高压气体绝缘金属封闭开关设备的发展
作者：西安高压电器研究所有限责任公司 李建基
摘要：由于高压气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)具有占地面积小、不受外界环境条件影响、可靠性高等优点，在我国电网建设中受到用户的青睐。该文论述了GIS 技术的进步，介绍中国名牌GIS 产品和生产量大的126～145 kV 的GIS 的改进情况。
关键词：GIS ；三相共筒式；复合化
中图分类号：TM591 文献标志码：B 文章编号：1003-0867(2007)11-0057-03 1 GIS技术的进步
气体绝缘金属封闭开关设备（以下简称GIS ），是由若干相互直接联结在一起的单独元件构成的，将断路器、隔离开关、接地开关、母线、互感器、避雷器等主要元件装入密封的金属容器内 ，其间充以SF6气体作为绝缘及灭弧介质，故具有体积小、占地面积小、不受外界环境影响、运行安全可靠、维护简单和检修周期长等优点。因此备受用户欢迎，发展非常迅速，已被广泛应用于各类变电站。
GIS的进步表现在以下几个方面。首先，断路器技术的发展在增大容量的同时减少断口数。减少断口数是提高断路器和GIS 技术经济指标的最主要措施，减少断口数能简化结构，提高可靠性，同时减少SF6气体用量和排放量。目前
550 kV SF6断路器已由双断口发展到单断口，日本早已开发出550 kV 63 kA/50 kA 单断口SF6断路器，我国最新也开发出550 kV 4 kA/50 kA单断口SF6断路器。其次，GIS 在壳体结构上从分相式，发展到三相共筒式，使GIS 进一步小型化。目前国际上已经做到300 kV全三相共筒化，550 kV母线三相共筒化。复合化是将多个元件组合在一个充气筒内，如将断路器和母线复合为一个充气筒内，又将隔离开关、接地开关、避雷器和电压互感器由原来多个气筒复合为一个气筒。这样做可使GIS 小型化、轻量化。126～145 kV GIS大多为三相共筒式。第三，元件的多功能化，如将隔离开关和接地开关复合成三工位隔离/接地开关，可省略电气操作连锁，不存在DS 和ES 间各种误操作，显著提高了运行可靠性。 第四，铝合金铸造和加工技术的发展使外形和体积最小化。GIS 壳体有钢板卷制、铝板焊接和铸铝结构，以铝合金铸造气密性最好，且能按绝缘要求优化铝壳形状。第五，使用智能化监控和诊断工具以延长维修周期，并避免不必要的工作。GIS 智能化技术可对GIS 进行在线检测，及早发现故障，防患于未然，又可对GIS
进行状态监视，变“定期维护”为“状态维护”。这样做大大提高了运行可靠性，同时大大节省了维护费用，因而智能化会带来巨大技术经济效益。因此，GIS 二次控制从传统的电磁机械式走向智能化，这是电网自动化的需要，也是提高GIS 可靠性的需要。
从世界范围看，GIS 以它的紧凑型设计和模块系统可满足用户的不同要求，GIS 经过几十年的发展，取得了很大成效。
2 GIS在我国发展势头强劲
GIS在我国发展势头强劲，产量大幅增加。据统计2005年550 kV GIS的产量为107间隔，而2004年仅为8间隔，增长13.38倍。252 kV GIS的产量为2899间隔，2004年仅为2280间隔，同比增长27.15%。GIS 生产厂家猛增，包括国企、合资企业、民企。据笔者不完全统计，现生产和研制GIS 厂家约有20多家，在这20多家生产厂家中，都生产126 kV GIS ，也有生产252 kV GIS ，在生
产550 kVGIS厂家中，外企（合资）主要有ABB 、Siemens 、GE 等企业。国企主要有西开高压电气和新东北电气（沈阳）高压开关有限公司（以下简称新沈高）。在2006年中国名牌产品中，西开高压电气和新沈高的72.5 kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备被称为“中国名牌产品”。目前合资企业占国内市场相当大的份额，如占550 kV 断路器和GIS 市场的80%，占252 kV GIS 市场的50%，占126 kV GIS 市场的30%。但随着国企实力的增强和民企的崛起，这种局面将会得到扭转。
