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摘要：从20世纪70年代末、80年代初，日本开发出84kV柜式气体绝缘金属封闭开关设备（Cubicle Type Gas Insulated Switchgear，C-GIS）以后，尤其近十几年来中压C -GIS在国际上发展很快，已形成系列化、信息化的高新技术产品，成为金属封闭开关设备的一个重要分支。中压C-GIS具有不受环境影响、介质绝缘压力低、小型化、母线可扩展、全屏蔽电缆终端进出线等特点，可实现智能化与信息化。文章简要介绍了中压C-GIS的应用现状与今后的发展趋势。
关键词： 电力系统；柜式气体绝缘金属封闭开关设备（C-GIS）；固体界面绝缘；母线连接器；方箱型；配电系统
1 概述
中压柜式气体绝缘金属封闭开关设备（Cubicle Type Gas Insulated Switchgear，C-GIS），是一种以断路器为主开关，参数在较高范围内的，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，为了扩大使用范围，后来有配断路器的方案，参数在较低的范围内，用于10～35kV的二次配电系统。充气柜通常指的是C
－GIS与充气环网柜的统称。
C-GIS的技术含量较高，它是将GIS的SF6绝缘技术、密封技术与空气绝缘的金属封闭开关设备制造技术进行有机结合的产物。利用低压力的气体绝缘介质、固体绝缘材料以及特定的绝缘结构将高压导体、高压元件密封或金属封闭，达到耐受额定绝缘水平的要求；利用开关元件、连接导体、电缆承载电流；利用真空开断技术对线路的负荷电流、过载电流、短路电流进行控制、开断和对线路及设备进行保护；使用现代传感技术、数字技术及通信技术实现信息化、智能化。
20世纪70年代末、80年代初，日本首先开发出84kV C－GIS,当时采用的是厚钢板焊接的方箱型密封箱体。随后，有更多的公司开发了7.2～126kV的C
－GIS产品。母线全部置于SF6气体中；主开关有配真空断路器的，也有配SF6断路器的；主接线与常规高压GIS基本一致，上下隔离开关、接地开关、快速接地开关一一配齐；方箱形、圆筒形密封箱体均有；内置电流互感器、电压互感器、避雷器等元件。技术进步主要表现在将SF6气体绝缘技术应用到开关柜的制造上，充气压力降低，一般在0.2MPa（表压）以下，现场安装时需要进行抽真空、充气。
20世纪80年代中期到90年代中期，C－GIS在24～36kV电压等级上有了更快的发展。以配真空断路器为主，方箱形密封箱体占多数；在圆筒形密封箱体中也是以三相共筒为主；部分高压元件已开始外置，如电压互感器通过电缆连接到密封箱体外部；在一次主接线方面已开始简化，线路侧的隔离开关、接地开关逐渐开始取消；充气压力一般在0.07MPa以下，密封箱体钢板厚度多在6mm及以下。技术进步主要表现在绝缘用SF6气体的压力大大降低，真空开断技术提高，固体的界面绝缘技术已在高压元件的插接上应用。
2000年前后，中压C－GIS的发展有了一个飞跃，新的技术、结构、工艺、装备进入推广使用阶段，引入计算机技术、传感技术使产品进入信息化、智能化时代。产品的技术参数、可靠性进一步得到提高，尺寸进一步小型化。采用新型的固体界面绝缘插接技术，并推广应用于各气室的连接、柜体间的连接，以及电压互感器、避雷器等高压元件的连接；有些产品使用了固体绝缘母线或充气母线室+母线连接器；现场安装已开始不需要抽真空和充气；一次主接线得到了简化，新问世的产品均取消了线路侧隔离开关；传感器被大量使用，如电流/电压传感器、位置传感器、密度传感器等；密封箱体采用薄不锈钢板焊接结构，并开始采用激光焊接技术、同步抽真空与充气技术、氦气检漏技术；SF6气体压力一般在0.05MPa以下，逐渐采用混合气体绝缘，采用压缩空气作绝缘介质的24kVC －GIS问世。技术进步主要表现在SF6气体用量减少，使用混合气体或干燥压缩空气，固体界面绝缘技术的成熟与广泛使用，参数水平提高，制造技术、检漏技术与水平提高，产品的信息化、智能化。
我国于1996年下半年由西安高压电器研究所组织“六厂一所”开始研发40.5kV C－GIS。2001年，首家产品的样机通过了全部型式试验，型号为XGN46
－40.5(Z)／T1250－25。
低压力SF6气体的绝缘技术、散热技术、密封技术，真空灭弧室的开断技术，激光焊接技术以及数字化控制、保护、监视技术，为中压C－GIS的生产提供了可靠的、先进的技术基础。现代化的加工装备、加工工艺、焊接工艺、检测手段等为中压C
－GIS的生产提供了必要的加工基础。
近几年，中压C－GIS在国际上发展很快，形成了系列化、信息化的高新技术产品，已成为金属封闭开关设备的一个重要分支。
2 C－GIS的特点
2.1 采用低压力气体作介质绝缘 利用真空灭弧室进行开断
