摘要：通過(guò)對(duì)中壓C-GIS產(chǎn)品的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景簡(jiǎn)單介紹，總結(jié)我國(guó)目前C-GIS國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中的存在的一些問(wèn)題，并提出可能的解決方案。

關(guān)鍵詞：35kV 氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備 國(guó)產(chǎn)化 解決方案

一、引言

隨著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，工程建設(shè)的復(fù)雜程度的加大，用戶對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備小型化、免維護(hù)、智能化的要求越來(lái)越高。中壓領(lǐng)域尤其是在35kV電壓等級(jí)，常規(guī)的以空氣為絕緣介質(zhì)的開(kāi)關(guān)柜普遍體積較大(柜寬不小于1200mm，體積一般不小于7m)，重量較重(一般不小于2t)，操作困難，尤其不能滿足在高海拔、潮濕、污穢等惡劣環(huán)境條件下使用要求。在這種背景下，C-GIS越來(lái)越被引起廣泛關(guān)注。

柜式氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(Cubicle Gas-Insulated Switchgear)簡(jiǎn)稱為C-GIS，是高壓GIS產(chǎn)品在中壓領(lǐng)域的拓展。它是采用低氣壓的SF6氣體、N2氣體或混合氣體作為開(kāi)關(guān)設(shè)備的絕緣介質(zhì)，用真空或SF6為滅弧介質(zhì)，將母線、斷路器、隔離開(kāi)關(guān)等中壓元件集中密閉在箱體中，綜合運(yùn)用現(xiàn)代絕緣技術(shù)、開(kāi)斷技術(shù)、制造技術(shù)、傳感技術(shù)、數(shù)字技術(shù)生產(chǎn)的集智能控制、保護(hù)、監(jiān)視、測(cè)量、通訊于一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。具有體積小、重量輕、安全性好、可靠性高、能適應(yīng)惡劣環(huán)境條件下使用等優(yōu)點(diǎn)。

近年來(lái)，氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備在我國(guó)也得到了迅速地推廣與應(yīng)用，特別是隨著我國(guó)城市電網(wǎng)建設(shè)和改造、軌道交通以及大型工礦企業(yè)等對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備提出了小型化、智能化、免維護(hù)、全工況等新的更高要求，高性能、高品質(zhì)的充氣柜在國(guó)內(nèi)的需求越來(lái)越強(qiáng)烈。由于傳統(tǒng)空氣絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備受環(huán)境條件(如高海拔、潮濕、鹽霧、污穢、腐蝕等)的局限性，已不能滿足冶金、石化、礦山以及沿海地區(qū)等用戶的要求;城市地鐵和輕軌、高層建筑、大型企業(yè)等場(chǎng)合，因占地面積、空間限制等因素，也必將選用35kV氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備。35kVC-GIS產(chǎn)品具有廣闊的應(yīng)用前景，目前國(guó)內(nèi)所使用的絕大部分為進(jìn)口產(chǎn)品。但是，國(guó)外產(chǎn)品由于電壓等級(jí)、35kV電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式的差異，還不能完全滿足國(guó)內(nèi)用戶的使用，因此必須加快國(guó)內(nèi)C-GIS產(chǎn)品的研發(fā)、制造步伐。

二、35kV氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備發(fā)展現(xiàn)狀

1982年西門(mén)子公司首次在漢諾威展覽會(huì)上展出了8DA10/8DB10型配真空斷路器的SF6氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備。之后，國(guó)外許多制造公司紛紛效仿，各自開(kāi)發(fā)了自己的產(chǎn)品。不同的充氣柜結(jié)構(gòu)形式差別很大：一種是鋁筒封閉式，一種是鋼板封閉式。前者外形象高壓SF6封閉式組合電器，后者外形象一般空氣絕緣的開(kāi)關(guān)柜。鋼板封閉式與鋁筒封閉式相比，具有較低的成本、較好的環(huán)境協(xié)調(diào)性和適應(yīng)性，更容易被用戶所接受。就35kV電壓等級(jí)而言，目前出現(xiàn)較多的主要有：ABB公司的ZV2、ZX2，SEIMENS公司的NXPLUS，ALOSTOM公司的WS，三菱公司的30-GX等，額定電流最大到2500A，額定短路開(kāi)斷電流一般為25或31.5kA ，有個(gè)別公司達(dá)到40kA，依據(jù)額定電流大小，寬度尺寸一般為600mm或800mm。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)外C-GIS已在智能化方面取得較大突破，可靠性、安全性進(jìn)一步得到提高。

我國(guó)柜式充氣柜的研發(fā)起步較晚，上世紀(jì)90年代，一些科研院所和部分企業(yè)開(kāi)始了C-GIS的研制工作，到本世紀(jì)，有更多的企業(yè)參加進(jìn)來(lái)，研發(fā)方向主要集中在35kV電壓等級(jí)產(chǎn)品。除一些合資企業(yè)直接引進(jìn)母公司技術(shù)組裝生產(chǎn)外，大部分C-GIS生產(chǎn)廠家都是采用引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)，還無(wú)法掌握其核心技術(shù)。目前只有以西安高壓電器研究所為代表的少數(shù)單位自主研發(fā)，完成了型式試驗(yàn)，有個(gè)別生產(chǎn)廠家通過(guò)了產(chǎn)品鑒定。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)一般額定電流為1250A，額定短路開(kāi)斷電流為25kA ，寬度尺寸一般為800mm。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中大量采用國(guó)際先進(jìn)技術(shù)，產(chǎn)品的技術(shù)水平基本達(dá)到了國(guó)際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。但是，由于制造工藝等原因，大部分生產(chǎn)廠家還是停留在生產(chǎn)摸索階段，還無(wú)法向用戶提供滿意的產(chǎn)品。

