雙壓氣室結構及其在GIS開關柜中的應用

許昌許繼德理施爾電氣有限公司 白維正 徐慧強 周 行 李 克

雙壓氣室結構及其在GIS開關柜中的應用

許昌許繼德理施爾電氣有限公司 白維正 徐慧強 周 行 李 克

由于空氣的絕緣能力限制，使得采用空氣絕緣的開關設備體積較大，加之由于母線及開關等裸露在大氣中，很容易受到外界環境的影響，在惡劣的氣候和環境條件下需要維護。采用有絕緣的開關設備盡管可以在一定程度上減少外界的影響，但是在發生內部故障時卻存在很大的安全隱患。較空氣絕緣介質而言，SF6氣體作為一種無色、無味、無毒、不燃的氣體，擁有優越的理化特性及電氣特性。自20世紀60年代起，SF6氣體作為滅弧和絕緣介質被廣泛應用于各種開關設備中。

現階段電力部門采用的開關柜多數為SF6氣體絕緣開關設備。但是，SF6氣體作為一種溫室效應氣體對環境的負面影響也日趨嚴重。為了保護環境，國家開始嚴格控制SF6氣體的使用和排放。本文，筆者介紹了一種新穎的開關柜結構布局方式——雙壓氣室結構，可以大大減少GIS開關柜SF6氣體的用量，更加環保、節約。此外，該結構還具有安全可靠、體積小等優點。本文，筆者主要針對這種雙壓氣室結構的特點及其在GIS開關柜中的應用進行探討。

一、國內中壓領域各類開關柜使用現狀分析

1.中壓開關柜發展現狀。早在30年前，空氣絕緣開關柜還是國內開關柜的主流，主要是固定柜與手車柜兩種類型。但是由于母線外露易造成母線短路事故，不符合國家標準和國際標準，而且其體積尺寸偏大、占地面積偏大，不符合當今開關柜發展趨勢。所以近幾十年來，各大廠家都在發展中壓GIS開關柜，它是把GIS的SF6氣體絕緣技術、密封技術與普通中壓開關柜的制造技術相結合的一種開關設備。這種開關柜的特點是將高壓帶電部分封閉在金屬箱體中，內部充以SF6氣體作為絕緣介質，使整個高壓系統處于完全封閉的狀態，殼體采用不銹鋼鋼板全密封焊接而成，防護等級達到了IP67，因而不受外界環境條件的影響，大大提高了運行的可靠性，實現了免維護和少維護?；谏鲜鰞烖c，近些年中壓充氣柜得到了長足發展，其市場占有份額也逐年攀升，截至2009年8月，在我國中壓領域使用的開關柜中，有70%為SF6氣體全絕緣開關柜。目前，包括ABB、施奈德、西門子、歐馬嘉寶等廠家均在大力發展SF6全絕緣開關柜。

2.中壓開關柜的缺點和不足。雖然中壓GIS開關柜擁有不受外界環境影響、體積小、運行安全性高等諸多優點，但是也存在一些缺點與不足。

（1）在GIS開關柜中，SF6氣體充當了滅弧和絕緣氣體，氣箱內部要充大量的SF6氣體，以保證足夠的壓力，從而保證滅弧能力。

（2）基于GIS自身的設計特點，在長期運行中，氣體泄漏是在所難免的。一旦發生氣體泄漏事故，氣箱內部氣體壓力降低，開關的滅弧能力勢必受到影響，也就很難保證開關的正常分斷。

（3）作為滅弧介質，當開關在開斷過程中產生高溫電弧時，SF6氣體在電弧作用下會分解或者與電極、絕緣材料、氧氣等反應產生有毒產物，致使氣箱內SF6氣體純度降低，不易回收和凈化處理。

（4）在高溫電弧作用下，SF6氣體產生的分解物很容易與銅排等金屬材料和絕緣材料發生反應，對柜內元器件造成不同程度的腐蝕。對于合分閘比較頻繁的地區，柜內元器件長時間受到腐蝕，將成為電力系統安全運行的巨大隱患。

二、雙壓氣室結構的特點

針對上述問題，本文，筆者介紹一種新穎的開關柜結構布局方式，即雙壓氣室結構。這種雙壓氣室結構有兩部分構成：絕緣氣室和滅弧室。滅弧室獨立在絕緣氣室內。滅弧室采用直動式結構，極大地減小了滅弧室的體積；進而縮小了整個氣室的體積，實現了GIS開關柜的小型化。這種結構有以下幾個特點。

