西安高壓電器研究所 王平Microsoft Word 文檔

1、中壓C-GIS 的原理與設(shè)計(jì)西安高壓電器研究所 王平 (710077) 1 概述 1.1 CGIS 的發(fā)展簡(jiǎn)史及特點(diǎn) 柜式氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備，國(guó)際上簡(jiǎn)稱C-GIS或有稱GIS，是一種用于1035kV或更高電壓輸配電系統(tǒng)以接受或分配電能并能對(duì)電力系統(tǒng)正常運(yùn)行和故障情況下實(shí)行控制、保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)視、通訊等功能的新型開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)設(shè)備，簡(jiǎn)稱C-GIS（Cubicle type Gas

2、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(kāi)發(fā)了84kV C-GIS,當(dāng)時(shí)采用厚鋼板焊接的密封箱體。隨后，有更多的公司開(kāi)發(fā)C-GIS產(chǎn)品，電壓等級(jí)7.2126kV；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(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、快速接地開(kāi)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(shí)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(chǎng)安裝需要進(jìn)行抽真空、充氣。 到了

3、90年代中期，C-GIS在2436kV電壓等級(jí)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(duì)部分元件已開(kāi)始外置，如：電壓互感器通過(guò)電纜連接到密封箱體外部；在一次主接線方面已開(kāi)始簡(jiǎn)化，下隔離逐漸開(kāi)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(shí)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(kāi)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(gè)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(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)使產(chǎn)品進(jìn)入智能化時(shí)代。產(chǎn)品的技術(shù)參數(shù)、可靠性進(jìn)一步得到提

4、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(chǎng)安裝已開(kāi)始不需要抽真空、充氣。一次主接線得到了簡(jiǎn)化，新問(wèn)世的產(chǎn)品均無(wú)線路側(cè)隔離開(kāi)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(kāi)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(wèn)世，并在電網(wǎng)上運(yùn)行。 國(guó)內(nèi)于1996年下半年由西高所組織六廠一所開(kāi)始研發(fā)40.5kVC-GIS，著手時(shí)就研制現(xiàn)場(chǎng)不需抽真空、充氣的產(chǎn)品。于1999年制造出第一臺(tái)樣機(jī)，

5、2000年制造出改進(jìn)的第二臺(tái)樣機(jī)，于2001年首家產(chǎn)品的樣機(jī)通過(guò)了全部型式試驗(yàn)，2002、2003年陸續(xù)又有多家企業(yè)通過(guò)了型式試驗(yàn)。 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(kāi)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(guó)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(kāi)關(guān)設(shè)備的一個(gè)重要分支。ABB、西門子、Althom、日立、三菱等各大電氣公司都有7.240.5kVC-GIS，產(chǎn)品已經(jīng)系列

6、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(kāi)關(guān)柜的許多設(shè)計(jì)常規(guī)和習(xí)慣的束縛，形成了自己獨(dú)特設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)風(fēng)格。 不再采用高壓力而用較低壓力（一般小于0.25MPa，20時(shí)絕對(duì)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(wèn)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(dú)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(kāi)關(guān)，將真空斷路器、三位置隔離開(kāi)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

7、能充氣室或集裝于箱式的充氣容器內(nèi)。通過(guò)柜體上預(yù)留的插座孔由插接式電纜終端實(shí)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(shí)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(cè)量與監(jiān)視，通過(guò)控制和保護(hù)單元遙控、遙測(cè)。這種開(kāi)關(guān)柜的其它部分，如操動(dòng)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(guó)自行開(kāi)發(fā)的40.5kVC-GIS產(chǎn)品而言

8、，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12501600A，1min工頻耐受電壓95kV，雷電沖擊耐受電壓185kV，額定短時(shí)耐受電流31.5kA，額定峰值耐受電流80kA，額定短路開(kāi)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(shí)、表壓）：0.04MPa，外形尺寸：柜寬800，柜高2300左右，柜深1500左右。對(duì)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(guò)多年的研制，國(guó)內(nèi)中壓C-GIS產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、管理、運(yùn)行等各方面都有了長(zhǎng)足的發(fā)展

9、。 眾多企業(yè)為了迅速占有市場(chǎng)，除了自行開(kāi)發(fā)外，有分別引進(jìn)歐洲、日本、韓國(guó)等國(guó)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 CGIS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(kāi)關(guān)設(shè)備隨著時(shí)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(kāi)式、柜式（金屬封閉）、分相GIS、三相共箱GIS、C-GIS的變化過(guò)程，結(jié)構(gòu)狀態(tài)也經(jīng)歷了敞開(kāi)、封閉、密封、元件復(fù)合化、設(shè)備復(fù)合化的變化過(guò)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)

