阻低，载流能力最高，长期运行节约能耗；

高模块化——灵活组合，拼接方便；用户在现场不需处理气体；

更换方便——在万一故障情况下，需更换故障充气柜时，N2X单气箱柜可在不移动相邻充气柜情况下，从中间抽出，实现更换并与相邻柜重新拼接，大大减少停电时间和检修工作量。

（三）干压空气充气柜

在C—GIS中，虽多数仍使用具有优异灭弧和绝缘性能的SF6气体，但也出现了非充SF6充气柜。如用氮气或干压空气取代SF6，现还出现固体绝缘柜及复合绝缘柜。如富士于2004年4月开发出C—GIS2100型24kV干压空气充气柜。该产品采用0.05MPa（表压）的压缩空气绝缘。该公司减少SF6充气量的C—GIS2000型和充干压空气充气柜的结构及外形尺寸见图5。

又如日本日新公司用干压空气开发出小型化24kV XAE2X型化充气柜。其充空气压力较高，为0.5MPa。该产品的壳体为铝铸件，使用真空断路器及薄型旋转式3工位隔离/接地开关，并采用固体绝缘母线。该产品重量减轻了40%，占地面积减少了50%，属于质轻、小型化结构。

（四）复合绝缘开关柜

图5 C-GIS 2000型 和C-GIS 2100型充气柜的结构和外形尺寸

三菱公司将创立100周年的2012年作为目标，制订了环境经营的长期展望“环境展望2012”计划。其中为防止全球变暖，通过①将产品使用时的CO2排放量削减30%；②将产品生产时的CO2排放量削减30%；③努力削减发电时的CO2产生量，并为形成循环型社会而进一步考虑3R（减少、再使用、再循环）的产品开发，使每个产品均实现小型、轻量化等，在2012年前实现资源投入量减少30%的目标。

以前，中压等级（24-84kV）开关柜是以绝缘介质使用SF6气体的箱型气体绝缘金属封闭开关设备（C—GIS）为主流产品，但SF6气体作为温室效应气体（全球变暖系数为23900）而被指定为限制排放气体，因此在削减SF6气体排放量的同时，期望使用无SF6气体的开关柜。在这一背景下，2000年以后，在24—36kV等级实现了无SF6气体开关柜的商品化。

三菱公司以C—GIS无SF6气体来抑制全球变暖为目标，于2000年实现了世界首台低压力（最高使用气体压力为0.5MPa—G以下）干燥空气（地球变暖系数为0）绝缘的24kV C—GIS的商品化。

图6 采用复合绝缘技术的绝缘性能概念图

之后，通过更进一步地提高干燥空气绝缘和固体绝缘相结合的复合绝缘技术（图6），又于2006年将72kV等级、2007年将7.2kV等级的干燥空气绝缘C—GIS投放市场，实现了72kV—7.2kV等级无SF6产品的系列化（图7）。

该产品通过将主回路部分放置在密封容器内，并采用大气压程度的低压力干燥空气和固体绝缘件的复合绝缘，实现了无SF6气体化。在采用将控制回路部分及操动机构部分放置在金属封闭箱内不受设置环境影响的结构、布置非常灵活组柜模块、在正面进行了一般操作确保良好的操作性能等方面，均沿袭了该公司C—GIS的特点。VCB放置在密封有低压力干燥空气的容器内，减轻了真空开关管（VST）对波纹管的负担，并通过采用电磁操动机构对主触头直接操作，大幅度简化了VCB驱动机构部分的结构，无需擎子、拐臂类磨损件后，大幅度减少了零部件个数。因此，提高了包括操动机构在内的VCB的可靠性，减少了现场安装场所的气体处理，简化了作业。

图7 72kV HG-VA型C-GIS的结构（受电柜）

表3 密封式复合绝缘开关柜的额定参数

（五）固体绝缘柜

日本东芝公司于1999年研发出高性能环氧树脂及高效的环氧树脂浇注技术，并于2002年开发出24kV固体绝缘开关柜（SIS）。之后又进行了系列化，于2005年开发出36kV SIS，现又进行更高电压等级72kV及84kV SIS的开发。24kV SIS的主要参数为24kV/630-1250A/25kA。

固体绝缘柜（图8）带来一系列优势。这里将24kV SF6充气柜（C—GIS）和固体绝缘柜（SIS）加以比较：C—GIS SF6气体用量5kg，而SIS为零，有利于环保；C—GIS体积为2.7m3，而SIS为1.7m3，仅为其63%；C—GIS零件数为2500个，而SIS为1200个，为其48%。一面固体绝缘柜（SIS）省下5kg SF6气体，相当于120t CO2的温室效果。

日本的开关柜最早诞生于1890年。在其后的100多年中，开关柜的发展经历了敞开型——箱型——金属封闭型——气体绝缘型——固体绝缘性。综合来看，固体绝缘柜最大特点是不使用SF6气体的环保型开关柜。固体绝缘的绝缘强度三倍于SF6气体，故可实现开关柜小型化、轻量化。

图8 24kV SIS的典型结构

日本于20世纪80年代起开发出气体绝缘型，并于2002年开发出固体绝缘型。日本东芝在开发固体绝缘柜时解决了以下技术难题：①新的高性能环氧树脂的开发；②高效率浇注技术的开发；③采用真空绝缘的隔离开关；④元件连接用界面连接方式的开关；⑤断路器、隔离用永久磁铁保持式电磁操动机构的开发。

五、结语

中压充气柜在我国的发展方兴未艾。当前主要使用SF6气体绝缘，为了减少或不用SF6气体，或对现有产品改型，减少SF6气体使用量，或采用SF6混合气体，将SF6气体用量减至最小，或不用SF6气体而改用其他介质，故出现了干压空气绝缘充气柜、复合绝缘充气柜以及固体绝缘充气柜等。这些代表了充气柜发展方向，值得关注。

[1]李建基，高压开关设备实用技术，中国电力出版社.2005年，北京

[2]日本三菱.发展中的变配电系统设备.高压电器技术信息.2009年，No.2，P35-38，P46

[3]日本东芝.24/36kV固体绝缘开关柜的开发.高压电器技术信息.2006年，No.1，P39-43，P50

[4]李建基.中压充气柜中的SF6用气量在减少.高压电器技术信息.2006年，No.3，P13-20