摘要：介绍了中压充气柜的概念、分类及其优势，重点分析了生产中压充气柜必须解决的气体泄漏、气体水份含量、零部件可靠性等技术难题，阐述了解决这些技术难题的方法和目前可采用的激光切割、激光焊接、氦检漏等先进的制造工艺。
关键词：充气环网柜；C-GIS；优势；技术难题；制造工艺
前言：随着城市高楼大厦的崛起、生活小区的形成以及生产的集团化和规模化，国内电网建设与改造不断加速，配电电压从以前的380V提升到10KV，进而从10KV上升到20KV或35KV。《全国供用电规程》规定，凡送电容量超过160KVA，或用电容量超过250KW，则要求上高压，需要高压送电给负荷中心；随之对开关柜的要求不断提高，如智能化、小型化、免维护、全工况等；一种气体绝缘开关设备——俗称充气柜的中压充气柜近年来在国外迅速发展，在国内也已大量采用。
1、概念
中压箱式气体绝缘金属封闭开关设备（简称C-GIS）是将一次回路主元件装在密封的金属箱体中，内充稍高于大气压的SF6气体或其混合气体作为绝缘介质。并以电缆终端作为进出线，整个高压系统处于完全封闭的状态，不受外界环境条件影响。是整体小型化、高可靠性、免维护的气体绝缘开关设备。
1.1 C-GIS 的优点
1）小型化。如40.5kV电压等级的C－GIS占地面积、体积与12kV的空气绝缘柜相当。
2）可靠性高，不受环境影响。
3）免维护或少维护。
4）现场安装方便。
1.2 C-GIS 的用途
在环境条件比较恶劣的地区和污染严重的地方，最佳的中压配电设备就是C－GIS。
在人口密集的地区、大型工矿企业、高层建筑等场合，因占地面积、空间限制，需要使用这种设备。我国诸多城市正在建设或筹建地铁、轻轨，每条地铁线路需要C－GIS约200面。
2、气体绝缘开关设备的优势
气体绝缘开关设备（C—GS 充气柜）是将高压元件诸如母线、断路器、隔离开关、互感器和电力电缆等封闭在充有较低压力（一般 0.02～0.05 MPa）气体的壳体内。它有如下优点：一是利用SF6气体绝缘，大大缩小了充气柜的体积及占地面积，有利于向小型化发展。二是因为高压元件封闭在充SF6气体或者其他气体的壳体内，故不受外界环境的影响。三是配用了免维护的真空断路器，大大提高了可靠性。
气体绝缘开关设备可用于极其恶劣的环境条件下。如温度变化大和高湿环境（如湿热带地区），高温及低温地区（如沙漠地区和南北极地区）、环境中含有自然物质（如沿海盐雾、工业粉尘）或化学性腐蚀物质（化工厂、炼油厂）的地方、还有地震区、有振动场合，高海拔地区以及安装受到限制的地方。
中压充气柜早已打入中国市场，如用于城网、地铁和铁道以及海拔最高的青藏铁路等。这里举上海应用西门子充气柜的两三个事例。
几年前，上海电力部门在人口稠密的静安寺附近建一座 252/126/40.5 kV降压站，经拆迁征地 50 m×60 m。但开关设备需要 35面，若用常规开关设备根本无法排布，最后采用西门子 8DA10/8DB10 型充气柜，才建成一座降压容量为 540 MV • A的变电站。上海集装箱海港、货物吞吐量很大，使用西门子充气柜，从未断过电，确保了供电安全。上海地铁也有使用西门子充气柜的。作为西门子输配电工程中一个典型的业绩，西门子成功参与了青藏铁路的供货。这条铁路长达1142 km。西门子在铁路沿线参与建设多个变电站，并提供了202间隔40.5 kV 8DA10型充气柜，13间隔12 k V NXplus C型充气柜。其中还包括为世界上最高的变电站——唐古拉变电站提供产品。
我国城市轨道交通的发展，城网建设的加快，大都市的快速崛起，都为充气柜提供了很大的发展空间。
3、充气柜的结构
充气柜现有两种外形上差异很大的结构形式。一种为圆筒形结构，另一种为柜式结构。前者很像高压GIS，后者却很像一般金属封闭开关柜。