10、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(shí)際的需要 40.5kV及以下電壓等級(jí)的開(kāi)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(méi)有大的問(wèn)題，但仍存在大氣狀態(tài)的影響，體積較大，隔一定時(shí)間要進(jìn)行監(jiān)測(cè)、清掃和維護(hù)。近年來(lái)出現(xiàn)的中壓C-GIS體積更加縮小、不需要維修或少維修。實(shí)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

11、開(kāi)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(jì)、生產(chǎn)工藝、檢驗(yàn)技術(shù)、管理水平的具體體現(xiàn)，增強(qiáng)了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。對(duì)市場(chǎng)而言；中壓開(kāi)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CGIS的優(yōu)點(diǎn) 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(jí)的C-GIS比一般的開(kāi)關(guān)柜安裝面積縮小了約1/3；40.5kV級(jí)的安裝面積、體積也大大縮小，比目前12kV級(jí)的空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜略大一點(diǎn)或相當(dāng)。 b. 提高了可靠性、安全性

12、 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(diǎn)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(dòng)物等的影響，可使用在環(huán)境惡劣的場(chǎng)所，使設(shè)備長(zhǎng)期安全運(yùn)行，具有高可靠性；無(wú)觸電和火災(zāi)的危險(xiǎn)。 因氣體壓力低，密封問(wèn)題已不突出，氣密性可達(dá)30年不用補(bǔ)氣。 c. 維護(hù)簡(jiǎn)單 因各高壓元件或用氣體密封或以金屬封閉，零部件無(wú)腐蝕、生銹現(xiàn)象，也沒(méi)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(zhǎng)、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

13、干標(biāo)準(zhǔn)模塊，通過(guò)組合可以滿足各種主接線的要求，滿足各種不同使用場(chǎng)合的需要。 中壓CGIS在制造廠總體裝配、調(diào)試，整體運(yùn)輸，到現(xiàn)場(chǎng)后成套吊裝就位，現(xiàn)場(chǎng)的安裝時(shí)可不涉及SF6氣體的處理。 根據(jù)需要，可很方便地通過(guò)預(yù)留的電纜插座來(lái)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(shí)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

14、級(jí)和增容工程中，采用中壓C-GIS會(huì)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益。 1.4 中壓CGIS的用途 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程建設(shè)越來(lái)越復(fù)雜，使用條件變化很大、地域越來(lái)越廣，尤其是地下、高原、凍土、沿海、潮濕等環(huán)境條件，原來(lái)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(wú)法滿足這些場(chǎng)合下的使用要求。中壓C-GIS最初是針對(duì)這些使用問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的新一代金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備。中壓C-GIS產(chǎn)品在國(guó)外問(wèn)世后，得到了長(zhǎng)足發(fā)展，現(xiàn)在是結(jié)合了現(xiàn)代絕緣技術(shù)、開(kāi)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(cè)量、監(jiān)視、顯示、通訊等功能于一身的高新

15、技術(shù)產(chǎn)品，使用氣體絕緣的開(kāi)關(guān)柜的比例一直在提高。國(guó)內(nèi)外使用C-GIS的比例呈逐年上升趨勢(shì)，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(kāi)關(guān)設(shè)備的最佳場(chǎng)合，對(duì)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(chǎng)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(wèn)題而擴(kuò)大的事故時(shí)有發(fā)生，也應(yīng)是中壓C-GIS最佳的使用場(chǎng)所。 在人口密集的地區(qū)、大型工礦企業(yè)、高層建筑等場(chǎng)合，因占地面積、空間限制等因素，需要選用這種設(shè)備。我國(guó)諸多城市如北京、廣

16、州、上海、南京、深圳、沈陽(yáng)等數(shù)十個(gè)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(xiàng)目需要量大，且我國(guó)地鐵、輕軌的建設(shè)還將持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)期。城市的地鐵、輕軌建設(shè)項(xiàng)目中首選的最佳中壓配電設(shè)備就是C-GIS。 2 中壓CGIS的原理 中壓CGIS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(kāi)關(guān)元件、電纜承載電流；利用真空開(kāi)斷技術(shù)對(duì)線路的負(fù)荷電流、過(guò)載電流、短路電流進(jìn)行控制、開(kāi)斷和對(duì)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

17、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(jì)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(chǎng)強(qiáng)為依據(jù)的。理想的SF6氣體臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)為88.5kV/mm.MPa，而空氣臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)為29.4kV/mm.MPa。由此推論在均勻電場(chǎng)下SF6氣體的擊穿場(chǎng)強(qiáng)大約是空氣的三倍。但生產(chǎn)實(shí)際中SF6絕緣結(jié)構(gòu)主要使用的是稍不均勻場(chǎng)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)總是低于這一數(shù)值，當(dāng)間隙內(nèi)最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到某一擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb時(shí)，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(zhǎng)度、電場(chǎng)不均勻程度、電極表面粗糙度、電極材料和電極

