中压CGIS 的原理与设计.docx

1、中压CGIS 的原理与设计中压C-GIS 的原理与设计.1 概述1.1 CGIS 的发展简史及特点柜式气体绝缘金属封闭开关设备，国际上简称C-GIS或有称GIS，是一种用于1035kV或更高电压输配电系统以接受或分配电能并能对电力系统正常运行和故障情况下实行控制、保护、测量、监视、通讯等功能的新型开关设备。把GIS的SF6的绝缘技术、密封技术与空气绝缘的金属封闭开关设备制造技术有机地相结合，将各高压元件设置在箱形密封容器内，使之充入较低压力的绝缘气体，利用现代加工手段而制成的成套系列化产品称之为柜式气体绝缘金属封闭开关设备，简称C-GIS（Cubicle type Gas Insulated

2、Switchgear），俗称的充气柜往往指的是C-GIS 与充气环网柜的统称。在上世纪70 年代末、80 年代初日本首先开发了84kV C-GIS,当时采用厚钢板焊接的密封箱体。随后，有更多的公司开发C-GIS产品，电压等级7.2126kV；起初母线全部置于SF6气体中；有配真空断路器，也有配SF6断路器；上下隔离开关、接地开关、快速接地开关一一配齐，主接线与常规高压GIS基本一致；方箱形、圆筒形密封箱体均有；内置电流互感器、电压互感器、避雷器等元件。那时的绝缘技术主要是应用低压力SF6气体绝缘，充气压力一般在0.2MPa（表压）以下。现场安装需要进行抽真空、充气。到了90年代中期，C-GIS

3、在2436kV电压等级上有了更快的发展，以配真空断路器为主，且以方箱形密封箱体占多数；在圆筒形密封箱体中也是以三相共筒为主；对部分元件已开始外置，如：电压互感器通过电缆连接到密封箱体外部；在一次主接线方面已开始简化，下隔离逐渐开始取消；充气压力一般在0.07MPa以下，密封箱体钢板厚度多在6mm及以下。这时除了应用低压力SF6气体绝缘技术外，固体的界面绝缘技术已开始在高压元件的插接上进行运用。到了2000年左右，中压C-GIS的发展有了一个飞跃，新的技术、结构、工艺、装备进入推广使用阶段，引入计算机技术、传感技术使产品进入智能化时代。产品的技术参数、可靠性进一步得到提高，尺寸进一步小型化。采用

4、新型的固体界面绝缘插接技术，并推广应用于各气室的连接、柜体间的连接，以及电压互感器、避雷器等高压元件连接。有的产品使用了固体绝缘母线或充气母线室+母线连接器；现场安装已开始不需要抽真空、充气。一次主接线得到了简化，新问世的产品均无线路侧隔离开关。传感器大量使用，如电流/电压传感器、位置传感器、密度传感器等；密封箱体采用薄不锈钢板焊接结构，并开始采用激光焊接技术。采用压缩空气作绝缘介质的24kVC-GIS问世，并在电网上运行。国内于1996年下半年由西高所组织六厂一所开始研发40.5kVC-GIS，着手时就研制现场不需抽真空、充气的产品。于1999年制造出第一台样机，2000年制造出改进的第二台

5、样机，于2001年首家产品的样机通过了全部型式试验，2002、2003年陆续又有多家企业通过了型式试验。低压力SF6气体的绝缘技术、散热技术、密封技术，真空灭弧室的开断技术，激光焊接技术以及数字化控制、保护、监视技术，为中压C-GIS的生产提供了可靠的、先进的技术基础。现代化的加工装备、加工工艺、焊接工艺为中压C-GIS的生产提供了必要的加工基础。中压C-GIS近几年在国际上发展速度很快，形成了系列化、信息化的高新技术产品，逐渐成为金属封闭开关设备的一个重要分支。ABB、西门子、Althom、日立、三菱等各大电气公司都有7.240.5kVC-GIS，产品已经系列化。现代的C-GIS逐渐形成自己

