高压C-GIS配电装置在变电站中的应用研究

沈阳电能建设集团有限公司 崔克非

1 设备现状及发展方向

目前，既有的配电网变电站开关设备主要有两大类，一类是采用常规敞开式空气绝缘开关设备，间隔内由隔离开关、断路器、电流互感器等设备组成，各设备之间采用敞开式钢芯铝绞线联结，占地面积较大，接线板均为外露，设备性能受当地环境、污秽等因素影响较大，设备价格低[1]。另一类是气体绝缘金属封闭开关设备，利用SF6的良好绝缘性能，将断路器、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器等多个单一设备以及母线等联结在一起，组装在封闭的金属腔体内，这样大大减小了设备占地面积，除了进出线套管接线板外，均为绝缘体。内部采用常规SF6断路器，气体压力在0.4～0.6MPa。

随着城市核心区配电变电站的不断建设和改造，对配电装置的要求也在逐渐提高，柜式气体绝缘开关设备（Cubicle Gas Insulated Switchgear，C-GIS，简称充气柜）的配电装置近几年来得到广泛应用。该设备同样集隔离开关、断路器、接地开关、互感器及母线等独立设备于一体，且都装在充有低压环保气体（正常为低于0.15MPa）的金属封闭柜体内，所充气体为SF6气体、氮气或干燥压缩空气作为绝缘介质[2]。用高性能高可靠性的真空断路器替代原有设备中的SF6断路器。整个柜体外形与原有GIS 设备不同，采用矩形布置方式，使用全绝缘的电缆插拔头引出，跨间隔的柜体之间连接用插拔式绝缘管状母线。该设备在生产车间内进行氦气进行漏气测试，并在环保气体充注后运输至变电站，在变电站配电装置室内安装时，无须采用无尘安装及抽气等操作。由于C-GIS配电装置使用了高可靠性的真空断路器，从而大大减少了后期运维检修人员的维护工作量，设备的运行可靠性高，全寿命周期长，特别适合城市核心区以及需要高供电质量的场合使用。

由于设备柜内环保气体充气量更少，柜内密封性较常规设备大大提高，漏气率极低，设备内部气压低,充气所用气体少，所以该设备比同电压等级的常规气体绝缘金属封闭开关产品较大程度地减少了SF6气体的排放。设备内部使用高可靠性的真空断路器，开断电流时不会产生有毒有害气体，是符合国家节能减排政策的环保型设备。其中使用氮气或干燥混合气体的C-GIS 产品，完全取消了SF6气体的使用，使产品无温室气体排放，成为零排放产品[3]。

SF6气体是导致全球温室效应的主要因素之一。SF6气体开关设备在断路器开断电流的过程中，会产生有害物质。如果这些有害物质排放到大气对环境会造成极大伤害。从全球环境保护角度出发，大多数发达国家已经开始制定减少使用SF6气体的计划，并提出到2030 年将禁止SF6气体的使用。故研究应用高电压等级无SF6开关设备十分重要。

2 C-GIS配电装置在变电站中应用

2.1 在变电站中的应用情况

变压器组接线是目前辽宁地区配电网变电站采用较多的接线形式，该种接线形式简单，运行安全可靠，间隔内设备数量少，可以有效节省用地面积，技经指标良好。

根据国网公司电网建设“两型一化”的要求，结合国内电网快速发展的实际需要，为满足变电站一次设备集成化，同时满足变电站智能化建设的实际情况，计划在沈阳沙东66kV 变电站设计中，选用72.5kV C-GIS 开关设备，作为C-GIS 应用的示范工程。C-GIS 节省用地面积的优点可以很好的在变电站设计过程中体现出来。在变电站设备运行过程中，产生噪声较小，减少了设备运行过程中对变电站周围环境的影响。二次控制部分采用智能化设备、远程巡视技术、一键顺控技术，实现控制、巡视、联锁、防误操作等联动功能，实现了变电站的智慧化应用[4]。

由于应用新型配电装置，因此大大减少了后期运行维护次数，同时优化了设备的全寿命使用周期。在与同类产品的对比中，其的工程经济指标良好，高于同类产品，节约了变电站的建设资金，符合国网公司“两型三新”的要求。该变电站的顺利投运，是对当前配电网变电站形式的突破，不但可以优化土地指标和降低建设成本，提高运行可靠性，同时可以减少SF6气体的使用量和排放量，适应国家节能减排的要求。

2.2 比较于传统的GIS设备优点介绍

SF6用量少，C-GIS 产品充气压力为0.04MPa，每台开关柜用气量约10kg，且由于充气压力极低，因而漏气率和可能出现的漏气量也是极低的。而传统GIS产品充气压力在0.4～0.6MPa，单间隔用气量约150kg，漏气率和可能出现的漏气量会远大于CGIS 产品。一旦发生严重的事故，例如内部电弧，传统GIS 产品对周围人群的伤害及对周围环境的破坏会远远大于C-GIS 产品。因此，ZHN3-72.5 型C-GIS 产品对安装地点的限制很少，居民区、市中心、地下室等均适合产品的安装。

