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1 概述 1.1 C─GIS 的發(fā)展簡史及特點柜式氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備，國際上簡稱C-GIS或有稱GIS，是一種用于10～35kV或更高電壓輸配電系統(tǒng)以接受或分配電能并能對電力系統(tǒng)正常運(yùn)行和故障情況下實行控制、保護(hù)、測量、監(jiān)視、通訊等功能的新型開關(guān)設(shè)備。把GIS的SF6的絕緣技術(shù)、密封技術(shù)與空氣絕緣的金屬封閉開關(guān)設(shè)備制造技術(shù)有機(jī)地相結(jié)合，將各高壓元件設(shè)置在箱形密封容器內(nèi)，使之充入較低壓力的絕緣氣體，利用現(xiàn)代加工手段而制成的成套系列化產(chǎn)品稱之為柜式氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備，簡稱C-GIS（Cubicle type Gas Insulated Switchgear），俗稱的充氣柜往往指的是C-GIS 與充氣環(huán)網(wǎng)柜的統(tǒng)稱。在上世紀(jì)70 年代末、80 年代初日本首先開發(fā)了84kV C-GIS,當(dāng)時采用厚鋼板焊接的密封箱體。隨后，有更多的公司開發(fā)C-GIS產(chǎn)品，電壓等級7.2～126kV；起初母線全部置于SF6氣體中；有配真空斷路器，也有配SF6斷路器；上下隔離開關(guān)、接地開關(guān)、快速接地開關(guān)一一配齊，主接線與常規(guī)高壓GIS基本一致；方箱形、圓筒形密封箱體均有；內(nèi)置電流互感器、電壓互感器、避雷器等元件。那時的絕緣技術(shù)主要是應(yīng)用低壓力SF6氣體絕緣，充氣壓力一般在0.2MPa（表壓）以下?，F(xiàn)場安裝需要進(jìn)行抽真空、充氣。到了90年代中期，C-GIS在24～36kV電壓等級上有了更快的發(fā)展，以配真空斷路器為主，且以方箱形密封箱體占多數(shù)；在圓筒形密封箱體中也是以三相共筒為主；對部分元件已開始外置，如：電壓互感器通過電纜連接到密封箱體外部；在一次主接線方面已開始簡化，下隔離逐漸開始取消；充氣壓力一般在0.07MPa以下，密封箱體鋼板厚度多在6mm及以下。這時除了應(yīng)用低壓力SF6氣體絕緣技術(shù)外，固體的界面絕緣技術(shù)已開始在高壓元件的插接上進(jìn)行運(yùn)用。到了2000年左右，中壓C-GIS的發(fā)展有了一個飛躍，新的技術(shù)、結(jié)構(gòu)、工藝、裝備進(jìn)入推廣使用階段，引入計算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)使產(chǎn)品進(jìn)入智能化時代。產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)、可靠性進(jìn)一步得到提高，尺寸進(jìn)一步小型化。采用新型的固體界面絕緣插接技術(shù)，并推廣應(yīng)用于各氣室的連接、柜體間的連接，以及電壓互感器、避雷器等高壓元件連接。有的產(chǎn)品使用了固體絕緣母線或充氣母線室+母線連接器；現(xiàn)場安裝已開始不需要抽真空、充氣。一次主接線得到了簡化，新問世的產(chǎn)品均無線路側(cè)隔離開關(guān)。傳感器大量使用，如電流/電壓傳感器、位置傳感器、密度傳感器等；密封箱體采用薄不銹鋼板焊接結(jié)構(gòu)，并開始采用激光焊接技術(shù)。采用壓縮空氣作絕緣介質(zhì)的24kVC-GIS問世，并在電網(wǎng)上運(yùn)行。國內(nèi)于1996年下半年由西高所組織六廠一所開始研發(fā)40.5kVC-GIS，著手時就研制現(xiàn)場不需抽真空、充氣的產(chǎn)品。于1999年制造出第一臺樣機(jī)，2000年制造出改進(jìn)的第二臺樣機(jī)，于2001年首家產(chǎn)品的樣機(jī)通過了全部型式試驗，2002、2003年陸續(xù)又有多家企業(yè)通過了型式試驗。低壓力SF6氣體的絕緣技術(shù)、散熱技術(shù)、密封技術(shù)，真空滅弧室的開斷技術(shù)，激光焊接技術(shù)以及數(shù)字化控制、保護(hù)、監(jiān)視技術(shù)，為中壓C-GIS的生產(chǎn)提供了可靠的、先進(jìn)的技術(shù)基礎(chǔ)?，F(xiàn)代化的加工裝備、加工工藝、焊接工藝為中壓C-GIS的生產(chǎn)提供了必要的加工基礎(chǔ)。中壓C-GIS近幾年在國際上發(fā)展速度很快，形成了系列化、信息化的高新技術(shù)產(chǎn)品，逐漸成為金屬封閉開關(guān)設(shè)備的一個重要分支。ABB、西門子、Althom、日立、三菱等各大電氣公司都有7.2～40.5kVC-GIS，產(chǎn)品已經(jīng)系列化。現(xiàn)代的C-GIS逐漸形成自己的體系，擺脫了高壓GIS以及常規(guī)開關(guān)柜的許多設(shè)計常規(guī)和習(xí)慣的束縛，形成了自己獨特設(shè)計思想和設(shè)計風(fēng)格。不再采用高壓力而用較低壓力（一般小于0.25MPa，20℃時絕對值，下同）的SF6氣體、N2、混合氣體（SF6+N2）或壓縮空氣作為一次主回路的的絕緣介質(zhì)。由于解決了絕緣的連接和焊接工藝問題，C-GIS產(chǎn)品的柜體結(jié)構(gòu)已發(fā)展為具有靈活組合、性能更好的鎧裝式柜體，各氣室都是獨立的，斷路器氣室、母線氣室構(gòu)成積木式結(jié)構(gòu)，單母線、雙母線組合靈活。一般以真空斷路器為主開關(guān)，將真空斷路器、三位置隔離開關(guān)、電流/電壓傳感器（或互感器）等高壓元件及其之間的連接導(dǎo)體分別裝于各功能充氣室或集裝于箱式的充氣容器內(nèi)。通過柜體上預(yù)留的插座孔由插接式電纜終端實現(xiàn)進(jìn)出線，預(yù)留的插孔座也可插接避雷器、電壓互感器等高壓元件。當(dāng)預(yù)留的插座孔或柜體連接的插座孔不需插接時則用專用的絕緣悶頭堵上。所有的高壓帶電部件或置于SF6氣體中，或采用固體絕緣介質(zhì)并由接地屏蔽層或金屬外殼封閉可靠接地?？梢圆捎眯滦徒M合式電流/電壓傳感器，也可以采用傳統(tǒng)的電流互感器、電壓互感器進(jìn)行一次主回路電流、電壓的測量與監(jiān)視，通過控制和保護(hù)單元遙控、遙測。這種開關(guān)柜的其它部分，如操動機(jī)構(gòu)、控制和保護(hù)單元、氣室外的二次回路、電纜室、泄壓通道等仍置于大氣中，便于監(jiān)視與維護(hù)。就我國自行開發(fā)的40.5kVC-GIS產(chǎn)品而言，柜體結(jié)構(gòu)為箱式單母線，一氣體隔室或二氣體隔室，其主要技術(shù)參數(shù)為：額定電流1250～1600A，1min工頻耐受電壓95kV，雷電沖擊耐受電壓185kV，額定短時耐受電流31.5kA，額定峰值耐受電流80kA，額定短路開斷電流31.5kA，額定短路關(guān)合電流（峰值）80kA，SF6氣體額定壓力（20℃時、表壓）：0.04MPa，外形尺寸：柜寬800，柜高2300左右，柜深1500左右。對于12kVC-GIS則在40.5kVC-GIS的基礎(chǔ)上，將40.5kV部件更換為12kV相應(yīng)的部件、調(diào)整相關(guān)的尺寸，基本結(jié)構(gòu)不變。經(jīng)過多年的研制，國內(nèi)中壓C-GIS產(chǎn)品在開發(fā)、生產(chǎn)、管理、運(yùn)行等各方面都有了長足的發(fā)展。眾多企業(yè)為了迅速占有市場，除了自行開發(fā)外，有分別引進(jìn)歐洲、日本、韓國等國家和地區(qū)的技術(shù)的，也有技術(shù)合作的，產(chǎn)品品種多種多樣，技術(shù)水平參差不齊，有的代表著世界先進(jìn)水平，有的還處在上世紀(jì)九十年代初的水平，還需要技術(shù)改進(jìn)。 1.2 C─GIS是技術(shù)進(jìn)步的產(chǎn)物 1.2.1 絕緣技術(shù)的進(jìn)步高壓開關(guān)設(shè)備隨著時代的前進(jìn)在不斷地發(fā)生變化，技術(shù)水平在不斷地提高；經(jīng)歷了敞開式、柜式（金屬封閉）、分相GIS、三相共箱GIS、C-GIS的變化過程，結(jié)構(gòu)狀態(tài)也經(jīng)歷了敞開、封閉、密封、元件復(fù)合化、設(shè)備復(fù)合化的變化過程，與之相應(yīng)的絕緣技術(shù)也從空氣絕緣、油絕緣、大氣復(fù)合絕緣、高壓力SF6氣體絕緣、低壓力氣體絕緣、SF6復(fù)合絕緣的變革與發(fā)展。 C-GIS就是低壓力氣體絕緣、復(fù)合絕緣、固體絕緣技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物。 1.2.2 密封箱體制造技術(shù)的進(jìn)步密封箱體的制造充分利用現(xiàn)代先進(jìn)的板材下料、折彎、焊接設(shè)備以及氦氣檢漏技術(shù)，使密封箱體的精度、剛度提高，漏氣率降低。密封箱體加工技術(shù)的提高給中壓C-GIS的發(fā)展提供了基礎(chǔ)條件。 