6、的体系，摆脱了高压GIS以及常规开关柜的许多设计常规和习惯的束缚，形成了自己独特设计思想和设计风格。不再采用高压力而用较低压力（一般小于0.25MPa，20时绝对值，下同）的SF6气体、N2、混合气体（SF6+N2）或压缩空气作为一次主回路的的绝缘介质。由于解决了绝缘的连接和焊接工艺问题，C-GIS产品的柜体结构已发展为具有灵活组合、性能更好的铠装式柜体，各气室都是独立的，断路器气室、母线气室构成积木式结构，单母线、双母线组合灵活。一般以真空断路器为主开关，将真空断路器、三位置隔离开关、电流/电压传感器（或互感器）等高压元件及其之间的连接导体分别装于各功能充气室或集装于箱式的充气容器内。通过柜

7、体上预留的插座孔由插接式电缆终端实现进出线，预留的插孔座也可插接避雷器、电压互感器等高压元件。当预留的插座孔或柜体连接的插座孔不需插接时则用专用的绝缘闷头堵上。所有的高压带电部件或置于SF6气体中，或采用固体绝缘介质并由接地屏蔽层或金属外壳封闭可靠接地。可以采用新型组合式电流/电压传感器，也可以采用传统的电流互感器、电压互感器进行一次主回路电流、电压的测量与监视，通过控制和保护单元遥控、遥测。这种开关柜的其它部分，如操动机构、控制和保护单元、气室外的二次回路、电缆室、泄压通道等仍置于大气中，便于监视与维护。就我国自行开发的40.5kVC-GIS产品而言，柜体结构为箱式单母线，一气体隔室或二气体

8、隔室，其主要技术参数为：额定电流12501600A，1min工频耐受电压95kV，雷电冲击耐受电压185kV，额定短时耐受电流31.5kA，额定峰值耐受电流80kA，额定短路开断电流31.5kA，额定短路关合电流（峰值）80kA，SF6气体额定压力（20时、表压）：0.04MPa，外形尺寸：柜宽800，柜高2300左右，柜深1500左右。对于12kVC-GIS则在40.5kVC-GIS的基础上，将40.5kV部件更换为12kV相应的部件、调整相关的尺寸，基本结构不变。经过多年的研制，国内中压C-GIS产品在开发、生产、管理、运行等各方面都有了长足的发展。众多企业为了迅速占有市场，除了自行开发外

9、，有分别引进欧洲、日本、韩国等国家和地区的技术的，也有技术合作的，产品品种多种多样，技术水平参差不齐，有的代表着世界先进水平，有的还处在上世纪九十年代初的水平，还需要技术改进。1.2 CGIS是技术进步的产物1.2.1 绝缘技术的进步高压开关设备随着时代的前进在不断地发生变化，技术水平在不断地提高；经历了敞开式、柜式（金属封闭）、分相GIS、三相共箱GIS、C-GIS的变化过程，结构状态也经历了敞开、封闭、密封、元件复合化、设备复合化的变化过程，与之相应的绝缘技术也从空气绝缘、油绝缘、大气复合绝缘、高压力SF6气体绝缘、低压力气体绝缘、SF6复合绝缘的变革与发展。C-GIS就是低压力气体绝缘、

10、复合绝缘、固体绝缘技术发展的产物。1.2.2 密封箱体制造技术的进步密封箱体的制造充分利用现代先进的板材下料、折弯、焊接设备以及氦气检漏技术，使密封箱体的精度、刚度提高，漏气率降低。密封箱体加工技术的提高给中压C-GIS的发展提供了基础条件。1.2.3 工程实际的需要40.5kV及以下电压等级的开关柜采用空气和固体绝缘的复合绝缘技术，应用中虽没有大的问题，但仍存在大气状态的影响，体积较大，隔一定时间要进行监测、清扫和维护。近年来出现的中压C-GIS体积更加缩小、不需要维修或少维修。实际工程中需要使用小型化、不受环境条件影响、可靠性高的开关设备。工程建设的综合经济效益优越。1.2.4 企业发展的

11、需要中压C-GIS的技术含量高，是生产厂家掌握的先进设计、生产工艺、检验技术、管理水平的具体体现，增强了企业的竞争实力。对市场而言；中压开关柜的用户多、用量大，要求各不相同，用户容易选用。1.3 中压CGIS的优点a.小型化由于采用了先进的绝缘结构及非大气中的气体作绝缘介质，高压元件尺寸得以缩小，在箱形容器内排列方便、集装程度高，这就使得设备小型化。12kV级的C-GIS比一般的开关柜安装面积缩小了约1/3；40.5kV级的安装面积、体积也大大缩小，比目前12kV级的空气绝缘开关柜略大一点或相当。表1.1 C-GIS与空气绝缘开关柜尺寸、占地面积、体积的比较 b. 提高了可靠性、安全性因主回路