1.精巧的滅弧室。滅弧室采用了“吸氣活塞＋去離子柵”滅弧原理和直動式，結構如圖1所示。

滅弧室內部設有吸氣活塞，活塞將滅弧室分成兩個小的氣室，采用了直動式結構的活塞在運動過程中，會擠壓其中一個氣室的SF6氣體，使其SF6氣體壓力高于另一個小氣室，從而實現了在活塞運動過程中利用SF6氣體吹弧的目的。通過吹弧拉長電弧加強帶電粒子的復合和擴散，同時把弧隙中的帶電粒子吹散，迅速恢復介質的絕緣強度。此外在動觸頭還設有去離子柵，可以起到很好的輔助滅弧。將吸氣活塞和去離子柵滅弧技術融合為一體的設計，提高了滅弧的效果，使開關具有較強的開斷和關合短路電流的能力，分斷空載變壓器和分斷電容器組都不易產生重燃。能夠快速恢復介質絕緣強度，使其在頻繁操作中依然能夠保持有效的滅弧能力。同時，由于滅弧室外部采用了全絕緣材料，可以有效地減小絕緣氣室的體積。直動式結構既有力保證了滅弧室可靠的滅弧動作，又最大程度地節省了空間。

2.滅弧能力不受絕緣氣室氣體壓力的影響。由于GIS開關柜自身的設計特點，其對于焊接及其他工藝要求非常嚴格，雖然各大廠商都在使用機械手進行操作，但是仍然無法杜絕漏氣的現象。采用雙壓氣室結構，滅弧室是獨立密封于氣箱內部，其滅弧能力只與滅弧室內氣體壓力有關，并不受氣箱內部壓力的限制。所以即使氣箱在發生泄漏的情況下，由于滅弧室內部的氣體壓力并沒有降低，確保了設備在絕緣氣體泄漏后仍能夠正常的開斷，保證了高可靠的滅弧能力，同時也保證了斷口的絕緣，能夠有效地降低因SF6泄露引起電力事故的發生。

3.降低氣箱充氣壓力，減少SF6的用量，更加環保。采用雙壓氣室結構后，箱體內的SF6氣體只作為絕緣介質，可以大大降低柜內的充氣壓力。以采用此種雙壓氣室結構的某國際知名品牌GIS型10kV中壓開關柜為例，其內部充氣壓力僅為0.017 MPa，而市場上同類共箱式產品的充氣壓力大約為0.030 MPa，同體積下其SF6使用量僅為同類產品的56%。

采用雙壓氣室結構后，開關柜的體積可以進一步減小，加上精巧緊湊的設計，氣箱容積僅是國際同參數等級產品的66.9%，單個單元平均使用SF6氣體僅為市場上同參數等級產品使用量的37.46%。對于24 kV中壓GIS開關柜而言，采用這種結構的GIS型開關柜優勢更為明顯，其內部充氣壓力不足市場上同參數等級產品的40%左右，SF6氣體的用量不到國際同參數等級產品的1/3，極大地減少了SF6的用量，更加經濟環保。

4.隔離了電弧分解物，95%氣體可循環使用。SF6在高壓電弧的作用下會發生部分分解，其分解物為硫黃氧氟化物、硫氧化物、氟化氫、二氧化硫等含有劇毒和強腐蝕性的氣體，即使微量泄漏也能造成人身及設備的傷害。采用雙壓氣室結構以后，95%的氣體做絕緣介質并不參與滅弧，故并沒有被分解，可以直接回收再利用。僅需將滅弧室內的少量SF6氣體進行回收處理即可，極大地減少了對于使用后SF6氣體的回收工作，降低了處理費用。

5.較寬的電壓等級適應能力。我國經濟持續發展，加快了用電負荷的迅速增長。國家電網公司于2007年下達了《關于推廣24 kV電壓等級的通知》。24 kV電壓等級具有電能損耗低、容量大、占地小、投資省等優勢，2009年以來，全國各省市電力部門已相繼開展建設推廣24 kV電壓等級電網。這就對原有10 kV線路上運行的開關柜的更新換代提出了問題。由于電壓等級的差異，勢必導致原有10 kV開關柜的退役，造成了資源浪費。而雙壓氣室結構的GIS開關柜本身是按照24 kV電壓等級進行設計的，所以當輸電線路改為24 kV等級時，仍然可以使用，不會造成任何的資源閑置。

