中压气体绝缘金属封闭开关设备的设计

中压气体绝缘金属封闭开关设备的设计西安高压电器研究所研发中心王平中压气体绝缘金属封闭开关设备是体现了新的设计理念、新的制造工艺的一类产品，主要包括二大类：C-GIS和气体绝缘二次配电开关设备。与常规开关柜有许多不同之处，发展的时间有限，需要进一步去探索设计、制造、检验、生产管理等诸多方面，增加产品品种、提高产品质量、降低成本。1.中压气体绝缘金属封闭开关设备的主要技术基础1.1低压力SF6气体或混合气体的绝缘技术1.1.1SF6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。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，因而在设计中大多采用稍不均匀的电场结构。需要指出的是：⑴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。⑵提高SF6气体的压力是提高击穿电压的有效措施，但会受到强度、刚度、密封性的制约。⑶稍不均匀电场中存在极性效应，负极性的击穿电压低于正极性。⑷不均匀电场中正极性的击穿电压低于负极性。⑸根据空气中的结果，并假设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。⑹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。1.1.2SF6气体绝缘性能与浓度的关系1.1.3SF6气体绝缘性能与压力的关系1.1.4三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，容易出现碰撞电离并发展成沿面闪络，是绝缘上的薄弱环节。1.1.5支柱绝缘子的设计对支柱绝缘子和绝缘拉杆的基本要求是：⑴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。⑵有足够的机械强度，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。1.2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。各种电极形状在较低压力的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。压缩空气中棒板间隙的直流闪络电压1.3低压力气体中的载流与散热对于小电流C－GIS，在温升方面不存在问题。大电流C－GIS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：⑴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，提高接触压力；⑵降低涡流损耗；⑶提高辐射率；⑷增大散热表面积以及使用散热器；⑸提高耐热性能；⑹采用冷却技术。1.4真空断路器的开断技术发展经过十多年的发展，真空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C－GIS中配置。2.中压C-GIS的特点及设计2.1概述2.1.1C－GIS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10～35kV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。2.1.2C─GIS是技术进步的产物⑴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、复合绝缘、固体绝缘技术发展的产物。⑵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。⑶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。⑷企业发展的需要中压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。现在国内使用的中压C－GIS产品以进口或合资企业生产的为主，每面柜子的售价在40万元人民币左右；国产产品仅占一小部分，每面柜子售价在30万元人民币左右。经过多年的研制，国内中压C－GIS产品在开发、生产、运行等各方面都有了长足的发展，积累了一定的生产、管理、运行、工程设计的实践经验。因生产C－GIS所需的专用装备还未完全到位或完善，目前仍处于小批量生产。2.2中压C-GIS的技术特点2.2.1中压C-GIS的总体结构因解决了绝缘插接和焊接工艺问题，7.2～40.5kVC－GIS产品的柜体结构有了很大变化，综合应用气体绝缘、固体绝缘、界面绝缘等多种绝缘结构，很多元件是插接式的，甚至各气室都是独立的，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。⑴基本组成元件及柜型中压C－GIS按柜的用途可分为进线柜、出线柜、母联柜、母线提升柜、测量柜等不同的柜型。对母线实现的主接线方式又细分为：a.单母线及单母线分段，b.