12、的导电部分密封于SF6、混合气体或压缩空气等绝缘气体中，以及高压带电导体封闭，故C-GIS的最大优点是耐环境性优良，不受外界环境的影响，如凝露、污秽、海拔高度、化学物质、小动物等的影响，可使用在环境恶劣的场所，使设备长期安全运行，具有高可靠性；无触电和火灾的危险。因气体压力低，密封问题已不突出，气密性可达30年不用补气。c. 维护简单因各高压元件或用气体密封或以金属封闭，零部件无腐蚀、生锈现象，也没有由此造成的操作方面、导电方面的影响，需维修的工作量很少。采用真空断路器或SF6断路器电寿命长、性能稳定，也可免维护或少维护。d. 应用、布置方便中压C-GIS将各高压元件组成若干标准模块，通过组合

13、可以满足各种主接线的要求，满足各种不同使用场合的需要。中压C-GIS在制造厂总体装配、调试，整体运输，到现场后成套吊装就位，现场的安装时可不涉及SF6气体的处理。根据需要，可很方便地通过预留的电缆插座来增加进出线电缆的数量进行扩容，或增加柜子向柜体的一边或两边进行扩展。三相高压元件设置在箱形的充气壳体内，易于采用电缆作为电源的引入、引出，与变压器的连接、布置方便，不受地皮、建筑物的限制，易于组成系统。e. 与周围环境协调中压C-GIS采用柜形外壳后，同时又因外形尺寸大大缩小，与周围环境在布局、大小、外观等方面更加协调、更加相适应。f. 经济效益优越在城市电网的升级和增容工程中，采用中压C-GI

14、S会带来很大的经济效益。1.4 中压CGIS的用途随着经济的发展，工程建设越来越复杂，使用条件变化很大、地域越来越广，尤其是地下、高原、冻土、沿海、潮湿等环境条件，原来的产品是以空气作为绝缘介质的，随着海拔、冻土、沿海、潮湿、污秽等环境条件变化，其绝缘性能发生很大变化急剧恶化，已无法满足这些场合下的使用要求。中压C-GIS最初是针对这些使用问题而开发的新一代金属封闭开关设备。中压C-GIS产品在国外问世后，得到了长足发展，现在是结合了现代绝缘技术、开断技术、制造技术、插接技术、传感技术、数字技术生产出集智能控制、保护、测量、监视、显示、通讯等功能于一身的高新技术产品，使用气体绝缘的开关柜的比例

15、一直在提高。国内外使用C-GIS的比例呈逐年上升趋势，环境条件差、可靠性要求高的建设工程、地下建筑、高原地区，空间狭小的高层建筑、集中的工商业区等是使用气体绝缘开关设备的最佳场合，对中压C-GIS有着广泛的需求。在西部地区，因海拔高、风沙大，如高原变电站等的建设，C-GIS是最佳的中压配电设备。在沿海地区以及污秽、潮湿的场合下，因环境条件潮湿、盐雾大、温湿度变化大、污秽，由绝缘问题而扩大的事故时有发生，也应是中压C-GIS最佳的使用场所。在人口密集的地区、大型工矿企业、高层建筑等场合，因占地面积、空间限制等因素，需要选用这种设备。我国诸多城市如北京、广州、上海、南京、深圳、沈阳等数十个城市正在

16、建设或筹建地铁、轻轨，每条地铁线路需要该类产品200多面，地铁项目需要量大，且我国地铁、轻轨的建设还将持续很长时期。城市的地铁、轻轨建设项目中首选的最佳中压配电设备就是C-GIS。2 中压CGIS的原理中压CGIS的基本原理是利用低压力的气体绝缘介质、固体绝缘材料以及特定的绝缘结构将高压导体或高压元件密封或金属封闭，达到耐受额定绝缘水平的要求；利用连接导体、开关元件、电缆承载电流；利用真空开断技术对线路的负荷电流、过载电流、短路电流进行控制、开断和对线路、设备进行保护；使用现代的传感技术、数字技术及通讯技术进行控制、保护、监视、显示、记录等智能化管理。2.1 低压力SF6气体或混合气体的绝缘技