1.2.3 工程實際的需要 40.5kV及以下電壓等級的開關(guān)柜采用空氣和固體絕緣的復(fù)合絕緣技術(shù)，應(yīng)用中雖沒有大的問題，但仍存在大氣狀態(tài)的影響，體積較大，隔一定時間要進(jìn)行監(jiān)測、清掃和維護(hù)。近年來出現(xiàn)的中壓C-GIS體積更加縮小、不需要維修或少維修。實際工程中需要使用小型化、不受環(huán)境條件影響、可靠性高的開關(guān)設(shè)備。工程建設(shè)的綜合經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)越。 1.2.4 企業(yè)發(fā)展的需要中壓C-GIS的技術(shù)含量高，是生產(chǎn)廠家掌握的先進(jìn)設(shè)計、生產(chǎn)工藝、檢驗技術(shù)、管理水平的具體體現(xiàn)，增強(qiáng)了企業(yè)的競爭實力。對市場而言；中壓開關(guān)柜的用戶多、用量大，要求各不相同，用戶容易選用。 1.3 中壓C─GIS的優(yōu)點 a.小型化由于采用了先進(jìn)的絕緣結(jié)構(gòu)及非大氣中的氣體作絕緣介質(zhì)，高壓元件尺寸得以縮小，在箱形容器內(nèi)排列方便、集裝程度高，這就使得設(shè)備小型化。12kV級的C-GIS比一般的開關(guān)柜安裝面積縮小了約1/3；40.5kV級的安裝面積、體積也大大縮小，比目前12kV級的空氣絕緣開關(guān)柜略大一點或相當(dāng)。表1.1 C-GIS與空氣絕緣開關(guān)柜尺寸、占地面積、體積的比較
b. 提高了可靠性、安全性因主回路的導(dǎo)電部分密封于SF6、混合氣體或壓縮空氣等絕緣氣體中，以及高壓帶電導(dǎo)體封閉，故C-GIS的最大優(yōu)點是耐環(huán)境性優(yōu)良，不受外界環(huán)境的影響，如凝露、污穢、海拔高度、化學(xué)物質(zhì)、小動物等的影響，可使用在環(huán)境惡劣的場所，使設(shè)備長期安全運(yùn)行，具有高可靠性；無觸電和火災(zāi)的危險。因氣體壓力低，密封問題已不突出，氣密性可達(dá)30年不用補(bǔ)氣。 c. 維護(hù)簡單因各高壓元件或用氣體密封或以金屬封閉，零部件無腐蝕、生銹現(xiàn)象，也沒有由此造成的操作方面、導(dǎo)電方面的影響，需維修的工作量很少。采用真空斷路器或SF6斷路器電壽命長、性能穩(wěn)定，也可免維護(hù)或少維護(hù)。 d. 應(yīng)用、布置方便中壓C-GIS將各高壓元件組成若干標(biāo)準(zhǔn)模塊，通過組合可以滿足各種主接線的要求，滿足各種不同使用場合的需要。中壓C－－GIS在制造廠總體裝配、調(diào)試，整體運(yùn)輸，到現(xiàn)場后成套吊裝就位，現(xiàn)場的安裝時可不涉及SF6氣體的處理。根據(jù)需要，可很方便地通過預(yù)留的電纜插座來增加進(jìn)出線電纜的數(shù)量進(jìn)行擴(kuò)容，或增加柜子向柜體的一邊或兩邊進(jìn)行擴(kuò)展。三相高壓元件設(shè)置在箱形的充氣殼體內(nèi)，易于采用電纜作為電源的引入、引出，與變壓器的連接、布置方便，不受地皮、建筑物的限制，易于組成系統(tǒng)。 e. 與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)中壓C-GIS采用柜形外殼后，同時又因外形尺寸大大縮小，與周圍環(huán)境在布局、大小、外觀等方面更加協(xié)調(diào)、更加相適應(yīng)。 f. 經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)越在城市電網(wǎng)的升級和增容工程中，采用中壓C-GIS會帶來很大的經(jīng)濟(jì)效益。 1.4 中壓C─GIS的用途隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程建設(shè)越來越復(fù)雜，使用條件變化很大、地域越來越廣，尤其是地下、高原、凍土、沿海、潮濕等環(huán)境條件，原來的產(chǎn)品是以空氣作為絕緣介質(zhì)的，隨著海拔、凍土、沿海、潮濕、污穢等環(huán)境條件變化，其絕緣性能發(fā)生很大變化急劇惡化，已無法滿足這些場合下的使用要求。中壓C-GIS最初是針對這些使用問題而開發(fā)的新一代金屬封閉開關(guān)設(shè)備。中壓C-GIS產(chǎn)品在國外問世后，得到了長足發(fā)展，現(xiàn)在是結(jié)合了現(xiàn)代絕緣技術(shù)、開斷技術(shù)、制造技術(shù)、插接技術(shù)、傳感技術(shù)、數(shù)字技術(shù)生產(chǎn)出集智能控制、保護(hù)、測量、監(jiān)視、顯示、通訊等功能于一身的高新技術(shù)產(chǎn)品，使用氣體絕緣的開關(guān)柜的比例一直在提高。國內(nèi)外使用C-GIS的比例呈逐年上升趨勢，環(huán)境條件差、可靠性要求高的建設(shè)工程、地下建筑、高原地區(qū)，空間狹小的高層建筑、集中的工商業(yè)區(qū)等是使用氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的最佳場合，對中壓C-GIS有著廣泛的需求。在西部地區(qū)，因海拔高、風(fēng)沙大，如高原變電站等的建設(shè)，C-GIS是最佳的中壓配電設(shè)備。在沿海地區(qū)以及污穢、潮濕的場合下，因環(huán)境條件潮濕、鹽霧大、溫濕度變化大、污穢，由絕緣問題而擴(kuò)大的事故時有發(fā)生，也應(yīng)是中壓C-GIS最佳的使用場所。在人口密集的地區(qū)、大型工礦企業(yè)、高層建筑等場合，因占地面積、空間限制等因素，需要選用這種設(shè)備。我國諸多城市如北京、廣州、上海、南京、深圳、沈陽等數(shù)十個城市正在建設(shè)或籌建地鐵、輕軌，每條地鐵線路需要該類產(chǎn)品200多面，地鐵項目需要量大，且我國地鐵、輕軌的建設(shè)還將持續(xù)很長時期。城市的地鐵、輕軌建設(shè)項目中首選的最佳中壓配電設(shè)備就是C-GIS。 2 中壓C─GIS的原理中壓C─GIS的基本原理是利用低壓力的氣體絕緣介質(zhì)、固體絕緣材料以及特定的絕緣結(jié)構(gòu)將高壓導(dǎo)體或高壓元件密封或金屬封閉，達(dá)到耐受額定絕緣水平的要求；利用連接導(dǎo)體、開關(guān)元件、電纜承載電流；利用真空開斷技術(shù)對線路的負(fù)荷電流、過載電流、短路電流進(jìn)行控制、開斷和對線路、設(shè)備進(jìn)行保護(hù)；使用現(xiàn)代的傳感技術(shù)、數(shù)字技術(shù)及通訊技術(shù)進(jìn)行控制、保護(hù)、監(jiān)視、顯示、記錄等智能化管理。 2.1 低壓力SF6氣體或混合氣體的絕緣技術(shù) 2.1.1 SF6氣體或混合氣體的絕緣特性高壓電器中絕緣件的設(shè)計和絕緣距離的確定是以絕緣件表面、內(nèi)部，電極表面，或氣體間隙的許用場強(qiáng)為依據(jù)的。理想的SF6氣體臨界擊穿場強(qiáng)為88.5kV/mm.MPa，而空氣臨界擊穿場強(qiáng)為29.4kV/mm.MPa。由此推論在均勻電場下SF6氣體的擊穿場強(qiáng)大約是空氣的三倍。但生產(chǎn)實際中SF6絕緣結(jié)構(gòu)主要使用的是稍不均勻場，擊穿場強(qiáng)總是低于這一數(shù)值，當(dāng)間隙內(nèi)最大場強(qiáng)達(dá)到某一擊穿場強(qiáng)Eb時，間隙即被擊穿。影響擊穿電壓的因素較多，如氣體壓力、電壓形式和極性、間隙長度、電場不均勻程度、電極表面粗糙度、電極材料和電極面積等，與間隙中的最大場強(qiáng)密切有關(guān)，要精確計算只能借助機(jī)算軟件來完成。電場不均勻程度對SF6氣體擊穿電壓的影響遠(yuǎn)比空氣為大。因此，在絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)采取各種措施使之避免。SF6電器設(shè)備中要使電場設(shè)計的完全均勻幾乎是不可能的因而大多采用稍不均勻電場的結(jié)構(gòu)。需要指出的是： ⑴隨著間隙距離的增加，電場不均勻程度亦增加，擊穿電壓的增加愈來愈慢，電壓增加出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。因此SF6電器設(shè)備中不能單純依靠加大間隙距離來提高擊穿電壓，改善電場分布更為重要。 ⑵提高SF6氣體的壓力是提高擊穿電壓的有效措施，但會受到箱形密封殼體的強(qiáng)度、剛度、密封性的制約。 ⑶稍不均勻電場中存在有極性效應(yīng)，負(fù)極性的擊穿電壓低于正極性。 ⑷不均勻電場中正極性的擊穿電壓低于負(fù)極性。 ⑸根據(jù)空氣中的結(jié)果，并假設(shè)SF6和空氣間的絕緣強(qiáng)度的某一倍數(shù)去設(shè)計SF6氣體系統(tǒng)不會得出滿意的結(jié)果。 ⑹不均勻電場的情況下，在沖擊中，由于形成空間電荷所需的時間幾乎是沒有的，所以不取決于氣體壓力，在可選用的范圍內(nèi)即使讓壓力上升閃絡(luò)電壓也不上升。研究者門通過大量試驗總結(jié)出一系列經(jīng)驗公式。對于同軸圓柱電場，當(dāng)P＝0.1~0.4MPa（絕對值）、內(nèi)電極直徑d=38~200mm、電極表面粗糙不超過30μm時，擊穿場強(qiáng)有如下經(jīng)驗公式： Eb＝A×P＋B P─SF6氣體壓力，MPa，絕對值。 A、B─與施加電壓極性有關(guān)的系數(shù)，見表2.1。
