C-GIS在20kV配電裝置中的應用

張卓為

（浙江省電力設計院，杭州 310012）

在電壓等級220/110/20kV的變電站中，低壓側往往出線規(guī)模大、無功補償組數(shù)多、接線方式相對復雜，使得20kV開關柜數(shù)量多，20kV配電裝置室占地面積比較大。低壓側若使用柜式氣體絕緣金屬封閉開關設備（C-GIS），則能顯著減小20kV配電裝置室面積，從而減小變電站總體占地面積。結合桐鄉(xiāng)220kV安興變電站設計方案，對20kV C-GIS的設計應用進行探討。

1 安興變電站20kV側電氣接線和布置

220kV安興變電站低壓側接線為：主變壓器進線3回、出線24回、無功補償裝置12組、所變壓器2臺，單母線四分段環(huán)行＋單母線接線，每段母線設母線柜（含電壓互感器和避雷器）。遠景接線示意見圖1。

220kV安興變電站的20kV配電裝置采用開關柜戶內單列布置，開關柜共需52臺。如果按常規(guī)采用金屬鎧裝移開式開關柜，單臺開關柜寬度1 m計算，20kV配電裝置室長度達到57 m。如果采用小型化設備C-GIS，額定電流為3150 A或2500 A的大電流柜，如主變壓器柜，分段柜，復雜結構柜，如母線橋進線電纜出線的2號所變壓器柜、裝設電壓互感器和避雷器的母線柜，單臺寬度可控制在0.8 m，其它開關柜單臺寬度可控制在0.5 m。采用C-GIS后，20kV配電裝置室長度36.6 m，建筑面積相對減少122.4 m2。在安興變電站中，20kV配電裝置室布置在主變場地環(huán)形道路以內，其長度恰恰制約著總平面的橫向尺寸內，采用20kV C-GIS后，變電站占地面積可減少609 m2。

2 20kV C-GIS應用分析

2.1 C-GIS主要結構

C-GIS是GIS的充氣絕緣技術、密封技術與鎧裝開關柜的制造技術相結合的設備。ABB、Alstom、施耐德、西門子、日立、三菱、上海天靈等公司都有7.2～40.5kV C-GIS產品，其結構分為：由低表壓的絕緣氣體作為絕緣介質的高壓室（即氣箱）、由空氣作為絕緣介質的二次室和電纜室。

高壓室：一次高壓帶電體（斷路器、三工位開關、母線及相互連接）全被密封在氣箱內。氣箱內充絕緣氣體；箱內氣體壓力與大氣壓的壓差小于0.05 MPa。由于氣箱內外壓差低、氣箱密閉性好，箱內氣體年泄漏率一般小于0.1%。大多數(shù)C-GIS的高壓室為1～2個氣箱，每個氣箱都有獨立的氣體系統(tǒng)，互不影響，積木式插接。氣箱封裝后無須也無法對其內部元件進行調整和維修，斷路器一般采用真空斷路器。

C-GIS不設饋線側隔離開關和接地開關，僅在母線側設分閘、合閘、接地三工位隔離開關，以簡化C-GIS接線。饋線側接地經(jīng)下列操作實現(xiàn)：斷路器斷開－三工位隔離開關分閘位置—三工位隔離開關接地位置—斷路器合閘—實現(xiàn)饋線側接地。氣箱內充的絕緣氣體一般為SF6，絕緣強度優(yōu)于壓縮空氣或N2，但對大氣的溫室效應是CO2的23900倍。從保護環(huán)境的角度出發(fā)，宜盡量減少SF6的使用。可以使用SF6與N2混合氣體（如10%SF6+90%N2），通過均勻電場來達到絕緣要求。正常情況下，SF6氣體不會接觸高溫電弧而分解。但在故障狀態(tài)下，SF6氣體在電弧電暈作用下可能分解，產生有害物質。因此，20kV配電裝置室內須設有可以室外控制的排風機。

二次室：布置二次回路、控制和保護單元。根據(jù)需要可實現(xiàn)控制、保護、測量、通信、顯示、故障錄波和事件記錄等功能，并可實現(xiàn)運行狀況實時監(jiān)測和故障預測；具備可視界面，以便巡視檢修。

