电工电气    (202  No. )
作者简介：王广先(1985— )，男，工程师，硕士，主要从事C-GIS 的设计与研发工作。
王广先，赵瑞影
(正泰电气股份有限公司，上海 201614)
摘  要：中压充气柜(C-GIS)是一种采用低压力SF 6或环保气体作为绝缘介质的金属封闭开关设备，随着传感技术和智能化设备的应用，其可以满足各种不同的用户和应用场合要求。阐述了C-GIS 产品的技术特点、竞争优势、结构及工艺特点，并针对国网、轨道交通、新能源等重点客户的C-GIS 使用情况和市场需求进行分析，总结C-GIS 产品的技术研究方向和今后发展趋势。指出以先进的制造工艺及较低的成本优势，打造环保型、模块化、智能型、免维护、高可靠性的开关设备是未来厂家和客户共同的需求。
关键词：中压充气柜(C-GIS)；发展趋势；环保气体；模块化；智能化
中图分类号：TM591  文献标识码：A  文章编号：1007-3175(2021)01-0001-04
Abstract: The cubicle type gas-insulated switchgear (C-GIS) is a kind of metal enclosed switchgear using low pressure SF 6 gas or envi-ronmental protection gas as insulation medium. With the applicati
on of sensing technology and intelligent equipment, it can meet the require-ments of various users and applications. This paper expounds the technical characteristics and competitive advantages of C-GIS products, analyzes the usage and market demand of C-GIS for key customers such as state grid, rail transit and new energy, and summarizes the techni-cal research direction and future development trend of C-GIS products. It is pointed that using advanced manufacturing technology and low cost advantages to create environment-friendly, modular, intelligent, maintenance-free and high-reliability switching is the common demand of future manufacturers and customers.
Key words: C-GIS; development trend; environmental protection gas; modularization; intellectualization
WANG Guang-xian, ZHAO Rui-ying
（Chint Electric Co., Ltd, Shanghai 20 6 4, China ）
Market Application Status and Development Trend of Medium
Pressure Inflatable Cabinet Products
中压充气柜产品市场应用现状及发展趋势
中压充气柜产品市场应用现状及发展趋势
现状与展望
0  引言
中压充气柜又称C-GIS [1]，因其运行的高可靠性和显著的经济效益等多项优异特性，体积小、免维护、严酷气候条件下可靠运行的充气柜产品正成为国家电网主推和铁路市场通用的产品，市场前景看好。虽然充气柜目前仍存在设备有毒气体泄漏、故障恢复时间长等系列问题，但技术的提升和工艺的成熟，气体泄漏问题已得到很好解决，且环保型充气柜已研制成功，正逐步成为SF 6气体绝缘开关柜的替代产品。
1  产品结构及特点
1.1 产品结构