18、面積等，與間隙中的最大場(chǎng)強(qiáng)密切有關(guān)，要精確計(jì)算只能借助機(jī)算軟件來(lái)完成。 電場(chǎng)不均勻程度對(duì)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(jì)時(shí)應(yīng)采取各種措施使之避免。SF6電器設(shè)備中要使電場(chǎng)設(shè)計(jì)的完全均勻幾乎是不可能的因而大多采用稍不均勻電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)。需要指出的是： 隨著間隙距離的增加，電場(chǎng)不均勻程度亦增加，擊穿電壓的增加愈來(lái)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(lái)提高擊穿電壓，改善電場(chǎng)分布更為重要。 提高SF6氣體的壓力是提高擊穿電壓的有效措施，但會(huì)受到箱形密封殼體的強(qiáng)度、剛度、密封性的制約。 稍不均勻電場(chǎng)中存在有極性效應(yīng)，負(fù)極性的擊穿電壓低于正極性。

19、不均勻電場(chǎng)中正極性的擊穿電壓低于負(fù)極性。 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(jì)SF6氣體系統(tǒng)不會(huì)得出滿意的結(jié)果。 不均勻電場(chǎng)的情況下，在沖擊中，由于形成空間電荷所需的時(shí)間幾乎是沒(méi)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(guò)大量試驗(yàn)總結(jié)出一系列經(jīng)驗(yàn)公式。 對(duì)于同軸圓柱電場(chǎng)，當(dāng)P0.10.4MPa（絕對(duì)值）、內(nèi)電極直徑d=38200mm、電極表面粗糙不超過(guò)30m時(shí)，擊穿場(chǎng)強(qiáng)有如下經(jīng)驗(yàn)公式： EbA×PB PSF6氣體壓力，MPa，絕對(duì)值。 A、B與施加電壓極性有關(guān)的系數(shù)，見(jiàn)表2.1。 SF6與N2、CO2、空氣等的

20、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(lái)說(shuō)有著對(duì)雜質(zhì)的影響不敏感的優(yōu)點(diǎn)。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0.100.15MPa（絕對(duì)值）范圍內(nèi)變化時(shí)，球?qū)Π彘g隙（均勻電場(chǎng)）和棒對(duì)板間隙（不均勻電場(chǎng)）上施加雷電沖擊，閃絡(luò)電壓與SF6氣體壓力的關(guān)系見(jiàn)圖2.2。由圖可知，按均勻電場(chǎng)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(shí)也成比例地上升；而按不均勻電場(chǎng)考慮的棒對(duì)板間隙隨著氣體壓力的升高，閃絡(luò)電壓幾乎沒(méi)有變化，也就是說(shuō)提高氣體壓力對(duì)

21、不均勻電場(chǎng)耐受電壓的提高沒(méi)有太大作用。由此表明設(shè)計(jì)中壓CGIS時(shí)，充分利用該特性效果會(huì)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(jì)C-GIS時(shí),解決密封殼體的強(qiáng)度、剛度、密封性等問(wèn)題時(shí)就要經(jīng)濟(jì)得多。 2.1.4 三種物質(zhì)接觸點(diǎn)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(shí)，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(diǎn)）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(diǎn)上介電常數(shù)小的一側(cè)電場(chǎng)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(shí)會(huì)形成楔形的微小間隙，使得

22、電場(chǎng)升高。 實(shí)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(chǎng)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(chǎng)集中。 2.1.5 支柱絕緣子的設(shè)計(jì) 由固體氣體絕緣組成的復(fù)合絕緣比單獨(dú)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(méi)有明顯下降。設(shè)計(jì)中應(yīng)以沖擊擊穿判據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。 對(duì)支柱絕緣子和絕緣拉桿的基本要求是： 有足夠的絕緣強(qiáng)度，能夠長(zhǎng)期承受運(yùn)行電壓作用，無(wú)明顯局部放電和老化現(xiàn)象，并能短時(shí)耐受絕緣水平規(guī)定的工頻電壓和沖擊電壓。 有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，能承受開(kāi)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

23、電動(dòng)力等。 當(dāng)SF6沿面絕緣結(jié)構(gòu)中最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到某一數(shù)值Eft時(shí)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×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(chǎng)強(qiáng)。 負(fù)極性雷電沖擊電壓工程閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)Eft5.6×(10P)0.66kV/mm 工頻電壓工程閃絡(luò)場(chǎng)強(qiáng)Eft4.5×(10P)0.64kV/mm P 的單位為MPa，絕對(duì)值。 考慮有絕緣子存在時(shí)，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，0.50.9。 支柱絕緣子和絕緣拉桿的形狀、尺寸