電纜室：根據(jù)需要布置電纜頭、電流互感器、電壓互感器、避雷器。互感器采用環(huán)氧樹脂澆注式或電子式。主回路與電纜、互感器、避雷器等元件的連接采用固體界面絕緣插接技術，實現(xiàn)插拔式安裝。根據(jù)需要可預留插接孔；預留的插接孔不用時，用專用絕緣封堵件封上即可。

柜間連接采用固體絕緣母線、固體界面絕緣技術，如硅橡膠連接器，無需改變或移動原有柜體，即可在原有柜體兩側進行擴展或更換中間柜。

2.2 C-GIS的優(yōu)點

與常規(guī)的金屬鎧裝移開式開關柜相比，CGIS有以下優(yōu)點：

（1）體積小。控制C-GIS柜體尺寸的因素主要是絕緣、結構、散熱面積。大電流或復雜結構20kV C-GIS的占地面積約為金屬鎧裝移開式開關柜的1/2，其他20kV C-GIS的占地面積約為金屬鎧裝移開式開關柜的1/3。

（2）絕緣可靠性高，環(huán)境適應性強。由于高壓帶電體及其連接部分采用絕緣性能優(yōu)良的氣體密封絕緣，能實現(xiàn)不受環(huán)境如大氣條件、濕度、海拔、小動物、氧化腐蝕等因素的影響，運行可靠性高，減少了配電系統(tǒng)的絕緣故障率（絕緣故障約占配電系統(tǒng)故障30%）。

（3）密封部分免維護。C-GIS能節(jié)省維護成本，降低維護風險（維護引發(fā)故障約占配電系統(tǒng)人為故障30%）。

（4）運行成本低。C-GIS主回路電阻小，運行能耗小，符合國網(wǎng)公司全生命周期成本（LCC）理念。

（5）電氣安全性高。C-GIS產品沒有外露的高壓帶電體，可以保障運維人員的電氣安全性。

圖1 安興變電站20kV側電氣接線

3 浙江省變電站標準化設計對20kV CGIS的要求

3.1 參數(shù)要求

（1）額定電流、額定短路開斷電流要求。按照浙江省220kV（20kV）變電站標準化設計的要求，20kV側主變、分段開關柜的額定電流要求3150 A，其他開關柜的額定電流要求1250 A；柜內斷路器開斷電流值要求25 kA。

目前大多數(shù)公司20kV C-GIS產品的額定電流均滿足2500 A，額定短路開斷電流滿足31.5 kA；部分公司（如上海天靈）C-GIS產品的額定電流可達到3150 A，并能完全自然冷卻，額定短路開斷電流可達40 kA。

（2）絕緣水平要求。20kV電氣設備的絕緣水平由雷電沖擊耐壓值決定，以避雷器雷電沖擊10 kA可達到殘壓為基準，配合系數(shù)不小于1.4。20kV電氣設備絕緣水平要求如下：1 min工頻耐壓（有效值）：對地65kV，斷口間79kV；雷電沖擊耐壓：對地125kV，斷口間145kV，20kV C-GIS產品普遍能滿足要求。

（3）外絕緣泄漏距離要求。根據(jù)DL/T 404-2007《3.6kV～40.5kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》[1]要求，金屬封閉開關設備內外絕緣件的最小標稱爬電比距為18 mm/kV（瓷質）、20 mm/kV（有機）。20kV屋內電氣設備外絕緣泄漏距離應為 432 mm（瓷質），480 mm（有機），20kV CGIS產品普遍能滿足要求。

3.2 元件要求

（1）真空斷路器要求不產生危害性過電壓。

（2）隔離開關應能切斷小電流（如斷路器的充電電流），而不產生可能引起控制回路瞬時過電壓或在外殼上瞬時電位升高的瞬時過電壓。

（3）開關柜的安裝、操作、擴展及更換無需涉及SF6氣體操作。充氣式開關柜在正常運行時，應能在不停電的情況下安全進行氣體取樣等檢驗工作。

3.3 允許進出線方式要求

要求20kV C-GIS能實現(xiàn)母線橋進線（1號、2號主變進線柜）、電纜進線 （3號主變進線柜）、電纜出線 （電纜出線柜）、母線橋進線電纜出線（2號所變柜）等進出線方式，每相可連接1～3根電纜。

