双压气室结构及其在GIS开关柜中的应用

许昌许继德理施尔电气有限公司 白维正 徐慧强 周 行 李 克

双压气室结构及其在GIS开关柜中的应用

许昌许继德理施尔电气有限公司 白维正 徐慧强 周 行 李 克

由于空气的绝缘能力限制，使得采用空气绝缘的开关设备体积较大，加之由于母线及开关等裸露在大气中，很容易受到外界环境的影响，在恶劣的气候和环境条件下需要维护。采用有绝缘的开关设备尽管可以在一定程度上减少外界的影响，但是在发生内部故障时却存在很大的安全隐患。较空气绝缘介质而言，SF6气体作为一种无色、无味、无毒、不燃的气体，拥有优越的理化特性及电气特性。自20世纪60年代起，SF6气体作为灭弧和绝缘介质被广泛应用于各种开关设备中。

现阶段电力部门采用的开关柜多数为SF6气体绝缘开关设备。但是，SF6气体作为一种温室效应气体对环境的负面影响也日趋严重。为了保护环境，国家开始严格控制SF6气体的使用和排放。本文，笔者介绍了一种新颖的开关柜结构布局方式——双压气室结构，可以大大减少GIS开关柜SF6气体的用量，更加环保、节约。此外，该结构还具有安全可靠、体积小等优点。本文，笔者主要针对这种双压气室结构的特点及其在GIS开关柜中的应用进行探讨。

一、国内中压领域各类开关柜使用现状分析

1.中压开关柜发展现状。早在30年前，空气绝缘开关柜还是国内开关柜的主流，主要是固定柜与手车柜两种类型。但是由于母线外露易造成母线短路事故，不符合国家标准和国际标准，而且其体积尺寸偏大、占地面积偏大，不符合当今开关柜发展趋势。所以近几十年来，各大厂家都在发展中压GIS开关柜，它是把GIS的SF6气体绝缘技术、密封技术与普通中压开关柜的制造技术相结合的一种开关设备。这种开关柜的特点是将高压带电部分封闭在金属箱体中，内部充以SF6气体作为绝缘介质，使整个高压系统处于完全封闭的状态，壳体采用不锈钢钢板全密封焊接而成，防护等级达到了IP67，因而不受外界环境条件的影响，大大提高了运行的可靠性，实现了免维护和少维护。基于上述优点，近些年中压充气柜得到了长足发展，其市场占有份额也逐年攀升，截至2009年8月，在我国中压领域使用的开关柜中，有70%为SF6气体全绝缘开关柜。目前，包括ABB、施奈德、西门子、欧马嘉宝等厂家均在大力发展SF6全绝缘开关柜。

2.中压开关柜的缺点和不足。虽然中压GIS开关柜拥有不受外界环境影响、体积小、运行安全性高等诸多优点，但是也存在一些缺点与不足。

（1）在GIS开关柜中，SF6气体充当了灭弧和绝缘气体，气箱内部要充大量的SF6气体，以保证足够的压力，从而保证灭弧能力。

（2）基于GIS自身的设计特点，在长期运行中，气体泄漏是在所难免的。一旦发生气体泄漏事故，气箱内部气体压力降低，开关的灭弧能力势必受到影响，也就很难保证开关的正常分断。

（3）作为灭弧介质，当开关在开断过程中产生高温电弧时，SF6气体在电弧作用下会分解或者与电极、绝缘材料、氧气等反应产生有毒产物，致使气箱内SF6气体纯度降低，不易回收和净化处理。

（4）在高温电弧作用下，SF6气体产生的分解物很容易与铜排等金属材料和绝缘材料发生反应，对柜内元器件造成不同程度的腐蚀。对于合分闸比较频繁的地区，柜内元器件长时间受到腐蚀，将成为电力系统安全运行的巨大隐患。

二、双压气室结构的特点

针对上述问题，本文，笔者介绍一种新颖的开关柜结构布局方式，即双压气室结构。这种双压气室结构有两部分构成：绝缘气室和灭弧室。灭弧室独立在绝缘气室内。灭弧室采用直动式结构，极大地减小了灭弧室的体积；进而缩小了整个气室的体积，实现了GIS开关柜的小型化。这种结构有以下几个特点。

