40.5kV气体绝缘开关柜及其应用

近年来，随着社会、经济和开关技术的不断发展，工程建设的复杂程度加大，开关设备的小型化、免维护、智能化的产品越来越受到青睐。国内外各开关制造公司纷纷大力发展中压充气柜（C-GIS），C-GIS是GIS技术与开关柜（AIS）技术相结合的产物，也称为气体绝缘开关柜。所谓气体绝缘开关柜，是将高压元件如母线、断路器、隔离开关、互感器、电力电缆等密封在充有较低气体压力的壳体内。气体绝缘开关柜不受外界环境条件变化的影响，可运行在环境恶劣的场所。由于该柜使用性能优异的SF6、N2等气体作为绝缘介质，大大缩小了柜体的外型尺寸，还有一个优势是气体绝缘开关柜配用性能良好的免维护真空断路器，可大大减小维护和检修的工作量。另外气体绝缘开关柜采用低压力气体绝缘，在工厂整体组装后运达现场，可明显地减少现场安装的工作量，同时运行维护成本低，从该柜整个生命周期分析，具有较高的性价比和可靠性。
气体绝缘开关柜的电压等级一般为12kV和40.5kV，但40.5kV气体绝缘开关柜更能显示其技术经济上的优势，因此国内外多数生产商开发气体绝缘开关柜时直接从40.5kV做起，并不延伸到12kV等级产品。
1开关柜的特点和结构特征
气体绝缘开关柜与其它类型的开关设备相比，具有以下特点：一是小型化，是将空气绝缘的金属封闭开关设备充入SF6和N2替代空气绝缘，各单元设置在柜体内，再充入低压力（0.03~0.16MPa）SF6等气体。二是提高了可靠性和安全性，主回路的导电部分密封于SF6等气体中，以及高压带电导体封闭，不受外界环境条件变化的影响，可使用在环境恶劣的场所，使设备长期安全运行，具有高可靠性并且无触电和火灾危险。因气体压力低，密封问题已不突出，气密性好，可达30年不用补气。三是维护简单，各高压元件或用气体密封或以金属封闭，零部件无锈蚀、生锈现象，需维修的工作量很少；采用电寿命长、性能稳定的真空断路器可实现免维护或少维护。四是应用、布置方便，气体绝缘开关柜将高压元件组成若干标准模块，通过组合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。该柜在制造厂整体装配、调试，整体运输，到现场后成套吊装到位，现场安装时可不涉及SF6等气体的处理；可根据需要很方便地通过预留的电缆插座来增加进出线的数量进行扩容；三相高压元件设置在气体绝缘开关柜的充气壳体内，易于采用电缆作为电源的引入、引出，该柜与主变压器的连接、布置方便；采用气体绝缘开关柜，外型尺寸大大缩小，便于布置和减少占地面积。
气体绝缘开关柜现有圆筒式和板式（柜式）两种结构型式。前者外型很像高压GIS，后者却很像一般的金属封闭开关柜。
圆筒式气体绝缘开关柜有三相共筒式和分相式两种结构。柜体材料有铸铝合金，也有钢板。
板式（柜式）气体绝缘开关柜结构有多种形式：气室的设置有三气室、两气室和单气室；一次回路中母线、三工位隔离开关和真空断路器的不同排列方式。其排列方式大致可分为“上中下”布置、“下中上”布置和“后中前”布置三类，其中以“上中下”布置居多。
关于板式气体绝缘开关柜气室的设置，现多为两气室。单气室结构简单，制造容易，成本低，但气室元件在一起，容易相互影响，可靠性差一些；多气室结构模块更换容易，避免多元件相互影响，安全性高，但多气室结构复杂，制造难度大，成本高。
2开关柜的应用
中压气体绝缘开关柜由西门子公司于1982年率先推出，以后各公司纷纷效仿。近年来，国内外企业加大了中压气体绝缘开关柜的开发力度，一代又一代的新品不断涌现。中压气体绝缘开关柜近年在国内也在兴起，国内许多企业也研制出创新的产品。
2006年春季在衡水市开发区新投运一座110kV降压变电站，两台主变容量均为50MVA，三个电压等级（110/37.5/10.5kV），110kV、35kV、10kV全部户内布置，主变户外布置；35kV出线8回；10kV出线24回。110kV采用GIS，35kV采用了气体绝缘开关柜，10kV采用中置柜。
该变电站110kV、35kV配电装置均采用了气体绝缘设备，尤其是35kV配电装置采用了气体绝缘开关柜，有效地控制了35kV配电室的面积，从而大大减小了配电房的建筑面积和变电站的占地面积。
采用的40.5kV气体绝缘开关柜型号为西高所开发的XGN46-40.5型。该产品为板式气体绝缘开关柜结构，上下两气室设置，上气室有三工位隔离开关，下气室有真空断路器。母线、三工位隔离开关和真空断路器“上中下”布置。内充SF6气体，压力为0.04MPa。其参数为40.5kV/1250A/25kA。板式气体绝缘开关柜密封箱体采用不锈钢板焊接而成。外型尺寸（宽×高×深）为800mm×2300mm×1570mm。该气体绝缘开关柜采用插入式单相固体绝缘母线，母线带外屏蔽层，母线连接采用硅橡胶绝缘的十字连接套和端头T形连接套，当母线需要扩展或调整时，不会涉及有关SF6气体的任何操作。断路器采用具有高开断性能、寿命长、维护少的小型化真空断路器，真空灭弧室水平布置方式，使得气室内部导体布置方便。三工位隔离开关放置于密封的SF6气体壳体内，使隔离—接地组合成一体。母线绝缘子和电缆联接绝缘子均配有高压带电显示装置用的传感器。柜内配用环氧树脂浇注穿芯式电磁型电流互感器、插接式电磁型电压互感器。电缆用T形外锥电缆终端或直型电缆终端连接，可满足每相1～3根电缆的进出线。采用内锥插接式避雷器直接与分支母线连接，柜内配置了控制和保护单元。
以下从几个方面介绍气体绝缘开关柜在该变电站应用情况。
一是该变电站I期工程40.5kV气体绝缘开关柜（XGN46-40.5型）的设计采用方案有：进线柜、出线柜、母线分段柜、母线提升柜、站变柜等方案。结合变电站的整体布置，40.5kV气体绝缘开关柜采用室内双列布置，柜下为一次电缆地下室，以便于一次进出线电缆的敷设。气体绝缘开关柜对基础的平整度要求很高，虽然气室在柜体的保护下单独密封，但要求较高的基础平整度是为了避免柜体受力变形过大，进而影响气室的密封性能。
二是气体绝缘开关柜采用的是低压力气体绝缘，实现了在制造厂整体装配、调试，整体运输到现场。在制造厂派到现场服务人员的指导下，安装工作进展顺利。每一面气体绝缘开关柜在现场安装时没有涉及SF6气体的操作，插入式单相固体绝缘母线安装方便，现场安装精度要求不高，在母线连接扩展安装时，也不涉及SF6气体的任何操作，明显地减少了现场安装的工作量。
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