個別C-GIS產品不能實現(xiàn)母線橋進線及母線橋進線電纜出線的方式，故在設備招標時應注意標明要求的進出線方式。罕有C-GIS產品能實現(xiàn)同時母線橋進出線或同時電纜進出線，這2種進出線方式也鮮有需求。

4 20kV C-GIS經(jīng)濟分析

通過詢價，在能滿足設計參數(shù)要求的20kV C-GIS產品中，部分C-GIS的造價可控制在浙江省220kV（20kV）變電站標準化設計通用造價之內。按遠景規(guī)模，對充SF6型C-GIS作經(jīng)濟分析見表1。

表1 設備造價分析

如果考慮環(huán)境友好型盡量少用SF6，可采用充混合氣體的C-GIS（例如充10%SF6+90%氮氣）則造價較充純SF6型增加約15%～20%。部分合資品牌的20kV C-GIS造價較上表約增加15%～30%。

可見，20kV C-GIS的價格并非高不可攀。而且，采用20kV C-GIS，土建費用明顯減少。在安興變電站中，采用20kV C-GIS后，建筑面積減少122.4 m2，節(jié)省投資24.48萬元；變電站占地面積減少609 m2，節(jié)省投資22.86萬元；共計減少土建費用47.34萬元。

綜合來看，采用20kV C-GIS的性價比頗為優(yōu)良。

5 C-GIS應用中須注意的問題

5.1 C-GIS對安裝地坪平整度要求高

C-GIS對安裝地坪平整度要求高，一般要求在整個C-GIS運行年限內（如30年），安裝地坪誤差小于1 mm/m且C-GIS整體安裝地坪誤差小于5 mm。浙江部分地區(qū)存在不均勻沉降，投產后時間越久，安裝地坪的水平標高差越大。由于CGIS柜間連接母線采用固體界面絕緣技術，一旦安裝地坪誤差超出C-GIS的承受范圍，會產生界面接觸不均勻，會影響氣室密封性。因此，在220kV安興變電站中，對20kV配電裝置室安裝地坪采取了架空、整體現(xiàn)澆、校準地平誤差的措施。

5.2 泄壓通道

為防備異常情況下C-GIS的氣體外泄，CGIS應考慮泄壓通道。個別C-GIS設內置泄壓通道，大部分C-GIS要求外部空間具備泄壓通道。對要求外部空間具備泄壓通道的C-GIS，土建預留在安裝地坪下的高壓電纜安裝孔、柜體上方?jīng)]有母線橋的空間，即可作為泄壓通道。泄壓通道不應朝向操作人員。

5.3 監(jiān)測

現(xiàn)代監(jiān)測技術或智能化技術可進行狀態(tài)監(jiān)視，變定期維護為狀態(tài)維護。除了常規(guī)的斷路器機械故障、母線異常溫升、局放、故障電弧等監(jiān)測外，C-GIS還需要監(jiān)測所充灌的絕緣氣體。例如對充SF6的C-GIS，需要監(jiān)測SF6氣體密度和SF6氣體含水量，SF6氣體密度決定了SF6氣室內的絕緣強度。而當SF6氣體中的水分含量若超過飽和值時，水分就可能凝結在固體絕緣件的表面，降低其沿面閃絡電壓。

6 結語

通常認為，限制C-GIS取代常規(guī)空氣絕緣開關柜的因素為其額定電流和價格。從上述分析可知，20kV C-GIS滿足浙江省220kV（20kV）標準化變電站要求的性能條件，且造價可控制在標準化設計通用造價之內。C-GIS有尺寸小、絕緣可靠性高、運行維護成本低的優(yōu)點，能減小20kV配電裝置室建筑面積，減少變電站占地面積。在C-GIS實際應用時，須注意保證其安裝地坪在整個C-GIS運行年限內的平整度。

[1]DL/T 404-20073.6kV～40.5kV交流金屬封閉開關設備和控制設備[S].北京：中國電力出版社，2008.

[2]王金剛.中壓C-GIS（充氣柜）發(fā)展方向及技術問題[J].電力設備，2005，6（2）∶121-122.