1.精巧的灭弧室。灭弧室采用了“吸气活塞＋去离子栅”灭弧原理和直动式，结构如图1所示。

灭弧室内部设有吸气活塞，活塞将灭弧室分成两个小的气室，采用了直动式结构的活塞在运动过程中，会挤压其中一个气室的SF6气体，使其SF6气体压力高于另一个小气室，从而实现了在活塞运动过程中利用SF6气体吹弧的目的。通过吹弧拉长电弧加强带电粒子的复合和扩散，同时把弧隙中的带电粒子吹散，迅速恢复介质的绝缘强度。此外在动触头还设有去离子栅，可以起到很好的辅助灭弧。将吸气活塞和去离子栅灭弧技术融合为一体的设计，提高了灭弧的效果，使开关具有较强的开断和关合短路电流的能力，分断空载变压器和分断电容器组都不易产生重燃。能够快速恢复介质绝缘强度，使其在频繁操作中依然能够保持有效的灭弧能力。同时，由于灭弧室外部采用了全绝缘材料，可以有效地减小绝缘气室的体积。直动式结构既有力保证了灭弧室可靠的灭弧动作，又最大程度地节省了空间。

2.灭弧能力不受绝缘气室气体压力的影响。由于GIS开关柜自身的设计特点，其对于焊接及其他工艺要求非常严格，虽然各大厂商都在使用机械手进行操作，但是仍然无法杜绝漏气的现象。采用双压气室结构，灭弧室是独立密封于气箱内部，其灭弧能力只与灭弧室内气体压力有关，并不受气箱内部压力的限制。所以即使气箱在发生泄漏的情况下，由于灭弧室内部的气体压力并没有降低，确保了设备在绝缘气体泄漏后仍能够正常的开断，保证了高可靠的灭弧能力，同时也保证了断口的绝缘，能够有效地降低因SF6泄露引起电力事故的发生。

3.降低气箱充气压力，减少SF6的用量，更加环保。采用双压气室结构后，箱体内的SF6气体只作为绝缘介质，可以大大降低柜内的充气压力。以采用此种双压气室结构的某国际知名品牌GIS型10kV中压开关柜为例，其内部充气压力仅为0.017 MPa，而市场上同类共箱式产品的充气压力大约为0.030 MPa，同体积下其SF6使用量仅为同类产品的56%。

采用双压气室结构后，开关柜的体积可以进一步减小，加上精巧紧凑的设计，气箱容积仅是国际同参数等级产品的66.9%，单个单元平均使用SF6气体仅为市场上同参数等级产品使用量的37.46%。对于24 kV中压GIS开关柜而言，采用这种结构的GIS型开关柜优势更为明显，其内部充气压力不足市场上同参数等级产品的40%左右，SF6气体的用量不到国际同参数等级产品的1/3，极大地减少了SF6的用量，更加经济环保。

4.隔离了电弧分解物，95%气体可循环使用。SF6在高压电弧的作用下会发生部分分解，其分解物为硫黄氧氟化物、硫氧化物、氟化氢、二氧化硫等含有剧毒和强腐蚀性的气体，即使微量泄漏也能造成人身及设备的伤害。采用双压气室结构以后，95%的气体做绝缘介质并不参与灭弧，故并没有被分解，可以直接回收再利用。仅需将灭弧室内的少量SF6气体进行回收处理即可，极大地减少了对于使用后SF6气体的回收工作，降低了处理费用。

5.较宽的电压等级适应能力。我国经济持续发展，加快了用电负荷的迅速增长。国家电网公司于2007年下达了《关于推广24 kV电压等级的通知》。24 kV电压等级具有电能损耗低、容量大、占地小、投资省等优势，2009年以来，全国各省市电力部门已相继开展建设推广24 kV电压等级电网。这就对原有10 kV线路上运行的开关柜的更新换代提出了问题。由于电压等级的差异，势必导致原有10 kV开关柜的退役，造成了资源浪费。而双压气室结构的GIS开关柜本身是按照24 kV电压等级进行设计的，所以当输电线路改为24 kV等级时，仍然可以使用，不会造成任何的资源闲置。