24、需由試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)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(méi)有SF6氣體的溫室效應(yīng)問(wèn)題，用其作絕緣介質(zhì)對(duì)社會(huì)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(bào)導(dǎo)過(guò)，但是能在設(shè)計(jì)中直接應(yīng)用的數(shù)據(jù)還很少，需對(duì)各種電極形狀的絕緣特性做一些實(shí)驗(yàn)研究。國(guó)外的7.224kVCGIS中采用壓縮空氣、N2絕緣已經(jīng)很多了；在36kV也有過(guò)采用壓縮空氣的報(bào)道；在40.5kV產(chǎn)品中仍然采用SF6氣體絕緣。在中壓CGIS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(kāi)關(guān)設(shè)備中散熱的主要途徑是對(duì)流、傳導(dǎo)、輻射。同等壓力下，

25、SF6的分子量大、粘度?。ū瓤諝?、N2小）比空氣、N2形成更加廣泛的氣體環(huán)境，使之通過(guò)對(duì)流傳熱比一般的氣體更為有效。當(dāng)中壓CGIS壓力越高，在對(duì)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(guò)的渦流損耗較小，這是有利因素。 對(duì)于小電流CGIS，在溫升方面不存在問(wèn)題。大電流CGIS溫升是難點(diǎn)。解決溫升主要是通過(guò)降低發(fā)熱量、降低電流密度、增強(qiáng)輻射和傳導(dǎo)來(lái)解決，可采取的措施： 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； 降低渦流損耗； 提高輻射率； 增大散熱表面積以及使用散熱器； 提高耐熱性能； 采用冷卻技術(shù)。 2.4 真空斷路器的開(kāi)斷技術(shù)發(fā)展 經(jīng)過(guò)十

26、多年的發(fā)展，真空斷路器的開(kāi)斷技術(shù)有了較大提高，開(kāi)斷能力強(qiáng)、電壽命長(zhǎng)、可靠性高，滅弧室部分免維護(hù)，允許開(kāi)合額定短路開(kāi)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(chǎng)所。這些優(yōu)點(diǎn)是其它斷路器無(wú)法比擬的，特別適合在中壓CGIS中配置。 3 中壓CGIS的設(shè)計(jì) 3.1 中壓CGIS的總體設(shè)計(jì) 中壓C-GIS總體設(shè)計(jì)的核心是產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)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(kāi)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(dòng)及電熱穩(wěn)定性；同時(shí)還包括二次電氣元件的可靠性，如分合閘電磁鐵、輔助開(kāi)關(guān)、轉(zhuǎn)換開(kāi)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

27、：高壓開(kāi)關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)操作的可靠性和機(jī)械壽命，對(duì)運(yùn)輸震和地震破壞力的適應(yīng)性。 需要考慮的主要問(wèn)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(dòng)機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)、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CGIS 的總體結(jié)構(gòu)與元件配置 需要實(shí)現(xiàn)的一次主接線方案 根據(jù)一次主接線典型方案來(lái)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(guò)變換高壓元件、簡(jiǎn)單地改變結(jié)構(gòu)來(lái)盡可能多地實(shí)現(xiàn)各種不同的主接線。 由于對(duì)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(shí)與空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜有所不同。因在C-GIS柜內(nèi)配置了電壽命長(zhǎng)的真空斷

28、路器或SF6斷路器，國(guó)外各大電氣公司生產(chǎn)的中壓C-GIS均沒(méi)有線路側(cè)隔離開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)。如果在線路側(cè)設(shè)置隔離開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)（或故障關(guān)合接地開(kāi)關(guān)），當(dāng)誤操作后電弧造成的SF6分解物對(duì)柜內(nèi)的環(huán)境污染很大，勢(shì)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(shí)，常規(guī)接地開(kāi)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(guò)斷路器進(jìn)行接地操作即使誤操作也不會(huì)對(duì)柜內(nèi)環(huán)境造成污染，也就是說(shuō)不會(huì)對(duì)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(guò)斷路器允許的次數(shù)，整個(gè)柜子就不必要檢修，延長(zhǎng)了檢修周期，如果其它問(wèn)題處理的好在柜子的整個(gè)壽命期可以做到不檢修，對(duì)用戶有利。另外，