三、基于雙壓氣室結構的G I S開關柜的應用及市場前景

這種雙壓氣室結構便于統一的模塊化設計——每個功能單元為一個獨立的模塊，它們之間采用統一的設計接口，可以根據需求方便靈活地將其組裝到一起，滿足各種設計方案的需求。而且只需在電纜室內安裝電纜即可，無需涉及任何氣體處理，安裝簡單快捷。所以，基于這種雙壓氣室結構的GIS型開關柜受到許多用戶的青睞。

1.電力市場。在電力系統中10 kV高壓開關柜應用極為廣泛，但是我國城市人口十分密集，在城網建設和改造中面臨著建筑用地十分緊張的問題，減小電力設備的占地面積有著十分重要的意義?，F階段，各大廠商為電力系統提供的10kV GIS開關柜的體積基本為325 mm×1 650 mm×850 mm，而采用了雙壓氣室結構的同參數等級的GIS開關柜尺寸僅為315 mm×1 300 mm× 518 mm，相比之下，占地面積僅為前者的46.54%。由于這種開關柜采用全絕緣、全密封式結構，所帶電部件以及開關均封閉在不銹鋼的殼體內，耐受短時間水下浸泡，能夠安全可靠地運行，故已廣泛應用于城市配網、小區供電及各種大中型配網工程中，如，奧運場館、世博場館、北京城網等重大工程項目中均有這種GIS系列的開關柜在運行。隨著城市人口的不斷增多、電網的日益擴大，小型化的開關柜將會越來越多的應用于電力系統。

2.鐵路市場。鑒于這種開關柜具有運行安全穩定、技術參數高、體積小，重量輕、安裝簡便等優點，在鐵路市場上也已經得到了廣泛應用。在京津城際高鐵、京滬客運專線、武廣高鐵、鄭西客運專線、哈大線、甬臺溫客運專線等重點項目中運行的GIS型開關柜也頗受好評。目前，包括京滬高鐵等在建鐵路重點工程有277項，開工建設的客運專線及城際鐵路項目已超過40項，建設規模超過1萬km。根據中國高速鐵路網規劃，從2010年起至2040年，用30年的時間，將全國主要省市區連接起來，形成國家網絡大框架。近期國家要發展“五縱六橫七連線”工程。包括京滬、京港、哈滬在內的18條高鐵線路的規劃和建設將在未來30年內完成。如此繁多的高鐵線路，所需開關柜的數量之大，可見一斑。

四、雙壓氣室結構的發展方向

1.采用混合氣體作為絕緣介質。SF6之所以被廣泛應用于與電氣設備，依賴于其優越的理化特性及電氣特性。但是隨著世界各國越來越重視環境保護，其巨大溫室效應成了人們考慮使用替代品的主要緣故?，F今，有諸多研究所、高等學府及電力行業都在考慮SF6的替代品。據了解，使用N2和SF6的混合氣體作為絕緣介質的研究已經有了結果。雙壓氣室結構的設計特點為混合氣體的使用提供了條件?；旌蠚怏w可以作為絕緣介質，滅弧室內仍使用電氣特性較好的SF6氣體，這樣既可以保證滅弧的安全可靠，又可以降低SF6氣體的用量。

2.采用固體絕緣。為了減少溫室氣體排放，在未來的幾十年內，國內SF6氣體的使用會受到越來越多的限制。為了彌補SF6充氣柜的缺點，近幾年在國內外市場上出現了固體絕緣開關柜。所謂固體絕緣就是將數組開關和相關帶電部件整體采用環氧樹脂進行澆注，通過自動壓力凝膠技術設計制造出固體絕緣供電設備。雙壓氣室結構也可以向固體絕緣方向發展，一旦固體絕緣技術成熟，開關柜內部的連接部分可以采用環氧樹脂澆注，并利用凝膠技術在銅排與滅弧室的連接處做一些處理，可實現GIS開關柜向固體絕緣開關柜的轉變。

綜上，隨著電力部門和鐵路部門對開關設備要求的不斷提高，中壓SF6氣體絕緣開關柜的應用也越來越廣泛?；陔p壓氣室結構的GIS開關柜技術優勢明顯，大大減少了SF6氣體的用量，環保節約，以其安全可靠的運行、方便簡潔的安裝方式和小型化、少維護等特性，將在電力市場和鐵路市場得到更加廣泛的應用。