35kV气体绝缘开关设备国产化的若干问题

摘要：通过对中压C-GIS产品的发展现状和应用前景简单介绍，总结我国目前C-GIS国产化过程中的存在的一些问题，并提出可能的解决方案。

关键词：35kV 气体绝缘开关设备 国产化 解决方案

一、引言

随着社会、经济的不断发展，工程建设的复杂程度的加大，用户对开关设备小型化、免维护、智能化的要求越来越高。中压领域尤其是在35kV电压等级，常规的以空气为绝缘介质的开关柜普遍体积较大(柜宽不小于1200mm，体积一般不小于7m)，重量较重(一般不小于2t)，操作困难，尤其不能满足在高海拔、潮湿、污秽等恶劣环境条件下使用要求。在这种背景下，C-GIS越来越被引起广泛关注。

柜式气体绝缘金属封闭开关设备(Cubicle Gas-Insulated Switchgear)简称为C-GIS，是高压GIS产品在中压领域的拓展。它是采用低气压的SF6气体、N2气体或混合气体作为开关设备的绝缘介质，用真空或SF6为灭弧介质，将母线、断路器、隔离开关等中压元件集中密闭在箱体中，综合运用现代绝缘技术、开断技术、制造技术、传感技术、数字技术生产的集智能控制、保护、监视、测量、通讯于一体的高新技术产品。具有体积小、重量轻、安全性好、可靠性高、能适应恶劣环境条件下使用等优点。

近年来，气体绝缘开关设备在我国也得到了迅速地推广与应用，特别是随着我国城市电网建设和改造、轨道交通以及大型工矿企业等对开关设备提出了小型化、智能化、免维护、全工况等新的更高要求，高性能、高品质的充气柜在国内的需求越来越强烈。由于传统空气绝缘开关设备受环境条件(如高海拔、潮湿、盐雾、污秽、腐蚀等)的局限性，已不能满足冶金、石化、矿山以及沿海地区等用户的要求;城市地铁和轻轨、高层建筑、大型企业等场合，因占地面积、空间限制等因素，也必将选用35kV气体绝缘开关设备。35kVC-GIS产品具有广阔的应用前景，目前国内所使用的绝大部分为进口产品。但是，国外产品由于电压等级、35kV电力系统中性点接地方式的差异，还不能完全满足国内用户的使用，因此必须加快国内C-GIS产品的研发、制造步伐。

二、35kV气体绝缘开关设备发展现状

1982年西门子公司首次在汉诺威展览会上展出了8DA10/8DB10型配真空断路器的SF6气体绝缘开关设备。之后，国外许多制造公司纷纷效仿，各自开发了自己的产品。不同的充气柜结构形式差别很大：一种是铝筒封闭式，一种是钢板封闭式。前者外形象高压SF6封闭式组合电器，后者外形象一般空气绝缘的开关柜。钢板封闭式与铝筒封闭式相比，具有较低的成本、较好的环境协调性和适应性，更容易被用户所接受。就35kV电压等级而言，目前出现较多的主要有：ABB公司的ZV2、ZX2，SEIMENS公司的NXPLUS，ALOSTOM公司的WS，三菱公司的30-GX等，额定电流最大到2500A，额定短路开断电流一般为25或31.5kA ，有个别公司达到40kA，依据额定电流大小，宽度尺寸一般为600mm或800mm。随着计算机技术、传感技术的不断发展，国外C-GIS已在智能化方面取得较大突破，可靠性、安全性进一步得到提高。

我国柜式充气柜的研发起步较晚，上世纪90年代，一些科研院所和部分企业开始了C-GIS的研制工作，到本世纪，有更多的企业参加进来，研发方向主要集中在35kV电压等级产品。除一些合资企业直接引进母公司技术组装生产外，大部分C-GIS生产厂家都是采用引进技术生产，还无法掌握其核心技术。目前只有以西安高压电器研究所为代表的少数单位自主研发，完成了型式试验，有个别生产厂家通过了产品鉴定。国内产品设计参数一般额定电流为1250A，额定短路开断电流为25kA ，宽度尺寸一般为800mm。国内产品设计中大量采用国际先进技术，产品的技术水平基本达到了国际同类产品先进水平。但是，由于制造工艺等原因，大部分生产厂家还是停留在生产摸索阶段，还无法向用户提供满意的产品。