三、基于双压气室结构的G I S开关柜的应用及市场前景

这种双压气室结构便于统一的模块化设计——每个功能单元为一个独立的模块，它们之间采用统一的设计接口，可以根据需求方便灵活地将其组装到一起，满足各种设计方案的需求。而且只需在电缆室内安装电缆即可，无需涉及任何气体处理，安装简单快捷。所以，基于这种双压气室结构的GIS型开关柜受到许多用户的青睐。

1.电力市场。在电力系统中10 kV高压开关柜应用极为广泛，但是我国城市人口十分密集，在城网建设和改造中面临着建筑用地十分紧张的问题，减小电力设备的占地面积有着十分重要的意义。现阶段，各大厂商为电力系统提供的10kV GIS开关柜的体积基本为325 mm×1 650 mm×850 mm，而采用了双压气室结构的同参数等级的GIS开关柜尺寸仅为315 mm×1 300 mm× 518 mm，相比之下，占地面积仅为前者的46.54%。由于这种开关柜采用全绝缘、全密封式结构，所带电部件以及开关均封闭在不锈钢的壳体内，耐受短时间水下浸泡，能够安全可靠地运行，故已广泛应用于城市配网、小区供电及各种大中型配网工程中，如，奥运场馆、世博场馆、北京城网等重大工程项目中均有这种GIS系列的开关柜在运行。随着城市人口的不断增多、电网的日益扩大，小型化的开关柜将会越来越多的应用于电力系统。

2.铁路市场。鉴于这种开关柜具有运行安全稳定、技术参数高、体积小，重量轻、安装简便等优点，在铁路市场上也已经得到了广泛应用。在京津城际高铁、京沪客运专线、武广高铁、郑西客运专线、哈大线、甬台温客运专线等重点项目中运行的GIS型开关柜也颇受好评。目前，包括京沪高铁等在建铁路重点工程有277项，开工建设的客运专线及城际铁路项目已超过40项，建设规模超过1万km。根据中国高速铁路网规划，从2010年起至2040年，用30年的时间，将全国主要省市区连接起来，形成国家网络大框架。近期国家要发展“五纵六横七连线”工程。包括京沪、京港、哈沪在内的18条高铁线路的规划和建设将在未来30年内完成。如此繁多的高铁线路，所需开关柜的数量之大，可见一斑。

四、双压气室结构的发展方向

1.采用混合气体作为绝缘介质。SF6之所以被广泛应用于与电气设备，依赖于其优越的理化特性及电气特性。但是随着世界各国越来越重视环境保护，其巨大温室效应成了人们考虑使用替代品的主要缘故。现今，有诸多研究所、高等学府及电力行业都在考虑SF6的替代品。据了解，使用N2和SF6的混合气体作为绝缘介质的研究已经有了结果。双压气室结构的设计特点为混合气体的使用提供了条件。混合气体可以作为绝缘介质，灭弧室内仍使用电气特性较好的SF6气体，这样既可以保证灭弧的安全可靠，又可以降低SF6气体的用量。

2.采用固体绝缘。为了减少温室气体排放，在未来的几十年内，国内SF6气体的使用会受到越来越多的限制。为了弥补SF6充气柜的缺点，近几年在国内外市场上出现了固体绝缘开关柜。所谓固体绝缘就是将数组开关和相关带电部件整体采用环氧树脂进行浇注，通过自动压力凝胶技术设计制造出固体绝缘供电设备。双压气室结构也可以向固体绝缘方向发展，一旦固体绝缘技术成熟，开关柜内部的连接部分可以采用环氧树脂浇注，并利用凝胶技术在铜排与灭弧室的连接处做一些处理，可实现GIS开关柜向固体绝缘开关柜的转变。

综上，随着电力部门和铁路部门对开关设备要求的不断提高，中压SF6气体绝缘开关柜的应用也越来越广泛。基于双压气室结构的GIS开关柜技术优势明显，大大减少了SF6气体的用量，环保节约，以其安全可靠的运行、方便简洁的安装方式和小型化、少维护等特性，将在电力市场和铁路市场得到更加广泛的应用。