充气壳体分圆筒型和柜式两种结构。圆筒型结构主回路高压带电部分安装在密封金属圆筒外壳内，如西门子公司8DA/8DB 系列等，采用分相式铸铝圆筒和气体绝缘母线形式。柜式结构的主回路高压带电部分安装在密封方形气箱内，箱体材料也分铸铝合金和不锈钢板焊接两种。如ABB 公司ZX0/ZX2系列等，通常采用插接式固体绝缘母线(顶扩)或混合绝缘母线(侧扩)形式。国内充气柜以箱型柜式结构为主。
充气隔室作为核心单元分单隔室和双隔室，以真空断路器为主开关，将一次母线、三工位隔离开关和真空断路器等高压元件分别安装于各充气隔室内，柜体上预留外锥进出线套管或内锥插座孔，采用插拔式电缆终端方式实现进出线。所有高压
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带电元件或置于密封充气隔室内或采用固体绝缘结构，并通过金属外壳或接地屏蔽层可靠接地[2]。
通过利用现代先进的激光切割、焊接设备，氦检漏设备以及板材柔性加工生产线，密封箱体的制造精度、刚度得到大幅提高，漏气问题也得到有效控制。不锈钢焊接气箱因结构、充气压力不同会有所差异，如不锈钢气箱除采用常规单柜结构外也可根据不同需求采用多间隔共箱结构，节约成本。内部加强筋也可根据实际情况采用“C”型、“几”型加强筋、方管或双衬板等结构。因不锈钢板折弯后防涡流性能降低，对于大电流开关柜防涡流设计，加强筋宜布置于气箱外侧[3]。
1.2 产品特点及优势
充气柜虽然生产成本比常规产品偏高，但优异的环境适应性、高可靠性及免维护性等使得产品全生命周期成本大大降低，综合成本更经济。同时又因产品外形尺寸更小，在布局、外观等方面与周围环境更加协调。产品优势主要体现在以下五个方面：
(1)采用先进的气体绝缘和复合绝缘结构，高压元件尺寸得以缩小，在充气隔室内集装程度高，设备小型化，经济效益优越。40.5kV-2500A产品柜宽仅做到800mm，小型化优势明显。
(2)主回路高压带电部分密封于充气隔室内，全绝缘全封闭，环境适应性强，产品可靠性更高。因气体压力低，密封问题易解决，可实现30年无需补气。40.5kV及以下电压等级使用环保绝缘气体，可以保留现有SF
6
气体绝缘开关柜的紧凑型及其他所有优点。
(3)各高压元件或用气体密封或以固体绝缘，污秽、盐雾等恶劣环境适应性强，不会造成操作和导电方面的影响，现场维护工作量少。真空断路器采用模块化机构配套高性能固封极柱，电寿命长、性能稳定，可实现免维护或少维护。
(4)模块化设计，应用、布置方便。将各功能单元组成若干标准化模块，通过积木式搭接，组合灵活、更换方便，可满足不同主接线的各种要求。现场安装方便、扩展灵活，不涉及气体的处理。
(5)传感技术和数字控制保护技术的应用，使开关设备智能化程度提高。插接式母线、避雷器、电缆终端头和电子式电流/电压互感器的应用，及新型传感器元件的应用推动了智能化的发展[4-5]。
2  市场应用现状
2.1 国网市场情况概述
国网系统数据显示，至2017年国网系统内12～40.5kV中压充气柜设备共10141台。按电压等级统计，12kV总数5978台，占比59%；24kV总数338台，占比3%；40.5kV总数3825台，占比38%。
对2018年至2019年国网系统招标数据整理，新增12～40.5kV充气柜设备5506台。12kV和40.5kV充气柜的招标数量及中标厂家情况如图1所示。
值得关注的是，随着电网系统的升级改造，大电流开关柜的需求量在逐年递增。在40.5kV系列中电流2500A共432台，占比12.3%；12kV系列中电流2500A共87台，占比4.5%，3150A共183台，占比9.6%。另一个趋势是，近几年国网对环保气体绝缘提出了明确需求，一些有实力的厂家也在积极地开展环保型充气柜的研究，冀北、山东和河南电力公司招标的环保型充气柜均被华德海泰和ABB公司中中压充气柜产品市场应用现状及发展趋势
图1  2018—2019年国网系统C-GIS招标数量及中标厂家情况
2
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得。正泰电气、上海大华等厂家虽在近期国网充气柜中标名单中首次出现，但在行业内均有较高影响力。
2018年至2019年，国网系统招标的12～40.5kV 开关设备情况对比如图2所示，空气绝缘柜(简称AIS)的需求量大幅度减少，在现代化城市建设和先进技术和生产设备的推动下，充气柜的竞争优势越来越明显，其需求量成比例增加。
2.2 轨道交通市场情况概述
轨道交通作为中心城市、都市圈和城市发展的重要基础，也迎来了大发展的机遇。多个城市将轨道装备产业作为重点发展方向，并提出千亿级的目标
