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中压充气柜发展现状

作者: 来源:电工技术网 日期:2017-09-12 点击次数:741

 摘要:随着经济社会发展,中压开关柜使用量越来越大,近年来不受外界环境影响的小型化、免维护、可靠性高的充气式开关柜日益受欢迎。本文回顾了充气柜产品的发展历程和特点,介绍了目前较常见的几种产品型号,总结并展望了充气柜的发展趋势。环保型智能化充气柜将成为充气柜的发展方向,并将在轨道交通和配电网等领域逐步获得推广应用。

关键词:充气柜;发展趋势;环保型;智能化

 

1.    引言

柜式气体绝缘金属封闭开关设备(Cubical Gas Insulated Switchgear),简称C-GIS,是一种以断路器为主开关,用于10~35kV或更高电压等级的一次配电系统设备。充气环网柜以负荷开关为主开关,也有配断路器的方案,用于10~35kV的二次配电系统。充气柜通常是C-GIS与充气环网柜的统称。

充气柜利用GIS的绝缘技术、密封技术将高压元件安装在箱型密封容器内,并充入略高于大气压力的绝缘气体,利用现代先进的加工工艺制成成套系列化产品,在系统正常和故障情况下具有对电能分配的控制、保护、测量、监视和通讯功能。相对于传统非密闭的移开式空气绝缘开关柜,具有密封充气的特点。

2.    充气柜特点与使用场合

充气柜的整个高压系统处于完全密封的状态,不受外界环境条件的影响,缩小了柜体外形尺寸,具有整体小型化、高可靠性、免维护的特点,由于在工厂整体组装后运往现场,现场安装方便,运维成本低,整个生命周期具有较高的性价比和可靠性。

由于具有以上特点,充气柜是环境条件恶劣地区和污染严重地区的最佳中压配电设备。另外,在人口密集地区、大型工矿企业、高层建筑等场合,因占地面积、空间限制,也需要这种开关设备。

3.    充气柜的分类

20世纪80年代以来,充气柜的发展经历了不同阶段。充气柜可按电压等级划分,也可按断路器类型分为SF6断路器和真空断路器,按用途分为电力配电、变电和工业配电用,按内部高压元件布置方式分为有隔板与无隔板,按结构分为箱式和圆筒式。圆筒式很像高压GIS,箱式却很像一般金属封闭开关柜。圆筒式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。

4.    充气柜发展历程

C-GIS产品始于20世纪80年代初。1980年,日本开发了气压0.2MPa以下84kV柜型C-GIS1982年,西门子公司研制出配真空断路器的C-GIS,采用单项圆筒式结构,很像高压GIS。随后其它公司也推出了自己的产品。我国于20世纪90年代开始研制C-GIS。

中压C-GIS的发展过程呈现出以下特点:

1)箱体从圆筒型转向柜型

西门子、三菱、AEG等公司早期产品为圆筒形。由于柜式结构具有体积小、占地面积小、维护性能好、结构简单等特点,他们后期研制的产品都改为柜式结构。

2)气体间隔减少

早期研制的C-GIS分成很多气室,如母线、隔离开关、断路器等气体间隔。由于C-GIS具有不受环境影响、可靠性高、免维护等特点,现在C-GIS都只剩1或2个气室。

3)元件组合化

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。个别公司产品还将三工位隔离开关同断路器组合成一体,电压互感器、电流互感器组成一体,使得安装调试更方便。

4)主接线方式简单化

国外产品将线路侧隔离和接地开关取消,简化了柜体结构,降低了成本。

5)控制、监测、保护、诊断智能化

将传统的电磁式电压互感器、电流互感器改为新型传感器,使得元器件体积减小,动态测量范围增大,可靠性高,成本降低。

5.    国内外主要产品

国外生产C-GIS的厂家主要有ABB、西门子、东芝、三菱、AEG、SE、MG。目前形成了两种设计模式,欧洲模式和日本模式。欧洲模式是用真空灭弧室配合三工位隔离/接地开关;日本模式是断路器上下和电缆侧均有三位置隔离刀,且电缆侧具有快速接地开关,安全性高,但整机设计和机械联锁过于复杂。

NXPLUSC-GIS是西门子公司产品,如图1所示,采用多样化的模块化结构,可拼接成各种单母线主接线方案。一体小型化真空断路器水平卧式排列,转动刀闸式三工位隔离开关沿柜深方向布置,由绝缘连杆实现三相联动。所有充气外壳由不锈钢板焊接,装有防爆安全膜。改型充气柜电压等级有24kV、40.5kV,充SF6气体绝缘,额定压力0.05MPa表压,额定电流2500A,额定短路开断电流31.5kA,外形尺寸为宽600mm×2450mm×深1600mm。