29、如果沒(méi)有線路側(cè)故障關(guān)合接地開(kāi)關(guān)后，該氣體隔室按無(wú)電弧分解物來(lái)考慮水分控制，對(duì)生產(chǎn)、運(yùn)行也極為有利。沒(méi)有線路側(cè)隔離開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)（或故障關(guān)合接地開(kāi)關(guān)）后，母線側(cè)三位置隔離開(kāi)關(guān)在隔離位置實(shí)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(shí)現(xiàn)線路側(cè)接地。這種主接線實(shí)際上對(duì)提高運(yùn)行可靠性是有利的。 可實(shí)現(xiàn)的一次主接線有單母線、單母線分段、雙母線、雙母線分段。 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(duì)總體結(jié)構(gòu)有限制要求。為了使母線在現(xiàn)場(chǎng)便于安裝，總體結(jié)構(gòu)自然就順應(yīng)母線結(jié)構(gòu)來(lái)確定了。一次主回路僅母線、三位置隔離開(kāi)關(guān)、斷路器三個(gè)主要模

30、塊，按它們之間的相對(duì)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(kāi)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(kāi)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(shí)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1240.5kVC-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2440.5kVC-G

31、IS、ABB公司ZX2型1240.5kVC-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(dú)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(kāi)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外形尺寸大大減小；專用的三位置隔離開(kāi)關(guān)及其操動(dòng)機(jī)構(gòu)，將隔離、接地復(fù)合為一體，在實(shí)現(xiàn)接通、隔離、接地功能的同時(shí)，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

32、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(chǎng)安裝和使用。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)小型化、柜體結(jié)構(gòu)布置靈活簡(jiǎn)便、可靠性高的中壓C-GIS。 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(cè)量柜等實(shí)現(xiàn)不同功能的柜型。 按實(shí)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(kāi)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)

33、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?，F(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(kāi)關(guān)均配真空斷路器，除此外還配有三位置隔離開(kāi)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(kāi)關(guān)多為配真空斷路器，也可以配負(fù)荷開(kāi)關(guān)或負(fù)荷開(kāi)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(kāi)關(guān)為真空斷路器，還配有三位置隔離開(kāi)關(guān)?？梢允亲舐?lián)絡(luò)，也可以是右聯(lián)絡(luò)，實(shí)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(kāi)關(guān)，配有母線電流

34、互感器、三位置隔離開(kāi)關(guān)。根據(jù)需要可配電壓互感器、避雷器。 在總體設(shè)計(jì)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(kāi)斷電流柜型是否能夠成系列。 母線結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代C-GIS中非常重要的一個(gè)元件就是母線聯(lián)接器，其作用是：當(dāng)產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)安裝拼柜時(shí)，在不打開(kāi)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(gè)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(shí)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

35、線+母線連接器。母線采用何種形式主要是與對(duì)制造精度要求的高低，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)是否涉及SF6氣體的處理、抽真空，現(xiàn)場(chǎng)安裝的方便程度有關(guān)。氣體絕緣母線現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)需要打開(kāi)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(cè)水分含量，一切現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)安裝時(shí)不需要打開(kāi)密封蓋板，前者用插接件將母線單相地連接起來(lái)，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(diǎn)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(duì)制造

36、、現(xiàn)場(chǎng)安裝的精度要求略低，前者對(duì)制造、現(xiàn)場(chǎng)安裝的精度要求較高。 斷路器 中壓CGIS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(kāi)斷能力強(qiáng)和電壽命高的優(yōu)點(diǎn)；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(guò)電壓?jiǎn)栴}。配SF6斷路器需要增加一個(gè)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(kāi)斷技術(shù)。在總體設(shè)計(jì)中也可嘗試即可配真空斷路器又可配SF6斷路器。 三位置隔離開(kāi)關(guān) 隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)復(fù)合化，組合成三位置隔離開(kāi)關(guān)減少了元件數(shù)，自然提高了可靠性。近年來(lái)各國(guó)開(kāi)發(fā)的中壓CGIS全部采用三位置隔離開(kāi)關(guān)。

37、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(hào)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。 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(kāi)關(guān)元件、傳感器等實(shí)現(xiàn)控制、保護(hù)、聯(lián)鎖、檢測(cè)等基本功能。如果需要常規(guī)二次亦可。 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(guò)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(guò)擴(kuò)展絕緣子實(shí)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(guò)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。 ZnO避雷器 使用插接式ZnO避雷器便于連接，且置于充室外部。

38、 3.1.2 中壓CGIS絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 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(jì)時(shí)考慮更多的是電場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)的能力，以及絕緣件表面場(chǎng)強(qiáng)、絕緣件內(nèi)部工作場(chǎng)強(qiáng)和支撐絕緣件殼體的表面場(chǎng)強(qiáng)。 絕緣結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是C-GIS設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)之一。主要有五方面的內(nèi)容：氣體間隙的電場(chǎng)設(shè)計(jì)、穿墻套管的設(shè)計(jì)、支柱絕緣子的設(shè)計(jì)、絕緣拉桿的設(shè)計(jì)、插接頭與座的設(shè)計(jì)。 C-GIS的絕緣結(jié)構(gòu)更多地吸收了GIS的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上結(jié)合C-GIS的具體要求和特點(diǎn)又有了較大的發(fā)展。絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的核心思想就是：優(yōu)化電極形狀，降低電場(chǎng)