[1]
，其中，铁路和城市轨道交通项目是建设的
“重头戏”。
随着全国铁路、城市轨交等项目大规模建设及升级改造的持续投入，12、27.5、40.5kV 的充气柜得到大量应用，城市轨交、铁路建设项目中首选的最佳配电设备就是充气柜。国家发改委信息：截止2019年底，全国有35条总投资超14000亿元的高铁项目开建，其中2019年新增36条27.5kV 线路，销售市场规模约7.2亿元。截止2019年我国城市轨道交通运营里程突破7000km，并预测我国城市轨道交通运营里程在2022年将突破万公里。在我国轨道交通建设的热潮之下，未来轨道交通产业链可以至少延续二三十年时间。
轨道交通市场比较有竞争力的厂家有ABB、西门子、施耐德、常州赛尔克瑞特、现代重工等企业，虽然近几年国内已有多家企业陆续取得了相关产品的型式试验报告，但业绩并不多。国内企业中做的最
好的是常州赛尔克瑞特，占轨道交通市场份额的50%以上。
3  产品发展趋势
3.1 环保气体的研究
为了减少温室气体排放，可替代SF 6气体的环保气体绝缘开关设备成为发展方向。目前，40.5kV 及以下电压等级的开关设备采用真空作为灭弧介质已得到市场的广泛认同。绝缘方面，对于SF 6替代介质的研究具有两条路线。
一条路线是采用固体绝缘[5]。固体绝缘开关设备的优点是主结构相对体积小，材料的绝缘性能及击穿场强高；相对环保，无有害气体产生；无内部燃弧，严寒环境下无气体液化等问题。存在的问题是新型环保绝缘材料的开发应用，表面屏蔽技术、局放、假断口等问题的解决，以及绝缘不可恢复、降解难、制造成本高等问题[6]。
另一条路线是采用环保气体绝缘，即采用干燥空气、纯N 2等气体作为绝缘介质[7-9]。目前有潜力替代SF 6气体的有：N 2、CO 2、干燥空气、CF 3I(三氟)、C 3F 8(全氟丙烷)、c-C 4F 8(八氟环丁烷)、C 5F 10O(全氟戊酰氟)、C 6F 12O(全氟己酰氟)、C 4F 7N(全氟异)等气体及其混合气体[10-15]。目前环保型充气柜的研究现状如表1所示。
表1  环保型充气柜的研究现状统计表
序号单位规格型号绝缘介质
说明
1
上海交通
大学
40.5kV
低气压N 2额定电流1250A、柜宽
800
mm，与常规SF 6气体
绝缘开关柜相比，体积
增加了1/3
2
沈阳华利公司XGN-12
环网柜干燥空气开关柜尺寸与市场上同等级的SF 6气体绝缘开关柜
基本相同，但绝缘介质
充气压力较高，气室强度和密封问题需关注HG4-12
HG3-40.53
上海天灵公司N2S/N2X、N2N
N 2
利用气体和局部固体相结合的界面绝缘技术；额定充气压力0.02MPa，
最低功能压力0MPa
SF 6+N 2混合4
ABB公司ZX0 Air
干燥空气额定充气压力0.04
MPa，最低功能压力0.03MPa
ZX2AirPlus C5-PFK/空气混合
开关柜外形尺寸、性能
参数、元器件布局等均与
原充气柜产品保持不变
170kV-40环保GIS 5110+CO 2+O 2混合气体
保留了现有GIS的
紧凑性及其他优点
5施耐德公司SM6、RM6 Air 干燥空气6西门子公司
8DAB 12
氮气洁净空气绝缘，额定充气压力0.04MPa，最低功能压力0MPa 7
山东泰开公司
XGN-12(V)C6-PFK 混合气体
武汉大学和山东泰开公司合作开发
-2018年招标量 -2019年招标量
图2  2018—2019年国网系统成套设备招标趋势
招标量/台
AIS
50000C-GIS C-GIS AIS 10000
20000300004000060000产品
中压充气柜产品市场应用现状及发展趋势
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3.2 开关柜可靠性与智能化的提升
从客户角度分析，充气柜的发展趋势是高可靠性、免维护、智能化、低成本[16]。
1)模块化、组合式开关柜结构的研究
模块化设计可以提高产品的标准化与灵活性，提高生产效率和多样化组合方式，满足客户的不同需求，解决了设备故障后维修、更换周期长的问题。根据模块化设计原则，柜体结构分低压控制室、母线室、断路器气室、电缆室和泄压通道五大模块，充气柜三工位隔离开关、真空断路器、母线系统、
插接部件等核心元器件采用模块化单元，单元组装灵活，提高了产品的标准化和互换性。互感器、避雷器采用插接模块，提高母线/线路PT、小隔离装置等非标方案的可扩展性与灵活搭配。