为确保产品性能,西门子形成四大核心工艺,即钣金工艺、激光焊接工艺、浇注树脂工艺和铜件加工工艺。

1 西门子NXPLUS型C-GIS

ABB公司的ZX2型充气柜如图2,具有单母线和双母线两种结构,双母线结构中母线前后排列。母线室装有一个直动式三工位隔离开关,母线气室与断路器气室间用气隔绝缘子连接。柜与柜间用复合绝缘母线连接器连接。真空断路器水平排列,配有光纤位置传感器。使用电流/电压组合式传感器,可根据状态信息在需要维护时提供必要的信息和提示。智能二次系统可显示所有设备的状态和测定值。开关电压等级12~36kV,额定电流2500A,额定短路开断电流31.5kA,充气压力0.02MPa表压。

(a)单母线

(b)双母线

2 ABB的ZX2型充气柜

国内生产厂家主要有上海天灵开关厂、沈阳华德海泰电器公司、厦门华电开关有限公司。一次方案主要有三种,真空灭弧室加下隔离接地开关;三工位上隔离加固封极柱;固封极柱加三工位下隔离。

上海天灵开关厂已开发出N2S/N2X系列中压环保气体绝缘开关柜,以及LXG/LMG/LCG系列中压环网柜系列产品。涵盖12/24/40.5kV电压等级,额定电流630~3150A开关柜内密封环保气体种类有纯氮气、90%氮气+10%SF6、50%氮气+50%SF6,充气压力为0.02MPa表压。该系列产品环保性强,各分柜间采用母线连接器扩展,方便未来扩容。该厂40.5kV充气环网柜占地面积仅为空气柜的1/10,造价与空气柜接近或更低,特别适合标准集装箱预制仓模式制造,安装、运输成本低,特别适合容量小的分散式发电设备场所分配和收集电能使用,例如风电、光伏等新能源设备。

厦门华电Airing充气柜采用三工位开关加真空灭弧室的成熟配置方式,三工位隔离、接地开关可视,将一次开关与二次智能配电终端集成,可以省去如DTU装置、通信模块、控制电源模块的位置空间。该型开关设备可实现分析一次系统的电能质量、双电源相互投切、简单特性采集、远动控制等功能。

6.    充气柜发展趋势

C-GIS产品的发展趋势是高可靠性、免维护、智能化、低成本、模块化;现场安装方便、不用处理气体;尽可能少用SF6气体。

由于SF6被列为温室效应气体,因而要限制使用,开发应用无/少SF6型C-GIS。/少SF6型C-GIS用氮气、干燥空气等作绝缘介质,已有10kV、24kV充压缩空气或氮气的产品投运,更高电压等级的产品有待开发。

元器件方面,需要发展带电场控制元件的绝缘子,针对高电压、大容量的要求,研发低介电常数、耐热性及强度等均良好的树脂材料。

C-GIS智能化是另一个发展方向。通过智能保护控制单元及后台,可以使C-GIS智能化,实现状态监测,建立计算机辅助维护系统、故障诊断系统对中压C-GIS运行状态进行在线监测,实现重要元件例如断路器、隔离开关和操动机构等有关运行参数的归档记录。对绝缘件老化情况进行在线监测与诊断,建立完善预防事故的保护监控系统。

新产品开发中应用计算机模拟工具对电场、温度场、应力场等进行优化计算,降低研发成本和研制周期。元器件由专业化厂家生产,产品总装在流水线上进行,以保证质量,提高可靠性,降低成本。模块化设计及专业化生产可使中压C-GIS与空气绝缘开关柜成本之比降到1.5:1左右。

依靠与国际知名公司合资或合作,C-GIS已具备在国内组装、供货能力,可提供可靠的产品及售后服务。

在城市轨道交通成功的应用使C-GIS技术改进、环保化要求提高,随着技术更新和进步,C-GIS气体绝缘开关柜势必向更高的可靠性、智能化、低成本、模块化、环保型趋势发展。

7.    小结

充气柜的发展是市场的需要,随着知识的更新和技术的进步,国内制造企业对C-GIS产品认识会越来越深,产品的系列化、智能化,将使充气柜能适应更多用户的使用。环保型智能化充气柜将逐步在轨道交通和配电网等领域获得推广应用。

 

 


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