17、术2.1.1 SF6气体或混合气体的绝缘特性高压电器中绝缘件的设计和绝缘距离的确定是以绝缘件表面、内部，电极表面，或气体间隙的许用场强为依据的。理想的SF6气体临界击穿场强为88.5kV/mm.MPa，而空气临界击穿场强为29.4kV/mm.MPa。由此推论在均匀电场下SF6气体的击穿场强大约是空气的三倍。但生产实际中SF6绝缘结构主要使用的是稍不均匀场，击穿场强总是低于这一数值，当间隙内最大场强达到某一击穿场强Eb时，间隙即被击穿。影响击穿电压的因素较多，如气体压力、电压形式和极性、间隙长度、电场不均匀程度、电极表面粗糙度、电极材料和电极面积等，与间隙中的最大场强密切有关，要精确计算只能借助

18、机算软件来完成。电场不均匀程度对SF6气体击穿电压的影响远比空气为大。因此，在绝缘结构设计时应采取各种措施使之避免。SF6电器设备中要使电场设计的完全均匀几乎是不可能的因而大多采用稍不均匀电场的结构。需要指出的是：随着间隙距离的增加，电场不均匀程度亦增加，击穿电压的增加愈来愈慢，电压增加出现饱和现象。因此SF6电器设备中不能单纯依靠加大间隙距离来提高击穿电压，改善电场分布更为重要。提高SF6气体的压力是提高击穿电压的有效措施，但会受到箱形密封壳体的强度、刚度、密封性的制约。稍不均匀电场中存在有极性效应，负极性的击穿电压低于正极性。不均匀电场中正极性的击穿电压低于负极性。根据空气中的结果，并假设

19、SF6和空气间的绝缘强度的某一倍数去设计SF6气体系统不会得出满意的结果。不均匀电场的情况下，在冲击中，由于形成空间电荷所需的时间几乎是没有的，所以不取决于气体压力，在可选用的范围内即使让压力上升闪络电压也不上升。研究者门通过大量试验总结出一系列经验公式。对于同轴圆柱电场，当P0.10.4MPa（绝对值）、内电极直径d=38200mm、电极表面粗糙不超过30m时，击穿场强有如下经验公式：EbAPBPSF6气体压力，MPa，绝对值。A、B与施加电压极性有关的系数，见表2.1。 2.1.2 SF6气体绝缘性能与浓度的关系在空气、SF6混合气体中，球对板间隙（均匀电场）和棒对板间隙（不均匀电场）上施

20、加正极性雷电冲击，闪络电压随空气、SF6混合比而变化，见图2.1。 SF6与N2、CO2、空气等的混合气体中SF6与空气的混合气体绝缘特性为最佳。SF6、空气混合气体比起同一气压下的纯SF6来说有着对杂质的影响不敏感的优点。40：60的SF6、空气混合气体达到同样的绝缘水平，要运行于稍高的气压（10%）。2.1.3 SF6气体绝缘性能与压力的关系SF6气体压力在0.100.15MPa（绝对值）范围内变化时，球对板间隙（均匀电场）和棒对板间隙（不均匀电场）上施加雷电冲击，闪络电压与SF6气体压力的关系见图2.2。由图可知，按均匀电场考虑的球对板间隙随着气体压力的升高，闪络电压同时也成比例地上升；

21、而按不均匀电场考虑的棒对板间隙随着气体压力的升高，闪络电压几乎没有变化，也就是说提高气体压力对不均匀电场耐受电压的提高没有太大作用。由此表明设计中压CGIS时，充分利用该特性效果会很显著。耐受电压并不仅仅取决于充气压力，按接近大气压的充气压力设计C-GIS时,解决密封壳体的强度、刚度、密封性等问题时就要经济得多。2.1.4 三种物质接触点的作用三种物质接触是指金属电极与固体绝缘子接触时，其周围的绝缘介质是SF6气体，而在金属电极与固体绝缘子接触线（点）上也与SF6相接触，称为三物质接触。由于SF6气体的介电常数比固体绝缘材料的小，在三种物质接触点上介电常数小的一侧电场强度升高，容易出现碰撞电离