2)智能化配置与空间兼容性
随着国家电网建设“三型两网”，推动企业战略升级目标的提出。未来坚强智能电网和泛在电力物联网二者将相辅相成、融合发展，形成强大的价值创造平台，共同构成能源流、业务流和数据流“三流合一”的能源互联网。
可靠型智能断路器的需求将不断提升。在配电网关键结点配置断路器可减少停电事故影响范围及缩短供电恢复时间，未来智能电网将更多使用断路器。
远程控制和智能监测至关重要。远程控制和自动监测功能对实现双向通信、馈线自动化、一键恢复以及优化配电网络周边负载有重要作用。目前充气柜可实现在线监测功能的领域包括无线测温装置，局放、SF
6
气体、微水在线监测，电缆接地环流在线监测以及绝缘件的在线检测与诊断系统等。智能电表、紧凑型传感式电流互感器(LPCT)和电压互感器(LPVT)的应用可有效提升系统的控制和监控能力。
控制功能集成及模块化设计是关键。中压开关柜将在整个智能电网网络中变得更加分散，模块化配电柜也将满足灵活性需求。
3)关键元器件的制造质量与运行可靠性
关键技术包括以下几点：
(1)解决环保气体在低压力下的绝缘和1.1倍的温升问题，满足零表压安全运行要求[17]。充气柜整机局放、防护等级、微水、漏气率、燃弧等级、开断关合性能、机械寿命等关键技术参数的优质化实现。
(2)三工位隔离开关及真空断路器传动、联锁、控制的可靠性。实现刀闸式与直动式三工位开关的标准化与互换性设计和真空断路器模块化、通用性设计。解决了现有产品机构多样化、真空断路器外形多样化和产品结构不统一等问题。
(3)计算机辅助设计CAD、仿真技术的应用。
4)先进设备及制造工艺的投入
充气柜产品生产、制造难度大，对加工设备要求较高，如果没有先进的现代化生产设备，就会限制其发展。国内已有多家企业筹划建设了现代化的生产流水线，可以实现规模化生产充气柜产品。必备的
生产、检测设备有全自动板材柔性加工生产线、3D激光切割/焊接机、充气柜净化车间、氦气检漏设备、全屏蔽局放室等。
4  结语
随着全球轨道交通、新能源、国家电网等项目大规模建设及升级改造的持续投入，12～40.5kV 的充气柜产品得到大量应用。产品的质量在不断提升，产量在逐年增长，价格优势也越来越明显。未来系列化、模块化、智能化的开关柜必将引领市场。优化电厂分布，解决零表压设备运行的可靠性，克服2500A及以上大电流设备的稳定性与温升问题，作为客户关注重点也是各厂家需要积极解决的问题。
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中压充气柜产品市场应用现状及发展趋势
(下转第29页)
4
2
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以工业类用户为例进行修正后可靠性评估指标的计算。根据相关记录，假设某工业用户单次电压暂降发生后故障停运所承受的经济损失为16.75万元，而单位时间(h)计划停电造成的经济损失为26.8万元，不计电压暂降影响时供电可靠率为99.6%。那么在利用等效停电时间的方式计入电压暂降影响后，该用户供电可靠性修正指标计算结果如表6所示。
根据表6中结果可分析得到以下结论：考虑电压暂降的影响综合评估供电可靠性时，该用户的停电时间较原值增加了18.75h，而供电可靠率则相应降低了0.2%。另外，指标的修正量与停运次数、经济损失有关，因此不同类型用户供电可靠性修正指标的值将有所差异。
4  结语
本文结合用户广义耐受曲线以及电压暂降能量损失法的概率分布，提出一种计入电压暂降的供电可靠性综合评估方法，并通过仿真方式对该评估过程作了详细分析。仿真结果表明，该评估方法可以较为合理地反映用户电压暂降发生后的受扰状况，并将该影响纳入可靠性的分析过程，有利于对供电可靠性进行更为完善的评估。
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修稿日期：2020-11-17
表6  供电可靠性指标
t SAIDI-1/h R ASAI-1/%t SAIDI-1＇/h R ASAI-1＇/%35.0499.60
53.7999.40
基于用户广义耐受曲线的供电可靠性综合评估方法研究
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修稿日期：2020-09-06
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