我国已启动1100 kV特高压交流输电工程，目前国内三大企业（西开高压电气、平高集团和新沈高）正在积极研制1100 kV GIS和H-GIS 。
3 中国名牌产品GIS
在2006年的中国名牌产品中，有两家企业的产品被称为“中国名牌产品”，它们是西开高压电气的“XD ”牌GIS 和新沈高的“NHVS ”牌的GIS 。作为全国高压开关行业的大型企业，西开电气和新沈高GIS 都达到了550 kV水平，作为典型产品，这里介绍这两家的550 kV GIS。
ZF15-550(L)/4000-63型GIS 是新沈高根据三峡工程对550 kV GIS 的需要，从ABB 引进先进的GIS 制造技术，经消化吸收而研制成功的具有国际先进水平的产品。主要参数为550 kV/4000A/63 kA。SF6气体年漏气率小于0.5%。
其主要特点为：灭弧能力强，开断电流大。断路器采用小型化单压式灭弧室和特殊喷口结构；喷口耐弧能力强，喷口采用专有技术制成，可连续开断额定断路电流20次，无需检修；绝缘水平高，通过优化电场和元件的结构尺寸及采用合理的屏蔽技术；铝外筒无涡流损耗；绝缘拉杆强度高，通过10000次机械寿命试验仍完好无损；流通能力强，断路器采用螺旋弹簧滑动触指和自立型触头，导电性好，热稳定性好；采用ABB 公司HMB-8型弹簧储能液压操动机构；积木式设计，通用性强；可靠的密封结构。
GIS法兰连接采用单道多重静密封，断路器和隔离开关的动密封采用双密封系统。
ZF8-550型550 kV GIS 是西开高压电气消化吸收日本三菱电机株式会社550 kV GIS 技术而生产的产品。产品主要特点为：开断能力强，最大开断能力为67～70 kA，灭弧室利用电弧电能增压，利用湍流增强喷嘴气吹能力，弧触头采用整体烧结的铜钨触头；断路器操动机构为气动分闸、弹簧合闸机构；GIS 中盆式绝缘子、绝缘筒、绝缘拉杆、绝缘台等环氧树脂绝缘件具有高度绝缘可靠性；GIS 产品设计成若干运输包装单元，便于现场安装，又可减少现场工作量；GIS 的SF6气体系统采用分散监控方式，取消了SF6阀门和SF6管路系统，采用新型自封接头和SF6密
度计。
4 中压气体绝缘金属封闭开关设备（C-GIS ）
随着城市电网建设和改造以及大型工矿企业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，一种叫C-GIS （Cubicle Gas Insulated Switchgear ）全称为柜式气体绝缘开关设备，俗称充气柜的开关柜近年来在国外迅速发展，在国内也已兴起。
所谓充气柜（C-GIS ），是将高压元件诸如母线、断路器、隔离开关、互感器、电力电缆等封闭在充有较低压力（一般为0.02～0.05 MPa ）气体的壳体内。充气柜具有很多优势，其最大的优势是不受外界环境的影响，如凝露、污秽、小动物及化学物质等。另一个优势是因为使用压缩气体绝缘，如SF6、N2、SF6／
N2混合气体和干压空气，可大大缩小柜体的外形尺寸，有利于向小型化发展，还有一个优势是充气柜配用性能良好的无油开关，特别是免维护的真空开关，大大减少了维护和维修工作量。
4.1 充气柜的使用场合
充气柜特别适合用于可靠性要求高且占地面积和空间受限制的场合，如城市电网建设、城市地铁、轻轨、高层建筑、大型工矿企业，以及特殊使用场合，如温度变化大和高湿环境( 如湿热带地区) 、高温及低温地区( 如沙漠地区和南北两极区）、环境中含有自然物质（沿海的盐雾、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、有震动的场合、高原地区及安装受限的狭窄地方等。