2.1.2 SF6氣體絕緣性能與濃度的關(guān)系在空氣、SF6混合氣體中，球?qū)Π彘g隙（均勻電場）和棒對板間隙（不均勻電場）上施加正極性雷電沖擊，閃絡(luò)電壓隨空氣、SF6混合比而變化，見圖2.1。
SF6與N2、CO2、空氣等的混合氣體中SF6與空氣的混合氣體絕緣特性為最佳。SF6、空氣混合氣體比起同一氣壓下的純SF6來說有著對雜質(zhì)的影響不敏感的優(yōu)點。40：60的SF6、空氣混合氣體達(dá)到同樣的絕緣水平，要運(yùn)行于稍高的氣壓（10%）。 2.1.3 SF6氣體絕緣性能與壓力的關(guān)系 SF6氣體壓力在0.10~0.15MPa（絕對值）范圍內(nèi)變化時，球?qū)Π彘g隙（均勻電場）和棒對板間隙（不均勻電場）上施加雷電沖擊，閃絡(luò)電壓與SF6氣體壓力的關(guān)系見圖2.2。由圖可知，按均勻電場考慮的球?qū)Π彘g隙隨著氣體壓力的升高，閃絡(luò)電壓同時也成比例地上升；而按不均勻電場考慮的棒對板間隙隨著氣體壓力的升高，閃絡(luò)電壓幾乎沒有變化，也就是說提高氣體壓力對不均勻電場耐受電壓的提高沒有太大作用。由此表明設(shè)計中壓C—GIS時，充分利用該特性效果會很顯著。耐受電壓并不僅僅取決于充氣壓力，按接近大氣壓的充氣壓力設(shè)計C-GIS時,解決密封殼體的強(qiáng)度、剛度、密封性等問題時就要經(jīng)濟(jì)得多。 2.1.4 三種物質(zhì)接觸點的作用三種物質(zhì)接觸是指金屬電極與固體絕緣子接觸時，其周圍的絕緣介質(zhì)是SF6氣體，而在金屬電極與固體絕緣子接觸線（點）上也與SF6相接觸，稱為三物質(zhì)接觸。由于SF6氣體的介電常數(shù)比固體絕緣材料的小，在三種物質(zhì)接觸點上介電常數(shù)小的一側(cè)電場強(qiáng)度升高，容易出現(xiàn)碰撞電離并發(fā)展成沿面閃絡(luò)，是絕緣上的薄弱環(huán)節(jié)。電極與固體絕緣子接觸時會形成楔形的微小間隙，使得電場升高。實際結(jié)構(gòu)中一方面應(yīng)修改電極形狀和絕緣件表面形狀，改善電場分布；另一方面應(yīng)設(shè)置屏蔽以防止絕緣子與電極接觸處電場集中。 2.1.5 支柱絕緣子的設(shè)計由固體——氣體絕緣組成的復(fù)合絕緣比單獨氣體絕緣，其絕緣強(qiáng)度隨氣壓之增加得較少。在較高氣壓下的絕緣強(qiáng)度受絕緣子的影響比受氣體的影響要大得多，而在低氣壓下絕緣強(qiáng)度沒有明顯下降。設(shè)計中應(yīng)以沖擊擊穿判據(jù)作為設(shè)計依據(jù)。對支柱絕緣子和絕緣拉桿的基本要求是： ⑴有足夠的絕緣強(qiáng)度，能夠長期承受運(yùn)行電壓作用，無明顯局部放電和老化現(xiàn)象，并能短時耐受絕緣水平規(guī)定的工頻電壓和沖擊電壓。 ⑵有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能承受開關(guān)操作的作用力，裝配中與運(yùn)輸中的沖擊力，以及短路電流的電動力等。當(dāng)SF6沿面絕緣結(jié)構(gòu)中最大場強(qiáng)達(dá)到某一數(shù)值Eft時發(fā)生沿面閃絡(luò)。影響Eft的因數(shù)很多，更為復(fù)雜。一般情況下，絕緣子在SF6氣體中沿面閃絡(luò)電壓可按下式估算： Ubt＝β×Eft×d 式中：d—絕緣間隔距離（即絕緣子高度） Eft–絕緣子沿面閃絡(luò)場強(qiáng)。負(fù)極性雷電沖擊電壓工程閃絡(luò)場強(qiáng)Eft＝5.6×(10P)0.66kV/mm 工頻電壓工程閃絡(luò)場強(qiáng)Eft＝4.5×(10P)0.64kV/mm P 的單位為MPa，絕對值。 β—考慮有絕緣子存在時，電極間隙的綜合利用系數(shù)，主要取決于絕緣子形狀和絕緣子高度與直徑的比值，β＝0.5～0.9。支柱絕緣子和絕緣拉桿的形狀、尺寸需由試驗來驗證。 2.2 低壓力壓縮空氣絕緣技術(shù)由于壓縮空氣的獲得、處理要比SF6氣體經(jīng)濟(jì)得多，也沒有SF6氣體的溫室效應(yīng)問題，用其作絕緣介質(zhì)對社會和用戶都有益。各種電極形狀在壓縮空氣中的絕緣特性有一些參考文獻(xiàn)報導(dǎo)過，但是能在設(shè)計中直接應(yīng)用的數(shù)據(jù)還很少，需對各種電極形狀的絕緣特性做一些實驗研究。國外的7.2～24kVC—GIS中采用壓縮空氣、N2絕緣已經(jīng)很多了；在36kV也有過采用壓縮空氣的報道；在40.5kV產(chǎn)品中仍然采用SF6氣體絕緣。在中壓C—GIS中采用壓縮空氣作絕緣介質(zhì)是發(fā)展方向之一。
2.3 低壓力氣體中的載流與散熱中壓金屬封閉開關(guān)設(shè)備中散熱的主要途徑是對流、傳導(dǎo)、輻射。同等壓力下，SF6的分子量大、粘度?。ū瓤諝狻2小）比空氣、N2形成更加廣泛的氣體環(huán)境，使之通過對流傳熱比一般的氣體更為有效。當(dāng)中壓C—GIS壓力越高，在對流散熱方面越有利；在絕緣上因?qū)w與殼體間的距離較遠(yuǎn)，或采用不銹鋼殼體，殼體內(nèi)流過的渦流損耗較小，這是有利因素。對于小電流C—GIS，在溫升方面不存在問題。大電流C—GIS溫升是難點。解決溫升主要是通過降低發(fā)熱量、降低電流密度、增強(qiáng)輻射和傳導(dǎo)來解決，可采取的措施： ⑴降低導(dǎo)體損耗，控制導(dǎo)體電阻率，降低電流密度，降低回路電阻； ⑵降低渦流損耗； ⑶提高輻射率； ⑷增大散熱表面積以及使用散熱器； ⑸提高耐熱性能； ⑹采用冷卻技術(shù)。 2.4 真空斷路器的開斷技術(shù)發(fā)展經(jīng)過十多年的發(fā)展，真空斷路器的開斷技術(shù)有了較大提高，開斷能力強(qiáng)、電壽命長、可靠性高，滅弧室部分免維護(hù)，允許開合額定短路開斷電流的次數(shù)多在20次以上，特別適合于要求頻繁操作的場所。這些優(yōu)點是其它斷路器無法比擬的，特別適合在中壓C—GIS中配置。 3 中壓C—GIS的設(shè)計 3.1 中壓C—GIS的總體設(shè)計中壓C-GIS總體設(shè)計的核心是產(chǎn)品整體設(shè)計的可靠性，包括整體電氣可靠性和整體機(jī)械可靠性。電氣可靠性包括：真空斷路器的開斷與關(guān)合性能，主回路電接觸的可靠性，短路電流下的電動及電熱穩(wěn)定性；同時還包括二次電氣元件的可靠性，如分合閘電磁鐵、輔助開關(guān)、轉(zhuǎn)換開關(guān)、繼電器、接觸器、壓力表、傳感器等。整體機(jī)械可靠性包括：高壓開關(guān)操動機(jī)構(gòu)及傳動系統(tǒng)操作的可靠性和機(jī)械壽命，對運(yùn)輸震和地震破壞力的適應(yīng)性。需要考慮的主要問題表現(xiàn)在總體結(jié)構(gòu)、絕緣結(jié)構(gòu)、密封結(jié)構(gòu)、操動機(jī)構(gòu)及傳動、執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品的可靠行、經(jīng)濟(jì)性以及產(chǎn)品的模塊化、系列化。 3.1.1 中壓C—GIS 的總體結(jié)構(gòu)與元件配置 ⑴需要實現(xiàn)的一次主接線方案根據(jù)一次主接線典型方案來考慮總體形狀和尺寸、配置所需的一次高壓元件、劃分氣室、其他方案的兼顧等。在典型方案的基礎(chǔ)上通過變換高壓元件、簡單地改變結(jié)構(gòu)來盡可能多地實現(xiàn)各種不同的主接線。由于對C-GIS氣室內(nèi)的高壓元件檢修非常不方便，考慮主接線方案時與空氣絕緣開關(guān)柜有所不同。因在C-GIS柜內(nèi)配置了電壽命長的真空斷路器或SF6斷路器，國外各大電氣公司生產(chǎn)的中壓C-GIS均沒有線路側(cè)隔離開關(guān)和接地開關(guān)。如果在線路側(cè)設(shè)置隔離開關(guān)和接地開關(guān)（或故障關(guān)合接地開關(guān)），當(dāng)誤操作后電弧造成的SF6分解物對柜內(nèi)的環(huán)境污染很大，勢必影響柜內(nèi)其它元件的正常運(yùn)行，那么一旦誤操作，整面柜子必須檢修。又因故障關(guān)合時，常規(guī)接地開關(guān)關(guān)合短路電流的電壽命僅有2次，關(guān)合短路電流后需要檢修。如果通過斷路器進(jìn)行接地操作即使誤操作也不會對柜內(nèi)環(huán)境造成污染，也就是說不會對柜內(nèi)其它元件的正常運(yùn)行造成影響，只要電壽命不超過斷路器允許的次數(shù)，整個柜子就不必要檢修，延長了檢修周期，如果其它問題處理的好在柜子的整個壽命期可以做到不檢修，對用戶有利。另外，如果沒有線路側(cè)故障關(guān)合接地開關(guān)后，該氣體隔室按無電弧分解物來考慮水分控制，對生產(chǎn)、運(yùn)行也極為有利。沒有線路側(cè)隔離開關(guān)和接地開關(guān)（或故障關(guān)合接地開關(guān)）后，母線側(cè)三位置隔離開關(guān)在隔離位置實現(xiàn)隔離功能，在接地位置僅僅是預(yù)接地，只有當(dāng)斷路器合閘后才真正實現(xiàn)線路側(cè)接地。這種主接線實際上對提高運(yùn)行可靠性是有利的?？蓪崿F(xiàn)的一次主接線有單母線、單母線分段、雙母線、雙母線分段。