圆筒形充气柜有三相共筒式和分相式两种结构。柜体材料有铸铝合金，也有钢板卷制。西门子8DA10/8DB10 型为铝筒分相式，Areva 的W1型为钢板三相共筒式。平高公司40.5 kV充气柜为铝筒分相式，平开华明公司的40.5 kV充气柜也为金属筒分相式。
充气柜式结构有各种形式，其主要区别在于：①气室的设置，有3气室、两气室和单气室。②一次回路中母线、3工位开关和真空断路器的排布方式，大致可分为3类：一类上中下布置，二类下中上布置，三类后中前布置。以第一类布置居多。
气室的设置现多为单气室和两气室。单气室结构简单，制造容易，成本低，但气室内元件在一起，容易相互影响，可靠性差。多气室结构复杂，制造难度大，成本高，但模块更换容易，可免除多元件相互影响，安全性高。
充气柜有12 kV级和40.5 kV级，但40.5 kV最能体现充气柜的优势，因此国外制造商的充气柜并不是都从12 kV到40.5 kV成系列，多数厂商开发充气柜从40.5 kV电压等级做起，并不一定延伸到12 kV等级产品。对40.5 kV充气柜来说，一般做到额定电流1 250/1 600/2 000/2 500 A，额定短路开断电流25/31.5 kA。
40.5 kV充气柜的优势特别表现在减少占地面积方面，ABB公司 ZX2型 40.5 kV充气柜占地面积仅为2 300 mm×600 mm×1 700 mm（长×宽×高）。这对城网建设和改造来说特别适用。
1982年西门子率先推出中压气体绝缘开关设备（国内俗称充气柜）。当时充气柜为8DA10/8DB10型。截 止1999年，西门子已向世 界上54个国家400多个用户提供了8DA10/8DB10型充气柜22 222间隔，1982～2002年的20年中，西门子共生产8DA10/8DB10型等系列充气柜30 000间隔。如果将这些产品排成行，长度达18 km。西门子充气柜在德国法兰克福开关厂生产，该厂现集中力量生产气体绝缘开关设备（包括环网柜）。充气柜加环网柜每年产量约为45 000间隔。为此该厂每年加工钢板10 000 t以上，加工VZA优质钢铁3 000 t，加工钢材1 000 t以上。该厂的气体绝缘开关设备在世界市场上处于主导地位。
1982～2007的25年中，西门子充气柜有了很大的发展，从 8DA10/8DB10型—8DC11型—NXplus 型，其中8DA10/8DB10型为分相铝筒式结构，而8DC11型和NXplus型为三相共箱式结构。8DA10/8DB10型参数为12～40.5 kV/630～2 500 A/31.5～40k A，8DC11 型参数为12～24 k V/1 250 A/25 k A，NXplus型参数为40.5 kV/2 500 A/31.5 kA。这三种型号产品的共同特点是采用SF6气体绝缘，真空开断。其最大的不同是前一种为分相铝筒式结构，后两种为三相共箱式结构。如图1和图2所示。
4、中压充气柜的制造工艺
中压充气柜的高可靠性对制造工艺提出了很高的要求。充气柜的箱体一般采用2 mm或3 mm不锈钢板，为保证箱体不漏气和不变形，需采用激光切割，激光焊接，并要用高灵敏度的氦检漏。对于40.5 k V电压等级的产品来说，要关注气箱内部电器元件的绝缘设计，使得电场均匀分布，要讲求加工精度，并注意清洁度，尽量减少杂质，特别是导电杂质，这就更需要采用先进的加工设备。目前较高端的充气柜制造主要采用的方法如下：
1）气箱精细加工
气箱精细加工主要采用激光切割和激光焊接。激光切割的板材边缘切口光滑、无毛刺，下料精度可达到0.05mm，确保气箱拼接间隙小于0.1mm。经过激光切割下料的不锈钢板材放入专用高精度夹具中，先用氩弧焊定位，再采用激光整体焊接成箱，此激光焊接速度快，板材热变形小，焊缝均匀连续，焊接过程由电脑程序自动控制，无人为因素影响。
2）装配在洁净室内完成