大都市的供电有集成化、自动化、地下化和小型化的发展趋势，这就为气体绝缘开关设备提供了良好的发展机遇，以上海为例，集成化、紧凑化、模块化设备在上海将有广阔的应用前景。上海变电站的220 kV 和110 kV 开关设备今后将都以GIS 为主；35 kV则以金属铠装移开式开关柜和 C-GIS共存；10 kV除了现有中置式金属铠装移开式开关柜以外，将逐步采用全封闭的SF6充气环网柜为主。
上海电力建设走在前头，它对中高压开关设备的选用，对其他城市和地区有示范作用。上海大力采用GIS 、C-GIS 和SF6 RMU（环网柜），必将促使SF6绝缘开关设备更大的发展。
4.2 充气柜的结构
充气柜现有的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。
充气柜的柜式结构，也有各种形式，其主要区别在于：第一，气室的设置，有三气室、二气室和单气室。第二，一次回路中母线、三工位开关和真空断路器的排布方式，大致可分为三类：上中下布置；下中上布置；后中前布置。以上中下布置居多。关于气室的设置，现多为单气室和二气室。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，可靠性差些。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级最能体现充气柜的优势，因此国内外制造商的充气柜并不是都从12kV 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1250/1600/2000/2500 A ，额定断路开断电流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，如ABB 公司ZX2型40.5 kV充气柜占地面积仅为2300mm ×600 mm×1710 mm，这对城网建设和改造来说特别适用。
我国城网用电占全国总用电的一半，城网建设的加快，大都市的迅速崛起，都为充气柜提供了大的发展空间。几年前德国对工业电网使用的开关设备做过调查，当时充气柜12 kV级占5%，24 kV级占9%，36 kV级占19%。
但充气柜并不能取代空气绝缘开关柜。一般来说，充气柜在同类开关柜中约占20%。对我国来说，充气柜的制造还刚刚开始，尚缺乏运行经验。充气柜由
于制作难度大，属于高科技产品，其价格为同类空气绝缘开关柜的好几倍，因而也限制了其应用。
4.3 充气柜的制造工艺
充气柜对制造工艺提出了很高的要求。充气柜的箱体有用厚的也有用薄的不锈钢板，为了保证箱体不漏气和不变形，需采用激光切割，激光焊接，并要用氦检漏。在抽真空时，为了防止箱体变形，需对箱体内外抽真空，达到内外压力平衡，才不致于箱体变形。对于12 kV 级充气柜来说，由于散热的缘故，额定电流受到限制，现一般做到12 kV630～1250 A，高者可到2500 A。对于40.5 kV级来说，要关注绝缘设计，使得电场均匀分布，要讲求加工精度，并注意清洁度，尽量少有杂质，特别是导电杂质，这就需要采用先进的数控加工设备等。
4.4 国内外充气柜的开发
充气柜由西门子公司于1982年率先推出，以后各公司纷纷效仿，都有自己的充气柜产品。
近年来国外企业加大了充气柜的开发力度，一代又一代新产品不断涌现，如ABB 公司BE 型—EML 型—ZV 型—ZX 型，ALSTOM 公司WIA/WIB型—ECO —GMA 型，三菱、东芝和富士都有自己的充气柜产品，韩国现代集团的HMGS-G10型充气柜及日进电器公司的DXG-40.5型充气柜等。
充气柜在国内已兴起，国内许多企业已研制出创新的产品，例如西安高压电器研究所的XGN46-40.5型充气柜、天水长城开关厂的XGN69-40.5型充气柜、西安森源开关研究所的GZX 系列12 kV/40.5 kV 充气柜、上海希提爱斯电气公司的N2S12 kV/24 kV/40.5 kV充气柜，上海平开华明高压开关有限公司最近推出的ZFN413/40.5型充气柜等。