三、35kV氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中存在問(wèn)題

由于充氣柜市場(chǎng)的“蛋糕”十分誘人，國(guó)內(nèi)企業(yè)紛紛加入到充氣柜的研發(fā)中來(lái)，希望通過(guò)35kV氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備的產(chǎn)品研制來(lái)調(diào)整企業(yè)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。或者引進(jìn)產(chǎn)品，或者是合作生產(chǎn)，或者是自己研制。35kVC-GIS產(chǎn)品既不同于高壓GIS，也不同于常規(guī)空氣絕緣的開(kāi)關(guān)柜，開(kāi)發(fā)難度大、周期長(zhǎng)、需要花費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，國(guó)產(chǎn)化的進(jìn)程速度緩慢。無(wú)論采用何種方式，企業(yè)都必須要有明確自身定位，都必須要認(rèn)真思考一些問(wèn)題，有利于減少35kV氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化過(guò)程中的失誤。

1.慎重選擇產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式。

C-GIS產(chǎn)品都采取了簡(jiǎn)化的一次主接線方式，從母線連接技術(shù)來(lái)分，大致有兩種結(jié)構(gòu)形式：一種是氣體絕緣母線，安裝時(shí)必須在現(xiàn)場(chǎng)充氣;另一種為固體絕緣母線，目前一般都采用了插接式母線技術(shù)，利用界面絕緣來(lái)實(shí)現(xiàn)柜與柜之間主母線的連通，現(xiàn)場(chǎng)不需要充氣。

兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：第一種方式由于現(xiàn)場(chǎng)涉及到氣體處理，需要專門(mén)的抽真空、充氣設(shè)備，給安裝帶來(lái)不便，同時(shí)也受安裝環(huán)境的限制，有可能導(dǎo)致灰塵、導(dǎo)電微粒等雜質(zhì)進(jìn)入氣室中，影響開(kāi)關(guān)設(shè)備的絕緣性能;第二種方式雖避免了上述問(wèn)題，但也帶來(lái)新問(wèn)題。界面絕緣只要配合精確(一般要保證0.2MPa的接觸壓力)，長(zhǎng)期運(yùn)行應(yīng)該是很可靠的，但是，運(yùn)用到35kV柜與柜之間的連接上來(lái)，似乎顯得不可靠。眾所周知，開(kāi)關(guān)設(shè)備箱體體的焊接肯定存在一定的變形，對(duì)于3mm或4mm不銹鋼板的焊接，變形比普通碳鋼板大，變形的存在影響了柜間連接的尺寸精度;開(kāi)關(guān)柜的安裝地平也存在誤差(一般技術(shù)條件規(guī)定為小于1mm/m，實(shí)際制作的地平還達(dá)不到這個(gè)要求);兩種因素的綜合作用無(wú)法有效保證界面絕緣的均勻性、可靠性，界面接觸的不均勻還會(huì)加速硅橡膠的老化。有些產(chǎn)品也曾做了一些防范措施如預(yù)制開(kāi)關(guān)柜安裝地基，減小安裝地平誤差對(duì)絕緣的影響，但效果并不理想。筆者曾多次碰到由于制造誤差、安裝誤差導(dǎo)致氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備界面絕緣破壞的現(xiàn)象。

主母線的連接型式?jīng)Q定了C-GIS的總體結(jié)構(gòu)，制造企業(yè)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)以前要慎重選擇。如何揚(yáng)長(zhǎng)避短，設(shè)計(jì)出用戶滿意的產(chǎn)品。

2.重視C-GIS產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的電場(chǎng)分布。

35kV氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備中通常使用低壓力的SF6氣體為絕緣介質(zhì)。SF6氣體絕緣主要使用的是稍不均勻電場(chǎng)，電場(chǎng)的不均勻程度對(duì)SF6氣體擊穿電壓的影響較大，因此，在絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要采取各種措施避免電場(chǎng)不均勻的負(fù)面影響。

SF6氣體中絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常采用經(jīng)驗(yàn)公式估算、理論分析計(jì)算與試驗(yàn)相結(jié)合的方法。尤其要重視試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)，不斷修正電場(chǎng)分布，達(dá)到理想的絕緣效果。絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要特別注意以下幾個(gè)方面：

(1)單純拉大電極之間的間隙距離，提高的擊穿電壓值有限。隨著電極距離的拉大，電場(chǎng)不均勻程度也增加，擊穿電壓的增加愈來(lái)愈慢。更重要的是如何改善氣室內(nèi)電場(chǎng)分布。

(2)充分發(fā)揮固體絕緣介質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，有效減小絕緣結(jié)構(gòu)的尺寸。由于固體絕緣介質(zhì)擊穿強(qiáng)度比SF6氣體高，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使固體介質(zhì)承受較高電場(chǎng)強(qiáng)度，而氣體和固體絕緣表面承受較低的電場(chǎng)強(qiáng)度。可以采用內(nèi)置屏蔽電極，改變場(chǎng)強(qiáng)分布的辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

(3)特別注意三重物質(zhì)接觸點(diǎn)的作用。固體絕緣、電極、氣體三者交界部位，由于介電常數(shù)的不同，容易引起介電常數(shù)小的一側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度升高，發(fā)展為沿面閃絡(luò)。電極與固體絕緣接觸部位，容易形成楔形氣隙，導(dǎo)致局部場(chǎng)強(qiáng)升高。三重點(diǎn)部分絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，固體絕緣表面形狀設(shè)計(jì)要合理，盡量使局部電場(chǎng)強(qiáng)度升高人為控制在專門(mén)設(shè)計(jì)的凹坑內(nèi)，電極形狀與加工光潔度也要修正。