⑵總體結(jié)構(gòu)布置縱觀各種類型的中壓C-GIS，可以明顯地看出總體結(jié)構(gòu)與母線的結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系，母線的結(jié)構(gòu)對總體結(jié)構(gòu)有限制要求。為了使母線在現(xiàn)場便于安裝，總體結(jié)構(gòu)自然就順應(yīng)母線結(jié)構(gòu)來確定了。一次主回路僅母線、三位置隔離開關(guān)、斷路器三個主要模塊，按它們之間的相對位置總體結(jié)構(gòu)可以劃分為三大類：上中下布置、下中上布置、后中前布置。將GIS技術(shù)與常規(guī)開關(guān)柜技術(shù)有機(jī)結(jié)合并發(fā)展。上中下布置的典型產(chǎn)品是日本三菱公司的HS-X，非常適合于插接式固體絕緣母線。
下中上布置的典型產(chǎn)品是上海天靈開關(guān)廠的12kVN2S、ABB公司的ZX1.2，非常適合于充氣母線室+母線連接器。這種布置實現(xiàn)雙母線不太方便。后中前布置的典型產(chǎn)品是ALSTOM公司的WS型12～40.5kVC-GIS，非常適合于氣體絕緣母線。使用充氣母線室+母線連接器這種母線結(jié)構(gòu)不但適用于下中上布置，也適用于上中下布置、后中前布置。SIEMENS公司的NXPLUS型24～40.5kVC-GIS、ABB公司ZX2型12～40.5kVC-GIS也均為上中下布置。
由于采用了新型的硅橡膠連接頭，C-GIS結(jié)構(gòu)由箱式向鎧裝式發(fā)展，形成互不影響的獨立氣室、積木式結(jié)構(gòu)，組合靈活；以低壓力SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，在諸多方面與空氣絕緣開關(guān)柜、GIS存在較大的區(qū)別；利用方形容器布置高壓元件；專用的真空滅弧室，使中壓C-GIS外形尺寸大大減?。粚Ｓ玫娜恢酶綦x開關(guān)及其操動機(jī)構(gòu)，將隔離、接地復(fù)合為一體，在實現(xiàn)接通、隔離、接地功能的同時，減少了元件數(shù)、降低了制造成本，提高了可靠性；按智能化的要求配置新型傳感元件。許多高壓元件采用了插接技術(shù)，利用新工藝、新結(jié)構(gòu)制造的各種插接頭、座，內(nèi)錐插接式電纜終端頭、外錐插接式電纜終端頭以及插接式電壓互感器、插接式避雷器等新元件，可便于現(xiàn)場安裝和使用。在此基礎(chǔ)上設(shè)計小型化、柜體結(jié)構(gòu)布置靈活簡便、可靠性高的中壓C-GIS。 ⑶基本柜型及組成元件中壓C-GIS按柜的用途可分為進(jìn)線柜、出線柜、母聯(lián)柜、母線提升柜、測量柜等實現(xiàn)不同功能的柜型。按實現(xiàn)的一次主接線方案又可細(xì)分為：a. 單母線及單母線分段，b. 雙母線及雙母線分段。按氣室的多少可細(xì)分為：a. 單氣室，b. 二氣室，c. 三氣室或多氣室。按各柜型中隔室的功能及主要組成部件可分為：斷路器氣室、三位置隔離開關(guān)（包括母線或母線的一部分）氣室、電纜隔室、控制及儀表隔室、機(jī)構(gòu)隔室，泄壓隔室、固體絕緣母線或母線聯(lián)接器等。密封殼體的結(jié)構(gòu)類型主要分為三大類：a. 鋼板封閉方箱型，b. 鋁筒或鋼筒封閉圓筒型，c. 部分圓筒、部分方箱型。現(xiàn)代中壓C-GIS絕大多數(shù)采用鋼板封閉方箱型。進(jìn)線柜主開關(guān)均配真空斷路器，除此外還配有三位置隔離開關(guān)、電流互感器、電壓互感器、避雷器，多條電纜進(jìn)線。出線柜主開關(guān)多為配真空斷路器，也可以配負(fù)荷開關(guān)或負(fù)荷開關(guān)+熔斷器組合電器。出線柜其他元件的配置在很多情況下與進(jìn)線柜基本一致，一條或多條電纜出線。母聯(lián)柜主開關(guān)為真空斷路器，還配有三位置隔離開關(guān)。可以是左聯(lián)絡(luò)，也可以是右聯(lián)絡(luò)，實現(xiàn)母線分段。根據(jù)需要配電壓互感器、避雷器。母線提升柜需與母聯(lián)柜配合使用，不再配主開關(guān)，配有母線電流互感器、三位置隔離開關(guān)。根據(jù)需要可配電壓互感器、避雷器。在總體設(shè)計中要統(tǒng)籌額定電壓10kV、40.5kV是否能夠采用相同柜型；單母線、雙母線的氣室是否能夠兼顧，模塊是否通用；不同額定電流、額定短路開斷電流柜型是否能夠成系列。 ⑷ 母線結(jié)構(gòu)現(xiàn)代C-GIS中非常重要的一個元件就是母線聯(lián)接器，其作用是：當(dāng)產(chǎn)品現(xiàn)場安裝拼柜時，在不打開密封箱體上的密封蓋板的情況下采用插接結(jié)構(gòu)使兩個柜體間的母線在電路上連通并承載額定電流、短路電流，同時在兩柜之間的主母線導(dǎo)體與金屬外殼間建立固體的界面絕緣。用類似結(jié)構(gòu)也可解決其它高壓元件的絕緣插接。目前有三種類型的母線結(jié)構(gòu)并存：氣體絕緣母線；插接式固體絕緣母線；氣體絕緣母線+母線連接器。母線采用何種形式主要是與對制造精度要求的高低，現(xiàn)場安裝時是否涉及SF6氣體的處理、抽真空，現(xiàn)場安裝的方便程度有關(guān)。氣體絕緣母線現(xiàn)場安裝時需要打開密封蓋板進(jìn)行母線的聯(lián)接，然后進(jìn)行抽真空、SF6氣體的處理、充氣、檢測水分含量，一切現(xiàn)場安裝程序和高壓GIS一樣。插接式單相固體絕緣母線、氣體絕緣母線＋固體絕緣母線連接器現(xiàn)場安裝時不需要打開密封蓋板，前者用插接件將母線單相地連接起來，母線是干式的；后者柜內(nèi)的母線是共箱、氣體絕緣的，柜間是用硅橡膠連接器連接靠固體絕緣材料的界面絕緣。插接式固體絕緣母線或充氣絕緣母線+母線連接器優(yōu)點除了不受塵埃和凝露的影響外，便于母線連接、分段或改接，前者對制造、現(xiàn)場安裝的精度要求略低，前者對制造、現(xiàn)場安裝的精度要求較高。 ⑸ 斷路器中壓C—GIS中配置的是真空斷路器或SF6斷路器，充分發(fā)揮了真空斷路器或SF6斷路器滅弧室開斷能力強(qiáng)和電壽命高的優(yōu)點；采用真空斷路器占90％以上，但有一些用戶要求使用SF6斷路器。配真空斷路器存在截留過電壓問題。配SF6斷路器需要增加一個SF6氣室，且氣體壓力較高，人們正在研究低壓力（≤0.35MPa）SF6斷路器的開斷技術(shù)。在總體設(shè)計中也可嘗試即可配真空斷路器又可配SF6斷路器。 ⑹ 三位置隔離開關(guān)隔離開關(guān)、接地開關(guān)復(fù)合化，組合成三位置隔離開關(guān)減少了元件數(shù)，自然提高了可靠性。近年來各國開發(fā)的中壓C—GIS全部采用三位置隔離開關(guān)。 ⑺ 電流/電壓互感器或傳感器電流互感器、電壓互感器或電流/電壓傳感器如何配置，信號輸出的匹配。位置傳感器、密度傳感器的使用。目前，使用互感器的比例大。 ⑻ 控制和保護(hù)單元使用現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)與軟件技術(shù)配合開關(guān)元件、傳感器等實現(xiàn)控制、保護(hù)、聯(lián)鎖、檢測等基本功能。如果需要常規(guī)二次亦可。 ⑼ 電纜終端電源的進(jìn)出方案、容量大小，由電纜終端的結(jié)構(gòu)決定。電纜通過插接式電纜終端進(jìn)出線。電纜終端有內(nèi)錐、外錐兩種結(jié)構(gòu)形式。外錐通過擴(kuò)展絕緣子實現(xiàn)多根電纜并聯(lián)進(jìn)出線，但擴(kuò)展后的電纜數(shù)量一般為2根。內(nèi)錐直接通過預(yù)留插座并聯(lián)進(jìn)出線，可并聯(lián)多根電纜，目前最多的為4根。 ⑽ ZnO避雷器使用插接式ZnO避雷器便于連接，且置于充室外部。 3.1.2 中壓C—GIS絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計大氣中的絕緣件比較注意標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的電氣間隙和沿面放電距離。但是，GIS中的絕緣件在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時考慮更多的是電場分布的均勻性、受兩端電極形狀影響的電極耐受最大沖擊場強(qiáng)的能力，以及絕緣件表面場強(qiáng)、絕緣件內(nèi)部工作場強(qiáng)和支撐絕緣件殼體的表面場強(qiáng)。絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計是C-GIS設(shè)計的重點與難點之一。主要有五方面的內(nèi)容：氣體間隙的電場設(shè)計、穿墻套管的設(shè)計、支柱絕緣子的設(shè)計、絕緣拉桿的設(shè)計、插接頭與座的設(shè)計。 C-GIS的絕緣結(jié)構(gòu)更多地吸收了GIS的技術(shù)經(jīng)驗，在此基礎(chǔ)上結(jié)合C-GIS的具體要求和特點又有了較大的發(fā)展。絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心思想就是：優(yōu)化電極形狀，降低電場強(qiáng)度，合理分布電場，提高可靠性。