高压气体绝缘金属封闭开关设备的发展
作者：西安高压电器研究所有限责任公司 李建基
摘要：由于高压气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)具有占地面积小、不受外界环境条件影响、可靠性高等优点，在我国电网建设中受到用户的青睐。该文论述了GIS 技术的进步，介绍中国名牌GIS 产品和生产量大的126～145 kV 的GIS 的改进情况。
关键词：GIS ；三相共筒式；复合化
中图分类号：TM591 文献标志码：B 文章编号：1003-0867(2007)11-0057-03 1 GIS技术的进步
气体绝缘金属封闭开关设备（以下简称GIS ），是由若干相互直接联结在一起的单独元件构成的，将断路器、隔离开关、接地开关、母线、互感器、避雷器等主要元件装入密封的金属容器内 ，其间充以SF6气体作为绝缘及灭弧介质，故具有体积小、占地面积小、不受外界环境影响、运行安全可靠、维护简单和检修周期长等优点。因此备受用户欢迎，发展非常迅速，已被广泛应用于各类变电站。
GIS的进步表现在以下几个方面。首先，断路器技术的发展在增大容量的同时减少断口数。减少断口数是提高断路器和GIS 技术经济指标的最主要措施，减少断口数能简化结构，提高可靠性，同时减少SF6气体用量和排放量。目前
550 kV SF6断路器已由双断口发展到单断口，日本早已开发出550 kV 63 kA/50 kA 单断口SF6断路器，我国最新也开发出550 kV 4 kA/50 kA单断口SF6断路器。其次，GIS 在壳体结构上从分相式，发展到三相共筒式，使GIS 进一步小型化。目前国际上已经做到300 kV全三相共筒化，550 kV母线三相共筒化。复合化是将多个元件组合在一个充气筒内，如将断路器和母线复合为一个充气筒内，又将隔离开关、接地开关、避雷器和电压互感器由原来多个气筒复合为一个气筒。这样做可使GIS 小型化、轻量化。126～145 kV GIS大多为三相共筒式。第三，元件的多功能化，如将隔离开关和接地开关复合成三工位隔离/接地开关，可省略电气操作连锁，不存在DS 和ES 间各种误操作，显著提高了运行可靠性。 第四，铝合金铸造和加工技术的发展使外形和体积最小化。GIS 壳体有钢板卷制、铝板焊接和铸铝结构，以铝合金铸造气密性最好，且能按绝缘要求优化铝壳形状。第五，使用智能化监控和诊断工具以延长维修周期，并避免不必要的工作。GIS 智能化技术可对GIS 进行在线检测，及早发现故障，防患于未然，又可对GIS
进行状态监视，变“定期维护”为“状态维护”。这样做大大提高了运行可靠性，同时大大节省了维护费用，因而智能化会带来巨大技术经济效益。因此，GIS 二次控制从传统的电磁机械式走向智能化，这是电网自动化的需要，也是提高GIS 可靠性的需要。
从世界范围看，GIS 以它的紧凑型设计和模块系统可满足用户的不同要求，GIS 经过几十年的发展，取得了很大成效。
2 GIS在我国发展势头强劲
GIS在我国发展势头强劲，产量大幅增加。据统计2005年550 kV GIS的产量为107间隔，而2004年仅为8间隔，增长13.38倍。252 kV GIS的产量为2899间隔，2004年仅为2280间隔，同比增长27.15%。GIS 生产厂家猛增，包括国企、合资企业、民企。据笔者不完全统计，现生产和研制GIS 厂家约有20多家，在这20多家生产厂家中，都生产126 kV GIS ，也有生产252 kV GIS ，在生
产550 kVGIS厂家中，外企（合资）主要有ABB 、Siemens 、GE 等企业。国企主要有西开高压电气和新东北电气（沈阳）高压开关有限公司（以下简称新沈高）。在2006年中国名牌产品中，西开高压电气和新沈高的72.5 kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备被称为“中国名牌产品”。目前合资企业占国内市场相当大的份额，如占550 kV 断路器和GIS 市场的80%，占252 kV GIS 市场的50%，占126 kV GIS 市场的30%。但随着国企实力的增强和民企的崛起，这种局面将会得到扭转。