三、35kV气体绝缘开关设备国产化过程中存在问题

由于充气柜市场的“蛋糕”十分诱人，国内企业纷纷加入到充气柜的研发中来，希望通过35kV气体绝缘开关设备的产品研制来调整企业产品结构。或者引进产品，或者是合作生产，或者是自己研制。35kVC-GIS产品既不同于高压GIS，也不同于常规空气绝缘的开关柜，开发难度大、周期长、需要花费大量的人力、物力和财力，国产化的进程速度缓慢。无论采用何种方式，企业都必须要有明确自身定位，都必须要认真思考一些问题，有利于减少35kV气体绝缘开关设备国产化过程中的失误。

1.慎重选择产品结构形式。

C-GIS产品都采取了简化的一次主接线方式，从母线连接技术来分，大致有两种结构形式：一种是气体绝缘母线，安装时必须在现场充气;另一种为固体绝缘母线，目前一般都采用了插接式母线技术，利用界面绝缘来实现柜与柜之间主母线的连通，现场不需要充气。

两种方式各有优缺点：第一种方式由于现场涉及到气体处理，需要专门的抽真空、充气设备，给安装带来不便，同时也受安装环境的限制，有可能导致灰尘、导电微粒等杂质进入气室中，影响开关设备的绝缘性能;第二种方式虽避免了上述问题，但也带来新问题。界面绝缘只要配合精确(一般要保证0.2MPa的接触压力)，长期运行应该是很可靠的，但是，运用到35kV柜与柜之间的连接上来，似乎显得不可靠。众所周知，开关设备箱体体的焊接肯定存在一定的变形，对于3mm或4mm不锈钢板的焊接，变形比普通碳钢板大，变形的存在影响了柜间连接的尺寸精度;开关柜的安装地平也存在误差(一般技术条件规定为小于1mm/m，实际制作的地平还达不到这个要求);两种因素的综合作用无法有效保证界面绝缘的均匀性、可靠性，界面接触的不均匀还会加速硅橡胶的老化。有些产品也曾做了一些防范措施如预制开关柜安装地基，减小安装地平误差对绝缘的影响，但效果并不理想。笔者曾多次碰到由于制造误差、安装误差导致气体绝缘开关设备界面绝缘破坏的现象。

主母线的连接型式决定了C-GIS的总体结构，制造企业在产品开发以前要慎重选择。如何扬长避短，设计出用户满意的产品。

2.重视C-GIS产品设计中的电场分布。

35kV气体绝缘开关设备中通常使用低压力的SF6气体为绝缘介质。SF6气体绝缘主要使用的是稍不均匀电场，电场的不均匀程度对SF6气体击穿电压的影响较大，因此，在绝缘结构设计时要采取各种措施避免电场不均匀的负面影响。

SF6气体中绝缘结构设计通常采用经验公式估算、理论分析计算与试验相结合的方法。尤其要重视试验，通过试验，不断修正电场分布，达到理想的绝缘效果。绝缘结构设计要特别注意以下几个方面：

(1)单纯拉大电极之间的间隙距离，提高的击穿电压值有限。随着电极距离的拉大，电场不均匀程度也增加，击穿电压的增加愈来愈慢。更重要的是如何改善气室内电场分布。

(2)充分发挥固体绝缘介质的优势，有效减小绝缘结构的尺寸。由于固体绝缘介质击穿强度比SF6气体高，设计时应使固体介质承受较高电场强度，而气体和固体绝缘表面承受较低的电场强度。可以采用内置屏蔽电极，改变场强分布的办法来实现。

(3)特别注意三重物质接触点的作用。固体绝缘、电极、气体三者交界部位，由于介电常数的不同，容易引起介电常数小的一侧电场强度升高，发展为沿面闪络。电极与固体绝缘接触部位，容易形成楔形气隙，导致局部场强升高。三重点部分绝缘结构设计中，固体绝缘表面形状设计要合理，尽量使局部电场强度升高人为控制在专门设计的凹坑内，电极形状与加工光洁度也要修正。