電場設(shè)計中需要采取措施去控制電場。使用的絕緣類型有氣體絕緣、沿面絕緣、固體絕緣、界面絕緣。氣體絕緣：在主回路導(dǎo)體與密封箱體之間、隔離開關(guān)斷口間用氣體絕緣。沿面絕緣：用固體絕緣件作介質(zhì)，構(gòu)成主回路導(dǎo)體、斷路器、隔離開關(guān)的電極等帶電部分與密封箱體之間的對地絕緣或?qū)w間的相間絕緣。SF6氣體中的沿面絕緣特性取決于最大電場，一產(chǎn)生電暈就很容易引起沿面的閃絡(luò)，所以即使在絕緣件的沿面上也必須有為實現(xiàn)電場衰減的結(jié)構(gòu)。SF6氣體、電極以及絕緣件接觸的部分會出現(xiàn)電場上升現(xiàn)象，對電場產(chǎn)生影響，成為絕緣上的薄弱點。固體絕緣：采用環(huán)氧樹脂材料作絕緣介質(zhì)，芯部布置高壓導(dǎo)體，澆注成形，表面通過液態(tài)金屬噴鍍法進(jìn)行鋅噴鍍或通過涂敷半導(dǎo)電層等方法設(shè)置一接地的金屬層或半導(dǎo)電層。芯部高壓導(dǎo)體與接地的金屬層或半導(dǎo)電層間靠固體絕緣材料耐受電壓。表面層粘合力大小與噴鍍的種類、粒度、金屬噴鍍槍、膜厚等有關(guān)。表面層萬一發(fā)生碰撞、剝落，其端部就會造成局部放電的發(fā)生。因為固體絕緣材料比SF6氣體的擊穿場強(qiáng)大的多，因此現(xiàn)代中壓C-GIS中大量采用帶屏蔽的固體絕緣結(jié)構(gòu)，將高場強(qiáng)集中于固體絕緣材料內(nèi)，使SF6氣體及絕緣材料表面承受較低的場強(qiáng)，使電場分布更加合理，充分發(fā)揮了不同絕緣介質(zhì)的潛力，這樣可有效減小絕緣結(jié)構(gòu)的尺寸。界面絕緣：將硅橡膠等彈性材料壓接在環(huán)氧樹脂的表面上用該界面維持絕緣，與表面壓力、界面光潔度、V-t特性有關(guān)。對于場強(qiáng)高而集中的穿墻套管采取措施，改變電場分布，將高的場強(qiáng)作用于固體絕緣介質(zhì)上，使氣隙、沿面的場強(qiáng)大幅度下降，這樣的場強(qiáng)分布非常合理，對擊穿場強(qiáng)高的介質(zhì)作用于高電場強(qiáng)度，擊穿場強(qiáng)底的介質(zhì)作用于低電場強(qiáng)度，還可以大大減小穿墻套管直徑和柜寬尺寸。所有電極外表面要光潔，通過倒圓角避免出現(xiàn)尖端使局部電場得到改善。插接母線、插接式電纜終端及其它插接件等暴露于空氣部分的外表面都應(yīng)做成帶屏蔽的結(jié)構(gòu)，且可靠接地或金屬封閉。這樣中壓C—GIS中的所有高壓元件不論是全部在SF6中，還是部分位于SF6氣體中、部分位于空氣中均不受外界環(huán)境的影響。常將幾種絕緣類型同時復(fù)合使用，形成復(fù)合絕緣結(jié)構(gòu)。在低壓力SF6氣體中，通過加大電極間的氣隙距離已經(jīng)意義不大。在不均勻電場中氣體間隙大到一定程度后，電極間的耐受電壓呈飽和趨勢，耐受電壓的提高很有限。只有通過改善電極形狀使之改善成為稍不均勻電場或均勻電場，才是提高耐受電壓的最有效途徑。絕緣子的設(shè)計需要通過電場計算及優(yōu)化來完成。電場優(yōu)化的目的就是縮短開發(fā)周期、高精度地開發(fā)設(shè)計、降低開發(fā)費(fèi)用，同時兼顧機(jī)械強(qiáng)度、澆注工藝，求得最佳電極形狀，使絕緣結(jié)構(gòu)電場分布合理、尺寸合理、安全可靠。電場優(yōu)化的主要原則： ⑴電場強(qiáng)度大?。嚎刂谱畲髨鰪?qiáng)在設(shè)計許用值以下，一般為許用場強(qiáng)的85%，這是優(yōu)化電場的首要目的。 ⑵電場強(qiáng)度方向：通過改變電極形狀、絕緣子表面形狀來調(diào)整等位線分布及走向，控制絕緣件表面的場強(qiáng)方向，盡可能降低絕緣件表面的切向場強(qiáng)分量。 ⑶電場均勻度：通過控制電極使場強(qiáng)均勻，同時也可用控制電極合理分配場強(qiáng)，調(diào)整等位線分布，使擊穿場強(qiáng)高的固體絕緣材料承受更高的場強(qiáng)，而使擊穿場強(qiáng)低的氣體承受較低的場強(qiáng)。 ⑷電場屏蔽：對可能產(chǎn)生氣泡、小氣體間隙、尖角的局部進(jìn)行屏蔽，排除這些局部缺陷對絕緣的影響。
3.1.3 中壓C—GIS SF6氣體充氣壓力的確定首先中壓C—GIS是在低壓力范圍內(nèi)選擇SF6氣體充氣壓力（一般小于0.25MPa）。確定SF6氣體充氣壓力需要考慮下列因素： ⑴充氣殼體強(qiáng)度的合理化，考慮合理的內(nèi)外壓力差，壓差太大對充氣殼體的強(qiáng)度、剛度都會帶來制造上的問題。 ⑵借助SF6氣體的絕緣特性使設(shè)備縮小體積，在最低功能壓力下應(yīng)能耐受額定絕緣水平。 ⑶在最低運(yùn)行溫度下不會產(chǎn)生負(fù)壓。當(dāng)密度、容積不變的情況下，隨著環(huán)境溫度的下降，氣體壓力也會下降?？紤]年漏氣率限制在1%以下，10年不補(bǔ)氣以及密度傳感器的精度后確定的最低充氣壓力應(yīng)為0.12MPa。 ⑷氣體密封性，要考慮溫度、海拔對密封帶來的影響。 ⑸周圍環(huán)境的大氣壓力。當(dāng)中壓C—GIS運(yùn)行于高海拔地區(qū)時，壓強(qiáng)隨海拔高度的增加而降低，那么充氣殼體的內(nèi)外壓差會增大，要么降低最低功能密度，要么提高氣密性要求。 3.1.4 中壓C—GIS 設(shè)計中執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)中壓C—GIS設(shè)計中依據(jù)的主要的國家標(biāo)準(zhǔn)、電力部標(biāo)準(zhǔn)、IEC標(biāo)準(zhǔn)見表3.1。
GB3906-1991、GB/T11022-1999、GB4208-1993、IEC62271-200:2002是總體設(shè)計應(yīng)考慮執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。GB1984-2003、JB3855-xxxx、IEC 62271-100:2001 是真空斷路器設(shè)計應(yīng)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。GB1985-2004、IEC 62271-102:2002是三位置隔離開關(guān)設(shè)計應(yīng)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。GB11033-1989是電纜附件設(shè)計應(yīng)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)，并參照DIN47636、DIN47637、BSEN50181。GB1208-1997、GB1207-1997是電流、電壓互感器設(shè)計與選用應(yīng)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。此外對電子元件還應(yīng)考慮執(zhí)行IEC1000-4-4、IEC1000-4-12等電磁兼容性方面的標(biāo)準(zhǔn)。 3.2 中壓C-GIS的密封密封要考慮到壓縮量、壽命、老化、可靠性方面的因素，以及尺寸標(biāo)準(zhǔn)化、系列化。當(dāng)密封箱體內(nèi)氣體壓力下降到大氣壓力時，似乎箱體內(nèi)外的氣體壓力相等不存在泄漏。但從滲透角度考慮，密封箱體內(nèi)SF6的氣體濃度顯然高于箱外，SF6氣體仍向外滲出，反之其外部空氣濃度高于箱內(nèi)，空氣又將通過縫隙進(jìn)入箱內(nèi)。時間一長，雖然密封箱體內(nèi)氣體壓力仍為大氣壓強(qiáng)，但氣體成分發(fā)生了變化。SF6氣體所占的百分比降低，待SF6比例降到40％時有可能由于絕緣性能下降而導(dǎo)致事故，因此密封問題必須十分重視。針對中壓C-GIS SF6氣體壓力低、機(jī)械壽命要求高、小型化的具體特點，所采用的密封結(jié)構(gòu)與高壓GIS有又較大區(qū)別，為了適應(yīng)結(jié)構(gòu)簡化、尺寸小、制造成本低、便于規(guī)?；a(chǎn)的要求，于是采用了新型密封箱體結(jié)構(gòu)及焊接工藝技術(shù)，如：使用新型設(shè)計結(jié)構(gòu)、制造工藝、焊接工藝、檢驗方法等（如激光焊接技術(shù)）生產(chǎn)高尺寸精度、小焊接變形的耐腐蝕方箱形密封箱體，滿足氣密性、強(qiáng)度、剛度的要求。采用金屬波紋管解決動密封的壽命問題。中壓C—GIS的年漏氣率限制在0.5%或1%以下，因其額定壓力低，與大氣壓的壓差小，該漏氣率比較容易達(dá)到。中壓C—GIS中采用的密封方法如下:
在充氣殼體設(shè)計時將容器的承力焊縫和氣密性焊縫分開處理，容器的氣密性焊縫不承力，承力是靠內(nèi)部筋板來承擔(dān)。這樣就不用擔(dān)心容器受力后的焊縫氣密性問題。在充氣殼體設(shè)計時將容器的承力焊縫和氣密性焊縫分開處理，容器的氣密性焊縫不承力，承力是靠內(nèi)部筋板來承擔(dān)。這樣就不用擔(dān)心容器受力后的焊縫氣密性問題。以簡化，仍可實現(xiàn)可靠的靜密封。采用金屬波紋管制造技術(shù)將動密封問題轉(zhuǎn)變成端面靜密封問題，提高了機(jī)械壽命后密封的可靠性，且有高壽命、高可靠性的優(yōu)點。 3.3 中壓C—GIS充氣殼體的設(shè)計 3.3.1 箱形充氣殼體設(shè)計中應(yīng)考慮的事項 ⑴確定充氣殼體設(shè)計壓力應(yīng)考慮的有關(guān)因素 a.根據(jù)中壓C—GIS的基本參數(shù)選擇最佳額定充氣壓力值，要求在最小功能壓力下具有額定絕緣水平。外殼的設(shè)計壓力，至少是在設(shè)計溫度下外殼能夠出現(xiàn)的壓力上限。設(shè)計溫度是周圍空氣溫度的上限加額定電流流過時氣體的溫升。 b.充氣殼體在使用過程中是否采用抽真空工藝，以及可能出現(xiàn)的最大壓力差。 c.耐地震的強(qiáng)度，確定設(shè)計的地震力即水平加速度0.15g（相當(dāng)于地震烈度8度）或水平加速度0.3g（相當(dāng)于地震烈度9度），共振的正弦波以及安全系數(shù)，在基礎(chǔ)下加震。 d.內(nèi)部燃弧故障時壓力的上升水平，以及防爆裝置設(shè)置的釋放壓力。 GB3906-1991中給出設(shè)計壓力的最大值可參照下式計算：設(shè)計壓力最大值MPa（表壓）=〔額定充氣壓力（表壓）+0.1〕×1.3-0.1 綜合上述幾點因素可能出現(xiàn)或計算出的最大壓力值就確定為設(shè)計壓力。 ⑵影響充氣殼體形狀、結(jié)構(gòu)、外觀的有關(guān)因素 a.根據(jù)C—GIS的形狀和構(gòu)成決定充氣殼體的形狀，進(jìn)出線的形式不同，充氣殼體形狀不同。 b.元件的固定方法。柜形充氣殼體是由薄板構(gòu)成的，裝入其內(nèi)元件的固定方法應(yīng)充分利用充氣殼體的加強(qiáng)筋、加強(qiáng)板。 c.元件的連接方式、氣隔的劃分以及充氣殼體隔板的構(gòu)成影響著如何加強(qiáng)充氣殼體強(qiáng)度。由母線、電纜的引入方式來確定相應(yīng)聯(lián)接部分的結(jié)構(gòu)。 d.確定充氣殼體的形狀時應(yīng)考慮與環(huán)境相適應(yīng)。 e.充氣殼體外表的顏色應(yīng)與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。 ⑶選擇充氣殼體材料的有關(guān)因素選用箱形充氣殼體的材料時要考慮其強(qiáng)度、重量、加工性能、材料的延伸率、經(jīng)濟(jì)性以及C—GIS的額定電流等，尤其是按其使用目的來選擇和使用，充氣殼體常用的材料有：結(jié)構(gòu)用鋼板、不銹鋼板、硬鋁板等。充氣殼體箱體應(yīng)盡量避免薄、厚板焊接，盡量采用同一板厚，提高加工性、減少焊接變形。充氣殼體的密封蓋板應(yīng)選用強(qiáng)度、剛度（材料的延伸率?。┚鶅?yōu)于不銹鋼的碳素結(jié)構(gòu)鋼板。 3.3.2 箱形充氣殼體的強(qiáng)度分析箱形充氣殼體的形狀、加強(qiáng)方法等一般是不對稱的，同時又是薄壁容器，影響因素很多，很難用簡單計算法進(jìn)行強(qiáng)度分析。因此，必須以有限元等方法用計算機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度的數(shù)值分析計算并優(yōu)化，用實際樣品進(jìn)行壓力試驗。 3.3.3 減小箱形充氣殼體應(yīng)力的措施降低充氣殼體應(yīng)力、提高剛度的措施主要是從增強(qiáng)薄弱部分的加強(qiáng)筋、減少應(yīng)力集中、增加名義板厚等方面考慮。 a. 采用波形板； b. 元件的安裝板兼作容器的加強(qiáng)板； c. 采用雙層板； d. 氣隔單元的隔板兼作容器的加強(qiáng)板； e. 在拐角處設(shè)加強(qiáng)筋； f. 在拐角處設(shè)圓角； g. 板搭接處設(shè)加強(qiáng)筋； h. 加厚板的厚度。 3.3.4 箱形充氣殼體性能的驗證箱形充氣殼體是C—GIS的一個組成部件，需要作性能驗證試驗。例行水壓試驗壓力耐受試驗氣密性試驗，一般是在額定壓力下進(jìn)行的，但也可以按最高使用壓力進(jìn)行。 3.4 中壓C—GIS 用斷路器的配置中壓C—GIS中配置的斷路器要求開斷能力強(qiáng)、電壽命長、可靠性高，滅弧室部分免維護(hù)。真空斷路器、SF6斷路器都具有開斷能力強(qiáng)、電壽命長、可靠性高的優(yōu)點。尤其是真空滅弧室的絕緣性能好，觸頭開距小，電弧電壓低，電弧能量小，開斷時表面燒損輕微，滅弧室部分無需檢修。真空斷路器的機(jī)械壽命和電壽命都很高，通常機(jī)械壽命和開合負(fù)載電流的壽命都在萬次以上，允許開合額定短路開斷電流的次數(shù)多在20次以上。特別適合于要求頻繁操作的場所，這是其它斷路器無法比擬的，因此中壓C—GIS中90％配置的是真空斷路器。 C—GIS中真空滅弧室是置于SF6氣室內(nèi)，外部的SF6氣體絕緣強(qiáng)度高，真空滅弧室就沒有必要像常規(guī)產(chǎn)品做得那樣長，需配用專用的真空滅弧室使其軸向尺寸大大減小，這樣的話排除了外部環(huán)境因素對真空滅弧室外絕緣的影響，提高了可靠性，布置也變得緊湊、方便。真空斷路器在使用中滅弧室部分無需檢修，開斷過程中不會產(chǎn)生很高的壓力，爆炸的危險性小，開斷短路電流時也沒有很大的噪聲。真空斷路器在開斷小電流時會出現(xiàn)截流現(xiàn)象。出現(xiàn)截流的機(jī)理主要與觸頭材料的特性有關(guān)。截流會產(chǎn)生過電壓，為安全起見應(yīng)在負(fù)載側(cè)考慮加裝過電壓保護(hù)裝置，將電壓仰制在一定范圍內(nèi)。常用的有ZnO避雷器和阻容保護(hù)裝置。 SF6滅弧室目前主要是采用壓氣式和自能式滅弧原理。因絕緣和熄弧的需要，滅弧室內(nèi)需要有較高壓力的SF6氣體，一般都大于0.25MPa。對中壓C—GIS而言無疑是增加了氣室數(shù)量和提高了密封要求。SF6滅弧室在電流過零時，靠動、靜觸頭間產(chǎn)生的壓力差，形成吹弧的氣流來熄弧。這種壓差的建立要求觸頭間的開距、行程均較大，需要的操作功大。SF6滅弧室額定短路開斷電流大、壽命長，允許開合額定短路開斷電流的次數(shù)多在20次以上，機(jī)械壽命長，開斷小電流時無截流現(xiàn)象，受到一部分用戶的青睞。真空斷路器的結(jié)構(gòu)有垂直布置和水平布置二大類。垂直布置與常規(guī)的真空斷路器類似，結(jié)構(gòu)、工藝、裝配都比較成熟，深度尺寸利用率不高，占用的高度尺寸要大。水平布置是針對C-GIS整體布置的特點和要求，充分利用深度尺寸同時降低高度尺寸，使得內(nèi)部導(dǎo)體的聯(lián)接、安裝便利，連接導(dǎo)體的走向順暢，調(diào)整要比垂直布置困難。 3.5 中壓C—GIS三位置隔離開關(guān)的設(shè)計三位置隔離開關(guān)的結(jié)構(gòu)分為直動的導(dǎo)電桿型與轉(zhuǎn)動的閘刀型兩大類。布置方式有沿柜寬布置三相的正裝和沿柜深方向布置三相的側(cè)裝，均為三相機(jī)械聯(lián)動。聯(lián)動桿有兩種類型：轉(zhuǎn)動式三相聯(lián)動，可以是一根轉(zhuǎn)軸同時帶動三相刀閘轉(zhuǎn)動，也可以是三根轉(zhuǎn)軸通過變換成為同時分別帶動三相導(dǎo)電桿的直動；平動式三相聯(lián)動，可以是一根拉桿同時帶動三相刀閘轉(zhuǎn)動，也可以是由三根拉桿同時分別帶動三相刀閘轉(zhuǎn)動。目前使用的三位置隔離開關(guān)操動機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、動作原理多種多樣，是設(shè)計的難點之一。 3.6 預(yù)制插接式電纜終端的配用預(yù)制插接式電纜終端有兩種結(jié)構(gòu)形式：外錐插接式電纜終端、內(nèi)錐插接式電纜終端；帶外屏蔽層，不受塵埃和凝露的影響。電纜通流導(dǎo)體截面積70～500mm2,根據(jù)額定電流大小具體選擇。 3.7 中壓C—GIS電流、電壓互感器/傳感器的配置可配置傳統(tǒng)電磁式電流互感器、電壓互感器或配置新型電流/電壓傳感器。