我国已启动1100 kV特高压交流输电工程，目前国内三大企业（西开高压电气、平高集团和新沈高）正在积极研制1100 kV GIS和H-GIS 。
3 中国名牌产品GIS
在2006年的中国名牌产品中，有两家企业的产品被称为“中国名牌产品”，它们是西开高压电气的“XD ”牌GIS 和新沈高的“NHVS ”牌的GIS 。作为全国高压开关行业的大型企业，西开电气和新沈高GIS 都达到了550 kV水平，作为典型产品，这里介绍这两家的550 kV GIS。
ZF15-550(L)/4000-63型GIS 是新沈高根据三峡工程对550 kV GIS 的需要，从ABB 引进先进的GIS 制造技术，经消化吸收而研制成功的具有国际先进水平的产品。主要参数为550 kV/4000A/63 kA。SF6气体年漏气率小于0.5%。
其主要特点为：灭弧能力强，开断电流大。断路器采用小型化单压式灭弧室和特殊喷口结构；喷口耐弧能力强，喷口采用专有技术制成，可连续开断额定断路电流20次，无需检修；绝缘水平高，通过优化电场和元件的结构尺寸及采用合理的屏蔽技术；铝外筒无涡流损耗；绝缘拉杆强度高，通过10000次机械寿命试验仍完好无损；流通能力强，断路器采用螺旋弹簧滑动触指和自立型触头，导电性好，热稳定性好；采用ABB 公司HMB-8型弹簧储能液压操动机构；积木式设计，通用性强；可靠的密封结构。
GIS法兰连接采用单道多重静密封，断路器和隔离开关的动密封采用双密封系统。
ZF8-550型550 kV GIS 是西开高压电气消化吸收日本三菱电机株式会社550 kV GIS 技术而生产的产品。产品主要特点为：开断能力强，最大开断能力为67～70 kA，灭弧室利用电弧电能增压，利用湍流增强喷嘴气吹能力，弧触头采用整体烧结的铜钨触头；断路器操动机构为气动分闸、弹簧合闸机构；GIS 中盆式绝缘子、绝缘筒、绝缘拉杆、绝缘台等环氧树脂绝缘件具有高度绝缘可靠性；GIS 产品设计成若干运输包装单元，便于现场安装，又可减少现场工作量；GIS 的SF6气体系统采用分散监控方式，取消了SF6阀门和SF6管路系统，采用新型自封接头和SF6密
度计。
4 中压气体绝缘金属封闭开关设备（C-GIS ）
随着城市电网建设和改造以及大型工矿企业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，一种叫C-GIS （Cubicle Gas Insulated Switchgear ）全称为柜式气体绝缘开关设备，俗称充气柜的开关柜近年来在国外迅速发展，在国内也已兴起。
所谓充气柜（C-GIS ），是将高压元件诸如母线、断路器、隔离开关、互感器、电力电缆等封闭在充有较低压力（一般为0.02～0.05 MPa ）气体的壳体内。充气柜具有很多优势，其最大的优势是不受外界环境的影响，如凝露、污秽、小动物及化学物质等。另一个优势是因为使用压缩气体绝缘，如SF6、N2、SF6／
N2混合气体和干压空气，可大大缩小柜体的外形尺寸，有利于向小型化发展，还有一个优势是充气柜配用性能良好的无油开关，特别是免维护的真空开关，大大减少了维护和维修工作量。
4.1 充气柜的使用场合
充气柜特别适合用于可靠性要求高且占地面积和空间受限制的场合，如城市电网建设、城市地铁、轻轨、高层建筑、大型工矿企业，以及特殊使用场合，如温度变化大和高湿环境( 如湿热带地区) 、高温及低温地区( 如沙漠地区和南北两极区）、环境中含有自然物质（沿海的盐雾、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、有震动的场合、高原地区及安装受限的狭窄地方等。