22、并发展成沿面闪络，是绝缘上的薄弱环节。电极与固体绝缘子接触时会形成楔形的微小间隙，使得电场升高。实际结构中一方面应修改电极形状和绝缘件表面形状，改善电场分布；另一方面应设置屏蔽以防止绝缘子与电极接触处电场集中。2.1.5 支柱绝缘子的设计由固体气体绝缘组成的复合绝缘比单独气体绝缘，其绝缘强度随气压之增加得较少。在较高气压下的绝缘强度受绝缘子的影响比受气体的影响要大得多，而在低气压下绝缘强度没有明显下降。设计中应以冲击击穿判据作为设计依据。对支柱绝缘子和绝缘拉杆的基本要求是：有足够的绝缘强度，能够长期承受运行电压作用，无明显局部放电和老化现象，并能短时耐受绝缘水平规定的工频电压和冲击电压。有足够

23、的机械强度，能承受开关操作的作用力，装配中与运输中的冲击力，以及短路电流的电动力等。当SF6沿面绝缘结构中最大场强达到某一数值Eft时发生沿面闪络。影响Eft的因数很多，更为复杂。一般情况下，绝缘子在SF6气体中沿面闪络电压可按下式估算：UbtEftd式中：d绝缘间隔距离（即绝缘子高度）Eft绝缘子沿面闪络场强。负极性雷电冲击电压工程闪络场强Eft5.6(10P)0.66kV/mm工频电压工程闪络场强Eft4.5(10P)0.64kV/mmP 的单位为MPa，绝对值。考虑有绝缘子存在时，电极间隙的综合利用系数，主要取决于绝缘子形状和绝缘子高度与直径的比值，0.50.9。支柱绝缘子和绝缘拉杆的形

24、状、尺寸需由试验来验证。2.2 低压力压缩空气绝缘技术由于压缩空气的获得、处理要比SF6气体经济得多，也没有SF6气体的温室效应问题，用其作绝缘介质对社会和用户都有益。各种电极形状在压缩空气中的绝缘特性有一些参考文献报导过，但是能在设计中直接应用的数据还很少，需对各种电极形状的绝缘特性做一些实验研究。国外的7.224kVCGIS中采用压缩空气、N2绝缘已经很多了；在36kV也有过采用压缩空气的报道；在40.5kV产品中仍然采用SF6气体绝缘。在中压CGIS中采用压缩空气作绝缘介质是发展方向之一。 2.3 低压力气体中的载流与散热中压金属封闭开关设备中散热的主要途径是对流、传导、辐射。同等压力下

25、，SF6的分子量大、粘度小（比空气、N2小）比空气、N2形成更加广泛的气体环境，使之通过对流传热比一般的气体更为有效。当中压CGIS压力越高，在对流散热方面越有利；在绝缘上因导体与壳体间的距离较远，或采用不锈钢壳体，壳体内流过的涡流损耗较小，这是有利因素。对于小电流CGIS，在温升方面不存在问题。大电流CGIS温升是难点。解决温升主要是通过降低发热量、降低电流密度、增强辐射和传导来解决，可采取的措施：降低导体损耗，控制导体电阻率，降低电流密度，降低回路电阻；降低涡流损耗；提高辐射率；增大散热表面积以及使用散热器；提高耐热性能；采用冷却技术。2.4 真空断路器的开断技术发展经过十多年的发展，真空

26、断路器的开断技术有了较大提高，开断能力强、电寿命长、可靠性高，灭弧室部分免维护，允许开合额定短路开断电流的次数多在20次以上，特别适合于要求频繁操作的场所。这些优点是其它断路器无法比拟的，特别适合在中压CGIS中配置。3 中压CGIS的设计3.1 中压CGIS的总体设计中压C-GIS总体设计的核心是产品整体设计的可靠性，包括整体电气可靠性和整体机械可靠性。电气可靠性包括：真空断路器的开断与关合性能，主回路电接触的可靠性，短路电流下的电动及电热稳定性；同时还包括二次电气元件的可靠性，如分合闸电磁铁、辅助开关、转换开关、继电器、接触器、压力表、传感器等。整体机械可靠性包括：高压开关操动机构及传动系