39、強(qiáng)度，合理分布電場(chǎng)，提高可靠性。電場(chǎng)設(shè)計(jì)中需要采取措施去控制電場(chǎng)。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(kāi)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(kāi)關(guān)的電極等帶電部分與密封箱體之間的對(duì)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(chǎng)，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(shí)現(xiàn)電場(chǎng)衰減的結(jié)構(gòu)。SF6氣體、電極以及絕緣件接觸的部分會(huì)出現(xiàn)電場(chǎng)上升現(xiàn)象，對(duì)電場(chǎng)產(chǎn)生影響，成為絕緣上的薄弱點(diǎn)。 固體絕緣：采用環(huán)氧樹(shù)脂材料作絕緣介質(zhì)，芯部布置高壓導(dǎo)體，澆注成形

40、，表面通過(guò)液態(tài)金屬噴鍍法進(jìn)行鋅噴鍍或通過(guò)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(wàn)一發(fā)生碰撞、剝落，其端部就會(huì)造成局部放電的發(fā)生。因?yàn)楣腆w絕緣材料比SF6氣體的擊穿場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)，使電場(chǎng)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(shù)脂的表面上用該界面維持絕緣，與表面壓力、

41、界面光潔度、V-t特性有關(guān)。 對(duì)于場(chǎng)強(qiáng)高而集中的穿墻套管采取措施，改變電場(chǎng)分布，將高的場(chǎng)強(qiáng)作用于固體絕緣介質(zhì)上，使氣隙、沿面的場(chǎng)強(qiáng)大幅度下降，這樣的場(chǎng)強(qiáng)分布非常合理，對(duì)擊穿場(chǎng)強(qiáng)高的介質(zhì)作用于高電場(chǎng)強(qiáng)度，擊穿場(chǎng)強(qiáng)底的介質(zhì)作用于低電場(chǎng)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(guò)倒圓角避免出現(xiàn)尖端使局部電場(chǎng)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CGIS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(shí)復(fù)合使用，形成復(fù)

42、合絕緣結(jié)構(gòu)。 在低壓力SF6氣體中，通過(guò)加大電極間的氣隙距離已經(jīng)意義不大。在不均勻電場(chǎng)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(shì)，耐受電壓的提高很有限。只有通過(guò)改善電極形狀使之改善成為稍不均勻電場(chǎng)或均勻電場(chǎng)，才是提高耐受電壓的最有效途徑。 絕緣子的設(shè)計(jì)需要通過(guò)電場(chǎng)計(jì)算及優(yōu)化來(lái)完成。電場(chǎng)優(yōu)化的目的就是縮短開(kāi)發(fā)周期、高精度地開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、降低開(kāi)發(fā)費(fèi)用，同時(shí)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(chǎng)分布合理、尺寸合理、安全可靠。電場(chǎng)優(yōu)化的主要原則： 電場(chǎng)強(qiáng)度大?。嚎刂谱畲髨?chǎng)強(qiáng)在設(shè)計(jì)許用值以下，一般為許用場(chǎng)強(qiáng)的85%，這是優(yōu)化電場(chǎng)的首要目的。 電場(chǎng)強(qiáng)度方向：通過(guò)改變電極形狀、絕緣子

43、表面形狀來(lái)調(diào)整等位線分布及走向，控制絕緣件表面的場(chǎng)強(qiáng)方向，盡可能降低絕緣件表面的切向場(chǎng)強(qiáng)分量。 電場(chǎng)均勻度：通過(guò)控制電極使場(chǎng)強(qiáng)均勻，同時(shí)也可用控制電極合理分配場(chǎng)強(qiáng)，調(diào)整等位線分布，使擊穿場(chǎng)強(qiáng)高的固體絕緣材料承受更高的場(chǎng)強(qiáng)，而使擊穿場(chǎng)強(qiáng)低的氣體承受較低的場(chǎng)強(qiáng)。 電場(chǎng)屏蔽：對(duì)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(duì)絕緣的影響。 3.1.3 中壓CGIS SF6氣體充氣壓力的確定 首先中壓CGIS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： 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(duì)充氣殼體的強(qiáng)度、剛度