双母线及双母线分段。按气室的多少细分为：a.单气室，b.二气室，c.三气室或多气室。各柜型中按气隔功能及主要组成部件可分为：断路器气室、三位置隔离开关（包括母线或母线的一部分）气室、电缆隔室、控制及仪表隔室、机构隔室，泄压隔室、固体绝缘母线或母线联接器等。密封壳体的结构类型主要分为三大类：a.钢板封闭方箱型，b.铝筒或钢筒封闭圆筒型，c.部分圆筒、部分方箱型。进线柜主开关均配真空断路器，除此外还配有三位置隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器，多条电缆进线。出线柜主开关多为配真空断路器，也可以配负荷开关或负荷开关+熔断器组合电器。出线柜其他元件的配置在很多情况下与进线柜基本一致。母联柜主开关为真空断路器，还配有三位置隔离开关。可以是左联络，也可以是右联络，实现母线分段。根据工程需要可以选配电压互感器、避雷器等。母线提升柜需与母联柜配合使用，不再配主开关，配有母线电流互感器、三位置隔离开关。根据工程需要可以选配电压互感器、避雷器等。C－GIS中非常重要的一个元件就是母线联接器，其作用是：当产品现场安装拼柜时，在不打开密封箱体上的密封盖板的情况下采用插接结构使两个柜体间的母线在电路上连通并承载额定电流，同时在两柜之间的主母线导体与金属外壳间建立固体的界面绝缘。用类似结构也可解决其它高压元件的绝缘插接。⑵总体布置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。纵观各种类型的中压C－GIS，可以明显的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，按它们的相对位置总体结构可以划分为三大类：上中下布置、下中上布置、后中前布置。总体结构给人感觉是更多地吸收了常规开关柜的技术，实际上是GIS技术与开关柜技术的有机结合。目前有三种类型母线结构并存：气体绝缘母线；插接式固体绝缘母线；充气母线室+母线连接器。充气绝缘母线+母线连接器或插接式固体绝缘母线的使用解决了现场不用抽真空、充气等处理SF6气体的问题。优点除了不受尘埃和凝露的影响外，便于母线连接、分段或改接。上中下布置的典型产品有日本三菱公司的HS-X型、FUJIELECTRIC公司C－GIS2100型、SIEMENS公司的NXPLUS型、ABB公司ZX2型。非常适合于插接式固体绝缘母线，或者充气母线室+母线连接器。三菱公司HS-X型12～24kVC-GIS西高所开发的XGN46-40.5(Z)/T1250—25型C-GIS结构示意图下中上布置的典型产品有ABB公司的ZX1.2，非常适合于充气母线室+母线连接器。ABB公司ZX1.2型12～40.5kVC-GIS后中前布置的典型产品有AREVA公司的WS型12～40.5kVC－GIS，非常适合于气体绝缘母线。AREVAWS型12～40.5kVC-GIS2.2.2典型产品的主要技术参数主要几家公司典型产品的主要技术参数为：额定电流1250～2500A；40.5kV级1min工频耐受电压85kV或个别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，SF6气体额定压力（20℃时、表压）：0.05MPa及以下；外形尺寸：当额定电流1250A及以下时柜宽600或以下，额定电流1250A以上时柜宽800，柜高2300左右，柜深1700左右。2.2.3绝缘结构使用的绝缘类型有气体绝缘、沿面绝缘、固体绝缘、界面绝缘。气体绝缘：在主回路导体与密封箱体之间用SF6气体绝缘。沿面绝缘：用固体绝缘件作介质，构成主回路导体、断路器、隔离开关的电极等的带电部分与密封箱体之间的对地绝缘或导体间的相间绝缘。SF6气体中的沿面绝缘特性取决于最大电场，一产生电晕就很容易引起沿面的闪络，所以即使在绝缘件的沿面上也必须有为实现电场衰减的结构。SF6气体、电极以及绝缘件接触的部分会出现电场上升现象，对电场产生影响，成为绝缘上的薄弱点。固体绝缘：采用环氧树脂材料作绝缘介质，中间是高压导体，浇注成形，表面通过液态金属喷镀法进行锌喷镀或通过涂敷半导电层等方法设置一接地的金属层或半导电层。中间高压导体与接地的金属层或半导电层间靠固体绝缘材料耐受电压。表面层粘合力大小与喷镀的种类、粒度、金属喷镀枪、膜厚等有关。表面层万一发生碰撞、剥落，其端部就会造成局部放电的发生。界面绝缘：将硅橡胶等弹性材料压接在环氧树脂的面上，用该界面维持绝缘。与表面压力、界面光洁度、V-t特性有关。2.2.4新型密封壳体结构及密封壳体的焊接、检漏工艺技术新的板金工艺应用，即激光切割+折弯+焊接/铆焊。由于激光切割的高灵活性、高精度，三维设计技术的成熟与普及，可以应用更加合理、美观、成本低、质量高、工期短的设计新结构与新的工艺流程。新的焊接工艺应用，即激光焊接。由于激光焊接的高精度、非常小的热影响区、高的穿透性，应用新焊接结构、加强筋结构与新的工艺流程，使焊接后的部件无变形或小变形、刚度大大提高，焊缝质量大大提高，外形美观。螺柱焊接工艺的应用，即螺柱焊技术。由于螺柱焊结构简单、热影响区小、高的焊接强度以及灵活性好，应用于板上或筋上，容易实现无缝连接，螺