真空断路器可靠性的提高为把真空灭弧室放入密封箱体提供了条件。依靠低压力的SF6、N2、混合气体或干燥压缩空气等气体作绝缘介质，可以充分发挥气体介质绝缘性能的优点。同时，因真空灭弧室具有开断能力强、电寿命长、可靠性高、灭弧室部分免维护等特点，真空断路器在开断过程中不会产生很高的压力，因而爆炸的危险性较小，开断短路电流时也不会有很大的噪声。这样将绝缘问题和开断问题区别对待，分开处理，使二方面的优点可有机地结合起来。
2.2 可实现小型化且可靠性较高
由于采用了非大气的气体绝缘介质以及合理的绝缘结构，使高压元件尺寸得以缩小；在箱形容器内布置高压元件，排列方便、集装程度高，使设备得以小型化。因气体压力低，密封问题已不突出，气密性可达30年不用补气。因高压带电导体要么密封于低压力的SF6、N2、混合气体或干燥压缩空气等绝缘气体中，要么用具有接地屏蔽的固体绝缘件封闭，故C－GIS的最大优点是不受外界环境，如凝露、污秽、海拔高度、化学物质、小动物等的影响，无锈蚀、氧化程度很低，可靠性较高。
12kV C－GIS比常规的开关柜占地面积减小了约1/3，体积减小了约1/2；40.5kV C－GIS的占地面积、体积减小更加显著，面积、体积均减小了近2/3，仅比目前12kV级的空气绝缘开关柜略大一点或相当。C－GIS与常规开关柜的尺寸、占地面积、体积的比较列于表1。
表1 C－GIS与常规开关柜的尺寸、占地面积、体积的比较
电压等级/kV
额定电流/A
外形尺寸(宽×深×高)/（mm×mm×mm）
占地面积比/%
体积比/%
C－GIS*
普通开关柜
C－GIS
普通开关柜
C－GIS
普通开关柜
12
1250
500×1000×2000
650×1300×2350
60
100
52
100
40.5
1250
800×1570×2400
1200×2800×2600
37
100
34.5
100
*C－GIS开关柜按额定电流的大小将柜宽分成几档，与其他柜宽尺寸的比较也相差不多。
2.3 三相共箱方箱型结构占主流
C－GIS的结构演变过程经历了分相型GIS、三相共箱GIS（圆筒形）、三相共箱方箱型（柜式）等阶段。由于新的制造技术、焊接技术和材料的出现，C－GIS密封箱体在制造过程中可以利用现代先进的板材下料、折弯、焊接设备以及氦气检漏技术，使密封箱体的精度、刚度、强度提高，漏气率降低。密封箱体制造技术的提高给中压C－GIS向方箱型发展提供了条件。现在新开发的产品大多为三相共箱方箱型。分相型GIS是以前开发的产品，目前在电气化铁道的应用上仍有较大优势。
2.4 三种母线结构共存
目前使用的产品因为开发的年代不同，并存有3种类型的母线结构：气体绝缘母线、插接式固体绝缘母线、气体绝缘母线+母线连接器。气体绝缘母线现场安装时需要打开密封盖板进行母线的联接，然后进行抽真空、SF6气体的处理、充气、检测水分含量，一切现场安装程序和高压GIS一样。插接式单相固体绝缘母线现场安装时不需要打开密封盖板，用插接件将母线单相地连接起来，母线是干式的；气体绝缘母线＋母线连接器柜内部分的母线是共箱、气体绝缘的，柜间部分用连接器连接。母线联接器的作用是当产品现场安装拼柜时，在不打开密封箱体上密封盖板的情况下采用插接结构，使两个柜体间的母线在电路上连通并承载额定电流和短路电流，同时在两柜之间的主母线导体与金属外壳间建立固体的界面绝缘。插接式固体绝缘母线、充气绝缘母线+母线连接器，使用中不受尘埃和凝露的影响，便于现场的母线连接、分段、改接、扩展。前者对制造和现场安装精度的要求较低，后者对制造和现场安装的精度要求较高。
2.5 结构模块化 组合灵活
由于绝缘结构、高压元件插接技术以及开断技术的进步，C－GIS采用积木方式使结构模块化，组合灵活。模块化设计使结构简化、统一、灵活。断路器气室、母线气室是构成积木式结构的基本模块，单母线、双母线以及其他柜型由基本模块组合或派生，各气室形成互不影响的独立气室。通过密封箱体上预留的插座孔插接避雷器、电压互感器、电缆终端以及进行密封箱体间的插接。当预留的插座孔不需要插接时，则可用专用的绝缘闷头堵上。根据需要，可很方便地通过预留的电缆插座来增加进出线电缆的数量以扩容，也可以增加柜子向柜体的一边或两边扩展。
制造装备、工艺的提高可使密封箱体、零部件的精度得到提高，从而保证了这种新技术应用的可靠性。
2.6 全屏蔽电缆终端进出线
由于柜宽尺寸缩小，以及在箱形的充气壳体内布置有三相高压元件，采用电缆作为电源的引入、引出更为方便。若要架空线进出，则需要通过一段短电缆先引到柜外再上架空线，或者在端头柜加装套管来实现。
插接式电缆终端有外锥插接式和内锥插接式2种结构形式。可配用的电缆截面积40.5kV 为70～500mm2,
12kV 为70～630mm2，可根据额定电流的大小来具体选择。
2.7 一次主接线得到简化