3.8 中壓C—GIS避雷器的配置配置金屬封閉插接式ZnO避雷器，具有壓力釋放裝置，可配放電計數(shù)器。 3.9 中壓C—GIS的控制和保護(hù)單元中壓C—GIS正朝著智能化方向發(fā)展，將先進(jìn)的一次設(shè)備、新型傳感器和現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，在傳統(tǒng)一次元件優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)上，采用新型傳感元件，配用先進(jìn)的微機(jī)控制保護(hù)單元，并將人工智能同現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)結(jié)合具有控制、保護(hù)、測量、通訊、監(jiān)測、故障錄波和事件記錄等功能，實現(xiàn)運(yùn)行狀況的實時監(jiān)測和故障的預(yù)測。智能化中壓C—GIS通過控制和保護(hù)單元監(jiān)測斷路器的工作狀態(tài)以及充氣殼體的SF6氣體壓力，控制斷路器合分閘、三位置隔離開關(guān)的操作，實現(xiàn)斷路器、三位置隔離開關(guān)間的電氣聯(lián)鎖；測量線路電流、電壓、能量、頻率等參數(shù)，記錄故障信息，實現(xiàn)數(shù)字化（信息化）繼電保護(hù)，取代常規(guī)的二次。穩(wěn)定的性能和友好的人機(jī)界面保證了更高的供電可靠性，對設(shè)備即時狀態(tài)的透徹了解，有助于開展設(shè)備的狀態(tài)維護(hù)和故障預(yù)測，節(jié)約運(yùn)行成本，能夠在更多的方面適應(yīng)現(xiàn)代化變電站發(fā)展的需要。 3.9.1 中壓C—GIS控制和保護(hù)單元的基本功能控制和保護(hù)單元的作用是完成電量測量值與狀態(tài)的采集、聯(lián)鎖、報警信號的發(fā)出以及設(shè)備的控制和監(jiān)視等。包括的主要接口：分別用于電壓、電流、氣體密度等模擬量的數(shù)字接口單元；分別用于斷路器、三位置隔離開關(guān)的開關(guān)量接口的控制單元，完成對一次設(shè)備的控制和狀態(tài)量采集；完成柜內(nèi)設(shè)備聯(lián)鎖、狀態(tài)顯示、報警信號的發(fā)出等?？刂坪捅Ｗo(hù)單元應(yīng)該集成以下基本功能： •主母線保護(hù) •分支母線保護(hù) •控制（各開關(guān)的控制、開關(guān)柜的聯(lián)鎖及操作順序控制） •測量 •故障信號和報警 •與上級監(jiān)控系統(tǒng)的連接 •通過顯示器可以顯示各高壓元件配置和位置的單線圖。電流值、電壓值、功率計算值、有功功率、無功功率及操作次數(shù)、運(yùn)行時間等數(shù)據(jù)可以在液晶顯示器上顯示，報警和故障信號通過發(fā)光二極管、蜂鳴器進(jìn)行報警，并配合文字加以顯示。 •通過光纜可以與上級監(jiān)控系統(tǒng)連接。 3.9.2 中壓C—GIS傳感器系統(tǒng) •組合式電流/電壓傳感器。使用電流、電壓互感器時，需要將輸出量進(jìn)行變換，與控制和保護(hù)單元的輸入量相匹配。 •電容分壓裝置。 •絕緣氣體壓力傳感器。 •斷路器、三位置隔離開關(guān)位置傳感器。 •斷路器彈簧儲能狀態(tài)傳感器。 3.9.3 中壓C—GIS一次元件間的聯(lián)鎖根據(jù)上述的典型一次主接線方案確定的聯(lián)鎖條件為： a. 斷路器在操作過程中或處于合閘位置時，三位置隔離開關(guān)閉鎖，不能操作； b. 三位置隔離開關(guān)在操作過程中，斷路器閉鎖； c. 三位置隔離開關(guān)處于接地位置時，通過電纜側(cè)高壓帶電顯示裝置檢測電纜側(cè)回路狀態(tài)，確認(rèn)回路失電時，斷路器方可進(jìn)行合閘操作； d. 斷路器、三位置隔離開關(guān)正常運(yùn)行時可以是遠(yuǎn)方電動操作，但也可以實現(xiàn)就地電動操作，遠(yuǎn)方電動操作、就地電動操作間應(yīng)有電氣聯(lián)鎖； e. 此外，三位置隔離開關(guān)的手動操作和電動操作也必須聯(lián)鎖，即做到手動操作時不能電動操作；電動操作時，也不能手動操作。由上述的一次主接線方案和聯(lián)鎖條件可以確定停電操作程序、送電操作程序。 a. 停電接地操作程序：先操作斷路器至分閘位置；確認(rèn)斷路器處于分閘位置后，操作三位置隔離開關(guān)至隔離位置；確認(rèn)其處于隔離位置后，操作至接地位置；檢測并確認(rèn)回路失電后，操作斷路器至合閘位置，實現(xiàn)線路側(cè)接地。 b. 恢復(fù)送電操作程序：斷路器處于合閘位置，三位置隔離開關(guān)處于接地位置。先操作斷路器至分閘位置；確認(rèn)斷路器至分閘位置后，操作三位置隔離開關(guān)至隔離位置；確認(rèn)其處于隔離位置后，繼續(xù)操作至接通位置；確認(rèn)三位置隔離開關(guān)處于接通位置后進(jìn)行斷路器合閘操作。 3.9.4 中壓C—GIS 的在線檢測除了上述狀態(tài)監(jiān)視之外，故障預(yù)測是人們關(guān)心的焦點。通過局部放電的監(jiān)測及早發(fā)現(xiàn)絕緣方面的潛在故障通過對開關(guān)元件機(jī)械特性的監(jiān)測、對比分析，對可能的故障進(jìn)行報警。通過對氣體密度的監(jiān)測，對存在的漏氣現(xiàn)象進(jìn)行報警。通過對電流、電壓的監(jiān)測，可對運(yùn)行的狀態(tài)、故障進(jìn)行分析。 3.10 中壓C—GIS 的水分控制 3.10.1 水分控制的重要性 SF6氣體中的水分必須控制在一定限度內(nèi)，否則將給SF6電器設(shè)備的安全運(yùn)行帶來問題。但是低壓力下的水分含量測量有操作上的困難。中壓C—GIS中SF6氣體是用作絕緣介質(zhì)，當(dāng)絕緣件表面出現(xiàn)凝露會對絕緣性能帶來不利影響。通常SF6中的水分以水蒸氣形式存在。在溫度驟降時，可能冷凝成露水附著在絕緣件表面，出現(xiàn)沿面放電事故。滅弧室內(nèi)的水分對滅弧性能有很大影響。 3.10.2 水分控制值的確定在充氣殼體中，當(dāng)液態(tài)的水和氣態(tài)的蒸氣處在蒸發(fā)、凝結(jié)的平衡狀態(tài)時，這時的水蒸氣壓力、密度稱為飽和壓力和飽和密度。由于水蒸氣飽和壓力和飽和密度只取決于水分子熱運(yùn)動的平衡狀態(tài)，因此飽和壓力和飽和密度只與溫度有關(guān)，而與同一空間內(nèi)是否存在其它物質(zhì)無關(guān)。SF6氣體中的水蒸氣在什么條件下凝結(jié)成露水或冰，取決于SF6氣體中水蒸氣的分壓力和密度在什么溫度下達(dá)到它的飽和值。水蒸氣0℃時的飽和壓力為611Pa，飽和密度4.52g/m3；水蒸氣-10℃時的飽和壓力為259Pa。 SF6電器設(shè)備中允許的水分含量通常以體積比（或重量比）表示。因為氣體壓力是由分子平均熱運(yùn)動形成的，同一溫度下氣體分壓力之比就是分子密度之比，也就是體積比。因此對于SF6氣體和水蒸氣來說：水分含量(V/V)＝VV／VSF6＝PV／PSF6≈PV／PVV、PV、VSF6、PSF6 P分別為水蒸氣、SF6氣體的體積和分壓力，P為充氣殼體的充氣壓力P＝PV＋PSF6≈PSF6。充氣殼體充氣壓力為0.15MPa(絕對值)、按0℃出現(xiàn)凝露時，允許的水分含量(V/V)的最大值為水分含量(V/V，0℃)＝PV／P＝611／（0.15×106）＝4073.33×10-6轉(zhuǎn)變?yōu)?0℃時的控制值為：水分含量(V/V，20℃) ＝(293/273)*水分含量(V/V，0℃) ＝(293/273)*4073.33×10-6 ＝4371×10-6 同理，充氣殼體充氣壓力為0.15MPa(絕對值)、按-10℃出現(xiàn)凝露時，允許的水分含量(V/V)最大值為1853×10-6；充氣殼體充氣壓力為0.10MPa(絕對值)、按0℃出現(xiàn)凝露時，允許的水分含量(V/V，20℃)最大值為6558×10-6；充氣殼體充氣壓力為0.10MPa(絕對值)、按-10℃出現(xiàn)凝露時，允許的水分含量(V/V，20℃)最大值為2885×10-6。從凝露角度考慮，一定溫度下水蒸氣的飽和壓力是一定的，因此在不同SF6壓力下允許的水分含量體積比也是不同的。充氣殼體的氣體壓力愈高允許的水分含量的體積比愈小。從計算結(jié)果可以看出，按較低充氣壓力設(shè)計的C—GIS允許有較高的水分含量。 GB3906中水分含量的規(guī)定值為1000×10-6(V/V，20℃)，在正常運(yùn)行時有足夠的裕度。 3.10.3 水分控制的方法 C—GIS中水分含量通過在充氣殼體內(nèi)安裝吸附劑來吸附水分和在任何溫度下避免出現(xiàn)負(fù)壓力來控制，以保證SF6氣體的含水量不致超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在中壓C—GIS中采用靜吸附，即依靠氣體自身的擴(kuò)散、對流產(chǎn)生的吸附稱為靜吸附。安裝在檢修時能方便取出的位置。國內(nèi)使用的為F-03吸附劑，F(xiàn)-03吸附劑的吸水性能為25％（質(zhì)量比），粒狀密度1.37kg/L。當(dāng)柜內(nèi)氣體壓力下降到大氣壓力時，似乎內(nèi)外壓力相等，氣體不在泄漏。但從滲透角度考慮，柜內(nèi)SF6的氣體濃度顯然高于柜外，SF6氣體仍向外滲出，反之柜外空氣濃度高于柜內(nèi)，空氣及空氣中的水分又將通過縫隙進(jìn)入柜內(nèi)。時間一長，造成氣體成分及含水量均發(fā)生變化。 4 國內(nèi)外典型中壓C—GIS產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)國外典型中壓C-GIS產(chǎn)品主要技術(shù)性能指標(biāo)見表4.1、國內(nèi)典型中壓C-GIS產(chǎn)品主要技術(shù)性能指標(biāo)見表4.2。
表4.2 國內(nèi)典型中壓C-GIS 產(chǎn)品主要技術(shù)性能指標(biāo)