27、统操作的可靠性和机械寿命，对运输震和地震破坏力的适应性。需要考虑的主要问题表现在总体结构、绝缘结构、密封结构、操动机构及传动、执行的标准、产品的可靠行、经济性以及产品的模块化、系列化。3.1.1 中压CGIS 的总体结构与元件配置需要实现的一次主接线方案根据一次主接线典型方案来考虑总体形状和尺寸、配置所需的一次高压元件、划分气室、其他方案的兼顾等。在典型方案的基础上通过变换高压元件、简单地改变结构来尽可能多地实现各种不同的主接线。由于对C-GIS气室内的高压元件检修非常不方便，考虑主接线方案时与空气绝缘开关柜有所不同。因在C-GIS柜内配置了电寿命长的真空断路器或SF6断路器，国外各大电气公司

28、生产的中压C-GIS均没有线路侧隔离开关和接地开关。如果在线路侧设置隔离开关和接地开关（或故障关合接地开关），当误操作后电弧造成的SF6分解物对柜内的环境污染很大，势必影响柜内其它元件的正常运行，那么一旦误操作，整面柜子必须检修。又因故障关合时，常规接地开关关合短路电流的电寿命仅有2次，关合短路电流后需要检修。如果通过断路器进行接地操作即使误操作也不会对柜内环境造成污染，也就是说不会对柜内其它元件的正常运行造成影响，只要电寿命不超过断路器允许的次数，整个柜子就不必要检修，延长了检修周期，如果其它问题处理的好在柜子的整个寿命期可以做到不检修，对用户有利。另外，如果没有线路侧故障关合接地开关后，该

29、气体隔室按无电弧分解物来考虑水分控制，对生产、运行也极为有利。没有线路侧隔离开关和接地开关（或故障关合接地开关）后，母线侧三位置隔离开关在隔离位置实现隔离功能，在接地位置仅仅是预接地，只有当断路器合闸后才真正实现线路侧接地。这种主接线实际上对提高运行可靠性是有利的。可实现的一次主接线有单母线、单母线分段、双母线、双母线分段。 总体结构布置纵观各种类型的中压C-GIS，可以明显地看出总体结构与母线的结构有密切关系，母线的结构对总体结构有限制要求。为了使母线在现场便于安装，总体结构自然就顺应母线结构来确定了。一次主回路仅母线、三位置隔离开关、断路器三个主要模块，按它们之间的相对位置总体结构可以划分

30、为三大类：上中下布置、下中上布置、后中前布置。将GIS技术与常规开关柜技术有机结合并发展。上中下布置的典型产品是日本三菱公司的HS-X，非常适合于插接式固体绝缘母线。 下中上布置的典型产品是上海天灵开关厂的12kVN2S、ABB公司的ZX1.2，非常适合于充气母线室+母线连接器。这种布置实现双母线不太方便。后中前布置的典型产品是ALSTOM公司的WS型1240.5kVC-GIS，非常适合于气体绝缘母线。使用充气母线室+母线连接器这种母线结构不但适用于下中上布置，也适用于上中下布置、后中前布置。SIEMENS公司的NXPLUS型2440.5kVC-GIS、ABB公司ZX2型1240.5kVC-G

31、IS也均为上中下布置。 由于采用了新型的硅橡胶连接头，C-GIS结构由箱式向铠装式发展，形成互不影响的独立气室、积木式结构，组合灵活；以低压力SF6气体作为绝缘介质，在诸多方面与空气绝缘开关柜、GIS存在较大的区别；利用方形容器布置高压元件；专用的真空灭弧室，使中压C-GIS外形尺寸大大减小；专用的三位置隔离开关及其操动机构，将隔离、接地复合为一体，在实现接通、隔离、接地功能的同时，减少了元件数、降低了制造成本，提高了可靠性；按智能化的要求配置新型传感元件。许多高压元件采用了插接技术，利用新工艺、新结构制造的各种插接头、座，内锥插接式电缆终端头、外锥插接式电缆终端头以及插接式电压互感器、插接式避雷器等新元件，可便于现场安装和使用。在此基础上设计小型化、柜体结构布置灵活简便、可靠性高的中压C-GIS。基本柜型及组成元件中压C-GIS按柜的用