张卓为

（浙江省电力设计院，杭州 310012）

在电压等级220/110/20kV的变电站中，低压侧往往出线规模大、无功补偿组数多、接线方式相对复杂，使得20kV开关柜数量多，20kV配电装置室占地面积比较大。低压侧若使用柜式气体绝缘金属封闭开关设备（C-GIS），则能显著减小20kV配电装置室面积，从而减小变电站总体占地面积。结合桐乡220kV安兴变电站设计方案，对20kV C-GIS的设计应用进行探讨。

1 安兴变电站20kV侧电气接线和布置

220kV安兴变电站低压侧接线为：主变压器进线3回、出线24回、无功补偿装置12组、所变压器2台，单母线四分段环行＋单母线接线，每段母线设母线柜（含电压互感器和避雷器）。远景接线示意见图1。

220kV安兴变电站的20kV配电装置采用开关柜户内单列布置，开关柜共需52台。如果按常规采用金属铠装移开式开关柜，单台开关柜宽度1 m计算，20kV配电装置室长度达到57 m。如果采用小型化设备C-GIS，额定电流为3150 A或2500 A的大电流柜，如主变压器柜，分段柜，复杂结构柜，如母线桥进线电缆出线的2号所变压器柜、装设电压互感器和避雷器的母线柜，单台宽度可控制在0.8 m，其它开关柜单台宽度可控制在0.5 m。采用C-GIS后，20kV配电装置室长度36.6 m，建筑面积相对减少122.4 m2。在安兴变电站中，20kV配电装置室布置在主变场地环形道路以内，其长度恰恰制约着总平面的横向尺寸内，采用20kV C-GIS后，变电站占地面积可减少609 m2。

2 20kV C-GIS应用分析

2.1 C-GIS主要结构

C-GIS是GIS的充气绝缘技术、密封技术与铠装开关柜的制造技术相结合的设备。ABB、Alstom、施耐德、西门子、日立、三菱、上海天灵等公司都有7.2～40.5kV C-GIS产品，其结构分为：由低表压的绝缘气体作为绝缘介质的高压室（即气箱）、由空气作为绝缘介质的二次室和电缆室。

高压室：一次高压带电体（断路器、三工位开关、母线及相互连接）全被密封在气箱内。气箱内充绝缘气体；箱内气体压力与大气压的压差小于0.05 MPa。由于气箱内外压差低、气箱密闭性好，箱内气体年泄漏率一般小于0.1%。大多数C-GIS的高压室为1～2个气箱，每个气箱都有独立的气体系统，互不影响，积木式插接。气箱封装后无须也无法对其内部元件进行调整和维修，断路器一般采用真空断路器。

C-GIS不设馈线侧隔离开关和接地开关，仅在母线侧设分闸、合闸、接地三工位隔离开关，以简化C-GIS接线。馈线侧接地经下列操作实现：断路器断开－三工位隔离开关分闸位置—三工位隔离开关接地位置—断路器合闸—实现馈线侧接地。气箱内充的绝缘气体一般为SF6，绝缘强度优于压缩空气或N2，但对大气的温室效应是CO2的23900倍。从保护环境的角度出发，宜尽量减少SF6的使用。可以使用SF6与N2混合气体（如10%SF6+90%N2），通过均匀电场来达到绝缘要求。正常情况下，SF6气体不会接触高温电弧而分解。但在故障状态下，SF6气体在电弧电晕作用下可能分解，产生有害物质。因此，20kV配电装置室内须设有可以室外控制的排风机。

二次室：布置二次回路、控制和保护单元。根据需要可实现控制、保护、测量、通信、显示、故障录波和事件记录等功能，并可实现运行状况实时监测和故障预测；具备可视界面，以便巡视检修。

电缆室：根据需要布置电缆头、电流互感器、电压互感器、避雷器。互感器采用环氧树脂浇注式或电子式。主回路与电缆、互感器、避雷器等元件的连接采用固体界面绝缘插接技术，实现插拔式安装。根据需要可预留插接孔；预留的插接孔不用时，用专用绝缘封堵件封上即可。

柜间连接采用固体绝缘母线、固体界面绝缘技术，如硅橡胶连接器，无需改变或移动原有柜体，即可在原有柜体两侧进行扩展或更换中间柜。

2.2 C-GIS的优点

与常规的金属铠装移开式开关柜相比，CGIS有以下优点：

（1）体积小。控制C-GIS柜体尺寸的因素主要是绝缘、结构、散热面积。大电流或复杂结构20kV C-GIS的占地面积约为金属铠装移开式开关柜的1/2，其他20kV C-GIS的占地面积约为金属铠装移开式开关柜的1/3。

（2）绝缘可靠性高，环境适应性强。由于高压带电体及其连接部分采用绝缘性能优良的气体密封绝缘，能实现不受环境如大气条件、湿度、海拔、小动物、氧化腐蚀等因素的影响，运行可靠性高，减少了配电系统的绝缘故障率（绝缘故障约占配电系统故障30%）。

（3）密封部分免维护。C-GIS能节省维护成本，降低维护风险（维护引发故障约占配电系统人为故障30%）。

（4）运行成本低。C-GIS主回路电阻小，运行能耗小，符合国网公司全生命周期成本（LCC）理念。

（5）电气安全性高。C-GIS产品没有外露的高压带电体，可以保障运维人员的电气安全性。

图1 安兴变电站20kV侧电气接线

3 浙江省变电站标准化设计对20kV CGIS的要求

3.1 参数要求

（1）额定电流、额定短路开断电流要求。按照浙江省220kV（20kV）变电站标准化设计的要求，20kV侧主变、分段开关柜的额定电流要求3150 A，其他开关柜的额定电流要求1250 A；柜内断路器开断电流值要求25 kA。