“0”表压功能，C-GIS 产品通过对电极形状的控制，从而优化、均匀气箱内部的电场，而不是完全依赖于充入的SF6气体密度的大小。C-GIS 产品的最低功能压力为“0”表压，如果C-GIS 产品的气箱出现泄漏，当内外压力相等（即“0”表压）时，SF6气体由于没有压力差作用，将自动停止泄漏，而此时C-GIS 产品完全具有额定的绝缘水平,这为发现问题、解决问题提供极其充裕的时间。传统的GIS 产品的最低功能压力0.33MPa，绝缘问题主要靠高压力的SF6解决，当GIS 产品发生泄漏时，必须在气体压力降到0.33MPa前，将漏气问题解决，否则GIS 产品将不再具有额定的绝缘能力，很容易发生绝缘击穿故障，从而导致内部电弧事故。因此GIS 产品从发现问题开始，留给抢修工作的时间很短,如果不能及时完成抢修，将导致被迫停电，故障范围扩大。

C-GIS 产品的额定充气压力为微正压力，且是在制造厂的洁净车间里完成充气隔室密封，水分及灰尘控制，并采用分子直径仅为SF6气体分子直径1/3的氦气进行漏气率检测，能够很有效地控制产品漏气的可能性、微水含量以及充气隔室内部的洁净度，从而使得出现内部放电的可能性降到最低，现场安装采用插接式连接，不涉及SF6气体的操作。传统的GIS 产品是在装配条件很差的施工现场完成充气隔室的最后拼接、充气等本应该在洁净环境下完成的工作，产品的密封性、洁净度、微水很难达到理想状态，设备运行过程中的隐患较多，很多问题被充入的高压力的SF6暂时掩盖，一旦发生泄漏，问题会立刻暴露出来。

C-GIS 产品的额定充入压力为0.04MPa，气箱内的SF6气体液化温度为-62℃左右。不发生液化产品的绝缘性能就不会降低，可见C-GIS产品对环境的适应性更强，更适合东北地区的使用环境。传统的GIS产品的额定充气压力为0.4～0.6MPa，气室内SF6气体的液化温度为-25℃左右，一旦出现液化，将严重影响产品的绝缘能力，因此必须增加额外的加热装置解决液化问题。

C-GIS 产品单个间隔的外廓尺寸和占地面积远小于GIS产品，约为其1/3，且为柜式结构。柜与柜之间可以直接并柜连接，更加提高了土地的使用率，节省占地面积，从而减少了土建尺寸。现场并柜安装无须在电站内部预先安装行吊，降低了建筑物的高度，大大减少了投资。

2.3 设备优化介绍

2.3.1 采用真空断路器代替传统SF6断路器

对高电压真空断路器进行概念设计、电场分析、绝缘性能计算、结构计算、工艺分析等工作，采用改进的固封极柱工艺，同时真空灭弧室技术日益成熟，使得C-GIS设备可以采用真空断路器替代传统的SF6断路器

2.3.2 采用先进的配电结构和装配工艺

C-GIS 成套设备完全在工厂内完成组装，现场安装只是简单地利用母线联结器进行主母线的拼接，不涉及SF6气体操作和密封连接。电流互感器采用低压式互感器，直接套接在一次电缆上，开关柜的一次主回路就构成了电流互感器的一次绕组，二次线圈和铁芯经环氧浇注后安装在气室外，套接在一次电缆上，因此不受绝缘应力的影响，没有局放问题、没有动热稳定问题，安全可触摸。

电压互感器和避雷器采用单相绝缘、单相金属封闭式结构，因此，没有相间故障的可能性，接地的金属外壳安全可触摸。电压互感器和避雷器采用插入式结构，通过电缆套管与主回路连通，主绝缘通过界面绝缘实现，因此安装、更换过程中不涉及SF6气体的操作，没有SF6气体的排放问题。

2.3.3 采用先进的生产技术

C-GIS 配电装置的金属气箱箱体采用高精度激光切割、焊接设备加工而成的，并采用先进的等压抽真空，氦气检漏，气体充注一体式装置进行检漏和充气工作，精度高、质量好，为设备的安全可靠运行提供保障。

3 环保与节能

3.1 防止SF6排放措施

沙东66kV变电站设计中采用的72.5kV C-GIS气体绝缘开关设备，为户内产品，采用真空断路器，绝缘用SF6气体的额定压力仅为0.02～0.03MPa,比相同规格的采用SF6断路器的GIS气体绝缘开关设备单台减少SF6的使用量相当于减少超过20t CO2，且无毒害气体产生。

沙东66kV 变电站使用的C-GIS 设备环保效应分析表见表1。

表1 沙东66kV变电站使用的C-GIS设备环保效应分析

3.2 防电磁辐射措施

本站采用户内布置方式，通过建筑物自身的围护结构起到良好的电磁屏蔽作用。且C-GIS设备为小型化设备，设备自带的金属罩壳也能起到一定的屏蔽效果。因此变电站内电磁场强不会对周边居民的正常无线电通信接受和人体健康产生不利影响。

4 结语

在变电站中应用C-GIS设备，在大大缩小建筑面积的同时，还具有比传统GIS 更多的优点，更适合在东北地区使用。积极响应国家环境政策，采用一系列措施，做到节能减排，防止环境的污染。在现阶段智能变电站的设计原则下，可以将二次设备布置在C-GIS设备内，减少二次设备空间，提高设备运行稳定性与可靠性，为以后智能变电站的升级与发展打下了良好的基础。