44、都會(huì)帶來(lái)制造上的問(wèn)題。 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。 在最低運(yùn)行溫度下不會(huì)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(huì)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。 氣體密封性，要考慮溫度、海拔對(duì)密封帶來(lái)的影響。 周圍環(huán)境的大氣壓力。當(dāng)中壓CGIS運(yùn)行于高海拔地區(qū)時(shí)，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(huì)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CGIS 設(shè)計(jì)中執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn) 中壓CGIS設(shè)計(jì)中依據(jù)的主要的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、電力部標(biāo)準(zhǔn)、

45、IEC標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3.1。 GB3906-1991、GB/T11022-1999、GB4208-1993、IEC62271-200:2002是總體設(shè)計(jì)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(jì)應(yīng)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。GB1985-2004、IEC 62271-102:2002是三位置隔離開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)應(yīng)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。GB11033-1989是電纜附件設(shè)計(jì)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(jì)與選用應(yīng)執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。此外對(duì)電子元件還應(yīng)考慮執(zhí)

46、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(shí)，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(guò)縫隙進(jìn)入箱內(nèi)。時(shí)間一長(zhǎng)，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(shí)有可能由于絕緣性能下降而導(dǎo)致事故，因此密封問(wèn)題必須十分重視。 針對(duì)中壓C-GIS SF6氣

47、體壓力低、機(jī)械壽命要求高、小型化的具體特點(diǎn)，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(jiǎn)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(jì)結(jié)構(gòu)、制造工藝、焊接工藝、檢驗(yàn)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(dòng)密封的壽命問(wèn)題。中壓CGIS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CGIS中采用的密封方法如下: 在充氣殼體設(shè)計(jì)時(shí)將容器的承力焊縫和氣密性焊縫分開(kāi)處理，容器的氣密性焊縫不承力，承力是靠

48、內(nèi)部筋板來(lái)承擔(dān)。這樣就不用擔(dān)心容器受力后的焊縫氣密性問(wèn)題。 在充氣殼體設(shè)計(jì)時(shí)將容器的承力焊縫和氣密性焊縫分開(kāi)處理，容器的氣密性焊縫不承力，承力是靠?jī)?nèi)部筋板來(lái)承擔(dān)。這樣就不用擔(dān)心容器受力后的焊縫氣密性問(wèn)題。以簡(jiǎn)化，仍可實(shí)現(xiàn)可靠的靜密封。 采用金屬波紋管制造技術(shù)將動(dòng)密封問(wèn)題轉(zhuǎn)變成端面靜密封問(wèn)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(diǎn)。 3.3 中壓CGIS充氣殼體的設(shè)計(jì) 3.3.1 箱形充氣殼體設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮的事項(xiàng) 確定充氣殼體設(shè)計(jì)壓力應(yīng)考慮的有關(guān)因素 a.根據(jù)中壓CGIS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(jì)壓力，至少是在設(shè)計(jì)溫度下外殼

49、能夠出現(xiàn)的壓力上限。設(shè)計(jì)溫度是周圍空氣溫度的上限加額定電流流過(guò)時(shí)氣體的溫升。 b.充氣殼體在使用過(guò)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(jì)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(shí)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(jì)壓力的最大值可參照下式計(jì)算： 設(shè)計(jì)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(diǎn)因素可能出現(xiàn)或計(jì)算出的最大壓力值就確定為設(shè)計(jì)壓力。 影響充氣殼

50、體形狀、結(jié)構(gòu)、外觀的有關(guān)因素 a.根據(jù)CGIS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(lái)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(shí)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)。 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(shí)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CGIS的額定電流等，尤其是按其使用目的來(lái)選擇和使

51、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(duì)稱的，同時(shí)又是薄壁容器，影響因素很多，很難用簡(jiǎn)單計(jì)算法進(jìn)行強(qiáng)度分析。因此，必須以有限元等方法用計(jì)算機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度的數(shù)值分析計(jì)算并優(yōu)化，用實(shí)際樣品進(jìn)行壓力試驗(yàn)。 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

52、. 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(yàn)證 箱形充氣殼體是CGIS的一個(gè)組成部件，需要作性能驗(yàn)證試驗(yàn)。 例行水壓試驗(yàn) 壓力耐受試驗(yàn) 氣密性試驗(yàn)，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CGIS 用斷路器的配置 中壓CGIS中配置的斷路器要求開(kāi)斷能力強(qiáng)、電壽命長(zhǎng)、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(kāi)斷能力強(qiáng)、電壽命長(zhǎng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。尤其是真