因在柜内配置了电寿命长、可靠性高的真空断路器，以及其他高压元件可靠性的提高，如果各零部件在厂内经过筛选并按规程进行装配，则C－GIS在整个寿命期主回路可以做到不检修；同时又由于对密封箱体内零部件的检修不方便，近几年推出的中压C－GIS中均没有线路侧隔离开关和接地开关（或故障关合接地开关）。简化了一次主接线后，零部件数量相应减少，对提高可靠性更有利。没有线路侧隔离开关和接地开关后，母线侧三位置隔离开关在隔离位置实现隔离功能，在接地位置仅仅是预接地，只有当断路器合闸后才真正实现线路侧接地。另外，没有线路侧故障关合接地开关后，该气体隔室按无电弧分解物来考虑水分控制，对生产、运行也极为有利。
2.8 二次部分功能增强 实现信息化
中压C－GIS正朝着信息化、智能化方向发展。在对传统一次元件进行优化设计的基础上，配用新型传感元件，并同现代计算机技术进行有机结合，控制断路器合分闸、三位置隔离开关的操作，实现断路器、三位置隔离开关间的电气联锁；测量线路电流、电压、能量、频率等参数；实现数字化（信息化）继电保护，监测断路器的工作状态以及SF6气体密度；使中压C－GIS具有控制、保护、测量、通信、显示、故障录波和事件记录等功能，并可实现运行状况的实时监测和故障预测。
稳定的性能和友好的人机界面保证了更高的供电可靠性，对设备即时状态的透彻了解，有助于开展设备的状态维护和故障预测，节约运行成本，能够在更多的方面适应现代化变电站发展的需要。
3 应用现状
3.1 主要技术参数
现在国内使用的中压C－GIS以进口或合资生产产品为主，每面柜子的售价在40万元人民币左右；国产产品仅占一小部分，每面柜子售价在30万元人民币左右。
现使用的C－GIS产品的主要技术参数列于表2。国内外典型中压C
－GIS产品的主要技术性能指标列于表3。
表2 现使用的C－GIS产品的主要技术参数
额定电压
/kV
额定断路开
断电流/kA
额定电流
/A
1min工频
耐压/kV
雷电冲击
耐压/kV
3s耐受
电流/kA
峰值耐受
电流/kA
额定短路开
断次数/次
配置主要元件
12，24
25
1250～2500
42
75,95
25,315,40
63,80,100
30～50
三工位DS，VCB，弹簧机构
36,40.5
16,25,31.5
～2500
85(95)
185
25,31.5
63,80
20～30
三工位DS，VCB，弹簧机构
表3 国内外典型中压C－GIS产品的主要技术性能指标
厂 家
型 号
额定电压
/kV
额定电流
/A
额定短路开
断电流/kA
充气压力
/MPa
绝缘水平
(工频/冲击)/kV
外形尺寸（宽×高×深）
/（mm×mm×mm）
ABB
ZX0
12，24
630～1250
25
0.03
28/75
50/125
400×850×1950
400×850×1650
ZX1.2
12～40.5
2000
31.5
0.03
28/75 50/125
85/185
600×2100×1300
800×2100×1800
ZX2
12～40.5
2500
25
31.5
0.03
28/75 38/95
50/125 95/185
600×2300×1710
800×2300×1710
西门子
8DA10
8DB10
12～40.5
12～40.5
～2500
～2500
40
31.5(40.5kV)
0.16
0.16
28/75 50/125
70/170 80/200
600×2350×1625
600×2350×2660
8DC11
7.2～24
1250
25
0.05
20/60 28/75
36/95 50/125
600×2250×1225
NX PLUS
24，40.5
2500
31.5
0.05
50/125 85/185
600×2450×1600
Alstom
WS
12～40.5
630～2500
31.5(12～36kV)
25(40.5kV)
0.05
28/75 50/125
95/185 95/250
600×2300×1200
600×2800×1200
WI
12～52
630～2500
31.5
40(12kV)
0.05
28/75 50/125
70/170
600×2100×1700
600×2665×1700
GMB
12～24
1250
25
0.05
42/85 50/125
600×2300×800
600×2425×1000
续表
厂 家
型 号
额定电压
/kV
额定电流
/A
额定短路开断电流/kA
充气压力
/MPa
绝缘水平(工频/冲击)/kV
外形尺寸（宽×高×深）/（mm×mm×mm）
三菱
GX－20V
24
630～1250
25
0.05
50/125
700×2300×1650
20－GX、30－GX
24、36
630～2000
25
0.05 0.12
50/125 70/170
700×2300×1650
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