充气柜需在空气清净度为百万级以上，相对湿度低于70%，并且有良好的通风换气条件的场地装配。洁净室内无导电杂质，可有效控制装配完成后的产品满足绝缘试验和局放试验的要求。
3）氦检漏及SF6自动充注系统
将待检气箱放在真空箱内，先等压抽真空，再充入氦气这种示踪气体，这样从气箱漏洞溢出的氦气进入真空箱里，能很快的被与真空箱连接的氦质谱仪测量出来。氦质谱仪将进入检测头的气体电离，使它加速进入磁场，然后根据动量大小选择某种质量的离子。选中的离子被偏移并击中一个可以测出电流从而获得一个准确测量值的目标。这种技术能检测到极少量的示踪气体，氦质谱仪的灵敏度极限为Ie-10毫巴升每秒。检漏完成的气箱由程序自动控制完成SF6充注。氦检漏原理如下图：
4）采用磁流体密封
中压充气柜静密封采用氟橡胶密封圈。动密封采用金属波纹管密封。特别是三工位开关的动密封，采用了先进的磁流体密封。
5、C-GIS的发展过程及发展趋势
5.1 C-GIS 的发展过程
起初开发的 GIS 是充0.25MPa以上额定压力的SF6气体，与此充气压力相适应采用圆筒形外壳。1980年，日本开发了充气压力为0.2 MPa以下并采用柜形外壳的84kV电压等级的C－GIS。1982年西门子公司首先研制出配真空断路器的8DA10/8DB10型C－GIS。其结构布置很像高压GIS，是单相圆筒式结构。以后，各大电气公司纷纷推出自己不同系列的中压C－GIS；如ABB公司的ZX0、ZX1、ZX2型；三菱公司的20-GX、30-GX型；西门子公司8DH10、NXPLUS 型等C－GIS。
从国外中压C－GIS发展过程可以看出以下特点。
1）箱体从圆筒型向柜型方向转变。西门子、三菱、AEG公司早期产品是圆筒形，但其后期研制的产品都改为柜式结构。这是由于柜式结构C－GIS具有的体积小、占地面积小、维护性能好、结构简单等特点决定的。
2）对结构进行简化。早期研制的C－GIS分成很多气室：母线、隔离开关、断路器、电流互感器及电缆进出线等气体间隔。但由于C －GIS不受环境的影响，可靠性高、不易维护等的特点。现在国外研制的C－GIS只剩下1个或2个气室。
3）元件向组合化发展。几乎所有的中压C－GIS都是把隔离开关和接地开关组合成一体成为三工位隔离接地开关。现在ABB公司的 ZX1、ZX0型 C－GIS，AEG公司的EC02型C－GIS将三工位隔离开关同断路器组合成一体，电压互感器、电流互感器组合成一体。使得元件更加简单，操作调试更为简便。
4）简化主接线方式。目前的开关柜主接线在断路器两侧都有隔离和接地开关。而国外现在中压C－GIS将线路侧的隔离和接地开关取消。这样大大简化开关柜的结构、降低制造成本。
5）实现控制、监测、保护、诊断、显示等智能化。将传统的电磁式电压互感器、电流互感器改为新型的传感器。如ABB公司的ZX1、ZX0把电流互感器用Rogowski线圈替代。元器件的体积减小了、动态测量范围大、可靠性高、成本低。
5.2 发展趋势
1）研究非SF6气体中的绝缘技术，实现C-GIS无SF6化。
2）故障诊断系统。
3）智能化，实现状态监测，建立计算机辅助维护系统。
4）通过模块化、小型化设计，降低中压C－GIS的成本。
6、结束语
中压充气柜在我国发展方兴未艾。当前主要使用SF6气体绝缘，为了减少SF6气体使用量，出现了干压缩空气绝缘充气柜、复合绝缘充气柜以及固体绝缘充气柜等。这些代表了充气柜发展方向，值得关注。
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论文作者:王景阳
论文发表刊物:《基层建设》2018年第18期
论文发表时间:2018/7/23
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