53、空滅弧室的絕緣性能好，觸頭開(kāi)距小，電弧電壓低，電弧能量小，開(kāi)斷時(shí)表面燒損輕微，滅弧室部分無(wú)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(kāi)合負(fù)載電流的壽命都在萬(wàn)次以上，允許開(kāi)合額定短路開(kāi)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(chǎng)所，這是其它斷路器無(wú)法比擬的，因此中壓CGIS中90配置的是真空斷路器。 CGIS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(méi)有必要像常規(guī)產(chǎn)品做得那樣長(zhǎng)，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(duì)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(wú)

54、需檢修，開(kāi)斷過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生很高的壓力，爆炸的危險(xiǎn)性小，開(kāi)斷短路電流時(shí)也沒(méi)有很大的噪聲。 真空斷路器在開(kāi)斷小電流時(shí)會(huì)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(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓，為安全起見(jiàn)應(yīng)在負(fù)載側(cè)考慮加裝過(guò)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(duì)中壓CGIS而言無(wú)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(guò)零時(shí)，靠動(dòng)、靜觸頭間產(chǎn)生的壓力差，形成吹弧的氣流來(lái)熄弧。這種壓差的建立要求觸頭間的開(kāi)距、行程均較大，

55、需要的操作功大。SF6滅弧室額定短路開(kāi)斷電流大、壽命長(zhǎng)，允許開(kāi)合額定短路開(kāi)斷電流的次數(shù)多在20次以上，機(jī)械壽命長(zhǎng)，開(kāi)斷小電流時(shí)無(wú)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(duì)C-GIS整體布置的特點(diǎn)和要求，充分利用深度尺寸同時(shí)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CGIS三位置隔離開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì) 三位置隔離開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)分為直動(dòng)的導(dǎo)電桿型與轉(zhuǎn)動(dòng)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

56、方向布置三相的側(cè)裝，均為三相機(jī)械聯(lián)動(dòng)。聯(lián)動(dòng)桿有兩種類型：轉(zhuǎn)動(dòng)式三相聯(lián)動(dòng)，可以是一根轉(zhuǎn)軸同時(shí)帶動(dòng)三相刀閘轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以是三根轉(zhuǎn)軸通過(guò)變換成為同時(shí)分別帶動(dòng)三相導(dǎo)電桿的直動(dòng)；平動(dòng)式三相聯(lián)動(dòng)，可以是一根拉桿同時(shí)帶動(dòng)三相刀閘轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以是由三根拉桿同時(shí)分別帶動(dòng)三相刀閘轉(zhuǎn)動(dòng)。 目前使用的三位置隔離開(kāi)關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、動(dòng)作原理多種多樣，是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)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70500mm2,根據(jù)額定電流大小具體選擇。 3.7 中壓CGIS電流、電壓互感器/傳感器的配

57、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CGIS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(jì)數(shù)器。 3.9 中壓CGIS的控制和保護(hù)單元 中壓CGIS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(jì)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(jì)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(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合具有控制、保護(hù)、測(cè)量、通訊、監(jiān)測(cè)、故障錄波和事件記錄等功能，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和故障的預(yù)測(cè)。 智能化中壓CGIS通過(guò)控制和保護(hù)單元監(jiān)測(cè)斷路器的工作狀態(tài)以及充氣殼體的SF6氣體壓力，控制

58、斷路器合分閘、三位置隔離開(kāi)關(guān)的操作，實(shí)現(xiàn)斷路器、三位置隔離開(kāi)關(guān)間的電氣聯(lián)鎖；測(cè)量線路電流、電壓、能量、頻率等參數(shù)，記錄故障信息，實(shí)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(duì)設(shè)備即時(shí)狀態(tài)的透徹了解，有助于開(kāi)展設(shè)備的狀態(tài)維護(hù)和故障預(yù)測(cè)，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CGIS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(cè)量值與狀態(tài)的采集、聯(lián)鎖、報(bào)警信號(hào)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(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)量接

59、口的控制單元，完成對(duì)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(bào)警信號(hào)的發(fā)出等。 控制和保護(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(kāi)關(guān)的控制、開(kāi)關(guān)柜的聯(lián)鎖及操作順序控制） ·測(cè)量 ·故障信號(hào)和報(bào)警 ·與上級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)的連接 ·通過(guò)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(jì)算值、有功功率、無(wú)功功率及操作次數(shù)、運(yùn)行時(shí)間等數(shù)據(jù)可以在液晶顯示器上顯示，報(bào)警和故障信號(hào)通過(guò)發(fā)光二極管、蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，并配合文字加以顯示。 ·通過(guò)光纜可以與上級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)連接。 3.9.2 中壓CGIS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(shí)，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(kāi)關(guān)位置傳感器。 ·斷路器彈簧儲(chǔ)能狀態(tài)傳感器。 3.9.3 中壓CGIS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(guò)程中或處于合閘位置時(shí)，三位置隔離開(kāi)關(guān)閉鎖，不能操作；