5 西高所開發(fā)的40.5 kV C—GIS 產(chǎn)品簡介西高所研制的40.5 kV C-GIS是適應(yīng)用地緊張、可靠性要求高的工程建設(shè)的迫切需要而研制開發(fā)的新型開關(guān)設(shè)備。適用于城鄉(xiāng)電網(wǎng)建設(shè)與改造、城市地鐵、輕軌鐵路、高層建筑、高原變電站等建設(shè)工程，也適合在環(huán)境條件特別惡劣的地區(qū)及嚴(yán)重污穢的工業(yè)區(qū)電站中使用。本產(chǎn)品的設(shè)計主要立足于當(dāng)前國內(nèi)元、器件狀況和技術(shù)、工藝水平，吸收了國外同類產(chǎn)品的優(yōu)點，開發(fā)了配用的先進(jìn)高壓元件，使整個設(shè)計具有一定的先進(jìn)性，在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。本產(chǎn)品樣機(jī)已在國家高壓電器質(zhì)量監(jiān)督檢測中心通過了GB3906-1991和內(nèi)配各元件所依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項型式試驗。完成的型式試驗項目見表5.1。表5.1
本產(chǎn)品的各項技術(shù)參數(shù)和技術(shù)性能指標(biāo)符合GB3906-1991、GB/T11022-1999、GB1984-2003、GB1985-2004等國家標(biāo)準(zhǔn)、JB3855-xxxx行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、IEC62271-200、IEC62271-100等國際標(biāo)準(zhǔn)以及本產(chǎn)品技術(shù)條件的規(guī)定。 5. 1 主要技術(shù)參數(shù)
5.2 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點及優(yōu)點 5.2.1 產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點西高所開發(fā)的中壓C-GIS產(chǎn)品的額定電壓為40.5kV，根據(jù)用戶需要可下延派生到12kV。高壓元件的三極均封閉于SF6氣室內(nèi)，分上、下兩氣室，上氣室有三工位隔離開關(guān)，下氣室有斷路器；密封箱體用不銹鋼板焊接而成。可滿足單母線、單母線分段一次主接線的要求。采用插入式單相固體絕緣母線；帶外屏蔽層。母線聯(lián)接采用硅橡膠絕緣的十字聯(lián)接套和端頭T形聯(lián)接套；當(dāng)需要擴(kuò)展或調(diào)整時，不涉及SF6氣體的任何操作。本柜配用具有高開斷性、壽命長、少維護(hù)的小型化真空斷路器。真空斷路器由真空滅弧室組件、框架和操動機(jī)構(gòu)三大部分組成。真空滅弧室組件采用水平布置方式，使得內(nèi)部導(dǎo)體布置方便。首先從真空斷路器的滅弧元件真空滅弧室著手，經(jīng)過反復(fù)論證和大量的研究性試驗，采用了新型的線圈式觸頭結(jié)構(gòu)、內(nèi)置式屏蔽罩，對真空滅弧室內(nèi)部絕緣進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，確保絕緣水平穩(wěn)定可靠，提高了開斷能力和可靠性，使真空滅弧室軸向尺寸減少，懸臂變短整體強(qiáng)度提高，有利于真空滅弧室組件水平安裝。其次對固定真空滅弧室的固定件進(jìn)行了大量的比較分析，采用絕緣筒整體固定方式，既保證機(jī)械強(qiáng)度又屏蔽了電場起到復(fù)合絕緣的雙重功效。由于該真空斷路器的真空滅弧室置于SF6氣體密封箱體內(nèi)，出現(xiàn)了必不可少的密封問題，通常的動密封均采用橡膠滑動密封，壽命可靠性減低而且摩擦阻力大。靜密封采用傳統(tǒng)的橡膠密封使整個斷路器與密封箱體可靠密封；而動密封采用彈性元件進(jìn)行操作桿穿過密封箱體的密封連接，操動機(jī)構(gòu)通過傳動桿操作密封箱體內(nèi)的三極斷路器動觸頭，使傳動和密封均得到可靠保證。傳動的過渡環(huán)節(jié)少，傳動慣量大幅度降低，所需操作功減小，可靠性提高。斷路器整體結(jié)構(gòu)形式簡單，裝配、調(diào)整和維護(hù)簡單方便。三工位隔離開關(guān)置于密封的SF6充氣殼體內(nèi),使隔離——接地組合成一體。母線絕緣子和電纜聯(lián)接絕緣子均配有高壓帶電顯示裝置用的傳感器。配用環(huán)氧澆注穿芯式電流互感器(電磁式)、插接式電壓互感器(電磁式)或電流/電壓傳感器(電子式)。電纜用T形外錐電纜終端或直形內(nèi)錐電纜終端連接，由1～3根電纜并聯(lián)進(jìn)（出）線，內(nèi)錐插接式避雷器直接與分支母線相連。開發(fā)了控制和保護(hù)單元。 40.5kVC-GIS某方案的結(jié)構(gòu)示意圖見圖5.1、5.2。設(shè)計的方案有：典型柜、進(jìn)線柜、母線分段柜、母線提升柜、測量柜等。
1.固體絕緣母線 2.儀表室 3.柜體 4.密度傳感器 5.三位置隔離開關(guān) 6.三位置隔離開關(guān)操動機(jī)構(gòu) 7.控制和保護(hù)單元 8.9.斷路器及其操動機(jī)構(gòu) 10.插接式電纜終端 11.電流互感器 12.插接式ZnO避雷器（或插接式電壓互感器）13.泄壓通道 14.下充氣殼體 15.上充氣殼體圖5.1 某方案結(jié)構(gòu)示意圖
1.固體絕緣母線 2.儀表室 3.柜體 4.密度傳感器 5.三位置隔離開關(guān) 6.三位置隔離開關(guān)操動機(jī)構(gòu) 7.控制和保護(hù)單元 8.9.斷路器及其操動機(jī)構(gòu) 10.插接式電壓互感器 11.插接式ZnO避雷器 12.穿芯式電流互感器 13.內(nèi)錐插接式電纜終端 14.泄壓通道 15.下充氣殼體 16.上充氣殼體圖5.2 西高所開發(fā)的XGN46-40.5(Z)/T1250—25型C-GIS進(jìn)線柜方案示意圖 6 中壓C—GIS產(chǎn)品發(fā)展趨勢隨著技術(shù)進(jìn)步，中壓C—GIS產(chǎn)品的發(fā)展趨勢是高可靠性、免維護(hù)、智能化、低成本、模塊化；現(xiàn)場安裝方便、不涉及氣體處理；盡可能少用或不用SF6氣體。具體體現(xiàn)為下列幾個方面： ⑴中壓C—GIS無SF6或少用SF6 研究非SF6氣體的絕緣特性，實現(xiàn)中壓C—GIS無SF6化，用N2、壓縮空氣、真空等作絕緣介質(zhì)。無SF6氣體的C-GIS產(chǎn)品是一個特色產(chǎn)品，目前僅有24kV充壓縮空氣的產(chǎn)品在運(yùn)行，36kV的產(chǎn)品已在工廠內(nèi)試制。對40.5kV C-GIS SF6用量要減少。 ⑵新型絕緣子設(shè)計、制造技術(shù)的研究新型帶電場控制元件的絕緣子，充分發(fā)揮了固體絕緣介質(zhì)的材料性能，可以實現(xiàn)降低尺寸、提高可靠性的要求。但是，這種絕緣子對澆注工藝要求高，絕緣件生產(chǎn)廠家還沒完全掌握，還沒有認(rèn)識到其對提升產(chǎn)品性能的重要性。設(shè)計、制造人員應(yīng)積極配合，攻克材料、工藝方面的難題，使絕緣子的制造水平上一個臺階。另一方面，以環(huán)氧樹脂為中心，針對高電壓、大容量的要求，研究與開發(fā)低介電常數(shù)、耐熱性及強(qiáng)度等均良好的樹脂。 ⑶重要零部件裝配前的無損探傷檢測，如絕緣子無損探傷檢測、密封箱體探傷檢測等。 ⑷智能化，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測，建立計算機(jī)輔助維護(hù)系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)對中壓C—GIS產(chǎn)品運(yùn)行中的狀態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)重要的一次元件諸如斷路器、隔離開關(guān)和操動機(jī)構(gòu)等有關(guān)的運(yùn)行參數(shù)的歸檔記錄。在狀態(tài)監(jiān)測期間紀(jì)錄的運(yùn)行數(shù)據(jù)可提供防止誤動作或采取必要的維護(hù)措施方面的信息，有助于防止突發(fā)的和費(fèi)用較大的故障。對紀(jì)錄的測量數(shù)據(jù)作診斷、趨勢分析，為監(jiān)測系統(tǒng)元件的老化和可能的故障概率提供信息，這些數(shù)據(jù)也可成為建立計算機(jī)輔助維護(hù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。 ⑸降低成本通過模塊化設(shè)計以及專業(yè)化生產(chǎn)使中壓C—GIS與空氣絕緣開關(guān)柜成本之比降低到1.5∶1左右。 ⑹專業(yè)化生產(chǎn)，流水線裝配充氣殼體、各種傳感器、硅橡膠絕緣件、專用絕緣子、密封用波紋管等由專業(yè)廠生產(chǎn)，組裝在專業(yè)流水線上進(jìn)行，一是可以保證質(zhì)量、提高可靠性，二是可以形成批量、降低成本。 ⑺研究絕緣件老化的在線檢測與診斷系統(tǒng)。 ⑻研究預(yù)防故障事故的保護(hù)監(jiān)控系統(tǒng)。 ⑼強(qiáng)調(diào)模擬工具的開發(fā)與應(yīng)用在設(shè)計中達(dá)到精確設(shè)計的目標(biāo)，以及受到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的限制，新產(chǎn)品開發(fā)中更多地應(yīng)用模擬工具對電場、溫度場、應(yīng)力場、壓力場進(jìn)行計算與優(yōu)化，如：通過使用壓力計算程序可以評估對內(nèi)部電弧故障進(jìn)行的各種設(shè)計理念的實效。 |