目前大多数公司20kV C-GIS产品的额定电流均满足2500 A，额定短路开断电流满足31.5 kA；部分公司（如上海天灵）C-GIS产品的额定电流可达到3150 A，并能完全自然冷却，额定短路开断电流可达40 kA。

（2）绝缘水平要求。20kV电气设备的绝缘水平由雷电冲击耐压值决定，以避雷器雷电冲击10 kA可达到残压为基准，配合系数不小于1.4。20kV电气设备绝缘水平要求如下：1 min工频耐压（有效值）：对地65kV，断口间79kV；雷电冲击耐压：对地125kV，断口间145kV，20kV C-GIS产品普遍能满足要求。

（3）外绝缘泄漏距离要求。根据DL/T 404-2007《3.6kV～40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》[1]要求，金属封闭开关设备内外绝缘件的最小标称爬电比距为18 mm/kV（瓷质）、20 mm/kV（有机）。20kV屋内电气设备外绝缘泄漏距离应为 432 mm（瓷质），480 mm（有机），20kV CGIS产品普遍能满足要求。

3.2 元件要求

（1）真空断路器要求不产生危害性过电压。

（2）隔离开关应能切断小电流（如断路器的充电电流），而不产生可能引起控制回路瞬时过电压或在外壳上瞬时电位升高的瞬时过电压。

（3）开关柜的安装、操作、扩展及更换无需涉及SF6气体操作。充气式开关柜在正常运行时，应能在不停电的情况下安全进行气体取样等检验工作。

3.3 允许进出线方式要求

要求20kV C-GIS能实现母线桥进线（1号、2号主变进线柜）、电缆进线 （3号主变进线柜）、电缆出线 （电缆出线柜）、母线桥进线电缆出线（2号所变柜）等进出线方式，每相可连接1～3根电缆。

个别C-GIS产品不能实现母线桥进线及母线桥进线电缆出线的方式，故在设备招标时应注意标明要求的进出线方式。罕有C-GIS产品能实现同时母线桥进出线或同时电缆进出线，这2种进出线方式也鲜有需求。

4 20kV C-GIS经济分析

通过询价，在能满足设计参数要求的20kV C-GIS产品中，部分C-GIS的造价可控制在浙江省220kV（20kV）变电站标准化设计通用造价之内。按远景规模，对充SF6型C-GIS作经济分析见表1。

表1 设备造价分析

如果考虑环境友好型尽量少用SF6，可采用充混合气体的C-GIS（例如充10%SF6+90%氮气）则造价较充纯SF6型增加约15%～20%。部分合资品牌的20kV C-GIS造价较上表约增加15%～30%。

可见，20kV C-GIS的价格并非高不可攀。而且，采用20kV C-GIS，土建费用明显减少。在安兴变电站中，采用20kV C-GIS后，建筑面积减少122.4 m2，节省投资24.48万元；变电站占地面积减少609 m2，节省投资22.86万元；共计减少土建费用47.34万元。

综合来看，采用20kV C-GIS的性价比颇为优良。

5 C-GIS应用中须注意的问题

5.1 C-GIS对安装地坪平整度要求高

C-GIS对安装地坪平整度要求高，一般要求在整个C-GIS运行年限内（如30年），安装地坪误差小于1 mm/m且C-GIS整体安装地坪误差小于5 mm。浙江部分地区存在不均匀沉降，投产后时间越久，安装地坪的水平标高差越大。由于CGIS柜间连接母线采用固体界面绝缘技术，一旦安装地坪误差超出C-GIS的承受范围，会产生界面接触不均匀，会影响气室密封性。因此，在220kV安兴变电站中，对20kV配电装置室安装地坪采取了架空、整体现浇、校准地平误差的措施。

5.2 泄压通道

为防备异常情况下C-GIS的气体外泄，CGIS应考虑泄压通道。个别C-GIS设内置泄压通道，大部分C-GIS要求外部空间具备泄压通道。对要求外部空间具备泄压通道的C-GIS，土建预留在安装地坪下的高压电缆安装孔、柜体上方没有母线桥的空间，即可作为泄压通道。泄压通道不应朝向操作人员。

5.3 监测

现代监测技术或智能化技术可进行状态监视，变定期维护为状态维护。除了常规的断路器机械故障、母线异常温升、局放、故障电弧等监测外，C-GIS还需要监测所充灌的绝缘气体。例如对充SF6的C-GIS，需要监测SF6气体密度和SF6气体含水量，SF6气体密度决定了SF6气室内的绝缘强度。而当SF6气体中的水分含量若超过饱和值时，水分就可能凝结在固体绝缘件的表面，降低其沿面闪络电压。

6 结语

通常认为，限制C-GIS取代常规空气绝缘开关柜的因素为其额定电流和价格。从上述分析可知，20kV C-GIS满足浙江省220kV（20kV）标准化变电站要求的性能条件，且造价可控制在标准化设计通用造价之内。C-GIS有尺寸小、绝缘可靠性高、运行维护成本低的优点，能减小20kV配电装置室建筑面积，减少变电站占地面积。在C-GIS实际应用时，须注意保证其安装地坪在整个C-GIS运行年限内的平整度。

[1]DL/T 404-20073.6kV～40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备[S].北京：中国电力出版社，2008.

[2]王金刚.中压C-GIS（充气柜）发展方向及技术问题[J].电力设备，2005，6（2）∶121-122.