大都市的供电有集成化、自动化、地下化和小型化的发展趋势，这就为气体绝缘开关设备提供了良好的发展机遇，以上海为例，集成化、紧凑化、模块化设备在上海将有广阔的应用前景。上海变电站的220 kV 和110 kV 开关设备今后将都以GIS 为主；35 kV则以金属铠装移开式开关柜和 C-GIS共存；10 kV除了现有中置式金属铠装移开式开关柜以外，将逐步采用全封闭的SF6充气环网柜为主。
上海电力建设走在前头，它对中高压开关设备的选用，对其他城市和地区有示范作用。上海大力采用GIS 、C-GIS 和SF6 RMU（环网柜），必将促使SF6绝缘开关设备更大的发展。
4.2 充气柜的结构
充气柜现有的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。
充气柜的柜式结构，也有各种形式，其主要区别在于：第一，气室的设置，有三气室、二气室和单气室。第二，一次回路中母线、三工位开关和真空断路器的排布方式，大致可分为三类：上中下布置；下中上布置；后中前布置。以上中下布置居多。关于气室的设置，现多为单气室和二气室。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，可靠性差些。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级最能体现充气柜的优势，因此国内外制造商的充气柜并不是都从12kV 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1250/1600/2000/2500 A ，额定断路开断电流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，如ABB 公司ZX2型40.5 kV充气柜占地面积仅为2300mm ×600 mm×1710 mm，这对城网建设和改造来说特别适用。
我国城网用电占全国总用电的一半，城网建设的加快，大都市的迅速崛起，都为充气柜提供了大的发展空间。几年前德国对工业电网使用的开关设备做过调查，当时充气柜12 kV级占5%，24 kV级占9%，36 kV级占19%。
但充气柜并不能取代空气绝缘开关柜。一般来说，充气柜在同类开关柜中约占20%。对我国来说，充气柜的制造还刚刚开始，尚缺乏运行经验。充气柜由
于制作难度大，属于高科技产品，其价格为同类空气绝缘开关柜的好几倍，因而也限制了其应用。
4.3 充气柜的制造工艺
充气柜对制造工艺提出了很高的要求。充气柜的箱体有用厚的也有用薄的不锈钢板，为了保证箱体不漏气和不变形，需采用激光切割，激光焊接，并要用氦检漏。在抽真空时，为了防止箱体变形，需对箱体内外抽真空，达到内外压力平衡，才不致于箱体变形。对于12 kV 级充气柜来说，由于散热的缘故，额定电流受到限制，现一般做到12 kV630～1250 A，高者可到2500 A。对于40.5 kV级来说，要关注绝缘设计，使得电场均匀分布，要讲求加工精度，并注意清洁度，尽量少有杂质，特别是导电杂质，这就需要采用先进的数控加工设备等。
4.4 国内外充气柜的开发
充气柜由西门子公司于1982年率先推出，以后各公司纷纷效仿，都有自己的充气柜产品。
近年来国外企业加大了充气柜的开发力度，一代又一代新产品不断涌现，如ABB 公司BE 型—EML 型—ZV 型—ZX 型，ALSTOM 公司WIA/WIB型—ECO —GMA 型，三菱、东芝和富士都有自己的充气柜产品，韩国现代集团的HMGS-G10型充气柜及日进电器公司的DXG-40.5型充气柜等。
充气柜在国内已兴起，国内许多企业已研制出创新的产品，例如西安高压电器研究所的XGN46-40.5型充气柜、天水长城开关厂的XGN69-40.5型充气柜、西安森源开关研究所的GZX 系列12 kV/40.5 kV 充气柜、上海希提爱斯电气公司的N2S12 kV/24 kV/40.5 kV充气柜，上海平开华明高压开关有限公司最近推出的ZFN413/40.5型充气柜等。