中压C-GIS 的原理与设计.

【浏览次数】 1182 【供稿】 中国电气论文网 【作者】 王平 【中文关键词】 中压C-GIS  的原理与设计.    王平   【添加日期】 2005-9-1 【更新日期】 2005-9-1 【全部正文】 1 概述 1.1 C─GIS 的发展简史及特点柜式气体绝缘金属封闭开关设备，国际上简称C-GIS或有称GIS，是一种用于10～35kV或更高电压输配电系统以接受或分配电能并能对电力系统正常运行和故障情况下实行控制、保护、测量、监视、通讯等功能的新型开关设备。把GIS的SF6的绝缘技术、密封技术与空气绝缘的金属封闭开关设备制造技术有机地相结合，将各高压元件设置在箱形密封容器内，使之充入较低压力的绝缘气体，利用现代加工手段而制成的成套系列化产品称之为柜式气体绝缘金属封闭开关设备，简称C-GIS（Cubicle type Gas Insulated Switchgear），俗称的充气柜往往指的是C-GIS 与充气环网柜的统称。在上世纪70 年代末、80 年代初日本首先开发了84kV C-GIS,当时采用厚钢板焊接的密封箱体。随后，有更多的公司开发C-GIS产品，电压等级7.2～126kV；起初母线全部置于SF6气体中；有配真空断路器，也有配SF6断路器；上下隔离开关、接地开关、快速接地开关一一配齐，主接线与常规高压GIS基本一致；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。那时的绝缘技术主要是应用低压力SF6气体绝缘，充气压力一般在0.2MPa（表压）以下。现场安装需要进行抽真空、充气。到了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，且以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；对部分元件已开始外置，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，下隔离逐渐开始取消；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。这时除了应用低压力SF6气体绝缘技术外，固体的界面绝缘技术已开始在高压元件的插接上进行运用。到了2000年左右，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、避雷器等高压元件连接。有的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、充气。一次主接线得到了简化，新问世的产品均无线路侧隔离开关。传感器大量使用，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。采用压缩空气作绝缘介质的24kVC-GIS问世，并在电网上运行。国内于1996年下半年由西高所组织六厂一所开始研发40.5kVC-GIS，着手时就研制现场不需抽真空、充气的产品。于1999年制造出第一台样机，2000年制造出改进的第二台样机，于2001年首家产品的样机通过了全部型式试验，2002、2003年陆续又有多家企业通过了型式试验。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、焊接工艺为中压C-GIS的生产提供了必要的加工基础。中压C-GIS近几年在国际上发展速度很快，形成了系列化、信息化的高新技术产品，逐渐成为金属封闭开关设备的一个重要分支。ABB、西门子、Althom、日立、三菱等各大电气公司都有7.2～40.5kVC-GIS，产品已经系列化。现代的C-GIS逐渐形成自己的体系，摆脱了高压GIS以及常规开关柜的许多设计常规和习惯的束缚，形成了自己独特设计思想和设计风格。不再采用高压力而用较低压力（一般小于0.25MPa，20℃时绝对值，下同）的SF6气体、N2、混合气体（SF6+N2）或压缩空气作为一次主回路的的绝缘介质。由于解决了绝缘的连接和焊接工艺问题，C-GIS产品的柜体结构已发展为具有灵活组合、性能更好的铠装式柜体，各气室都是独立的，断路器气室、母线气室构成积木式结构，单母线、双母线组合灵活。一般以真空断路器为主开关，将真空断路器、三位置隔离开关、电流/电压传感器（或互感器）等高压元件及其之间的连接导体分别装于各功能充气室或集装于箱式的充气容器内。通过柜体上预留的插座孔由插接式电缆终端实现进出线，预留的插孔座也可插接避雷器、电压互感器等高压元件。当预留的插座孔或柜体连接的插座孔不需插接时则用专用的绝缘闷头堵上。所有的高压带电部件或置于SF6气体中，或采用固体绝缘介质并由接地屏蔽层或金属外壳封闭可靠接地。可以采用新型组合式电流/电压传感器，也可以采用传统的电流互感器、电压互感器进行一次主回路电流、电压的测量与监视，通过控制和保护单元遥控、遥测。这种开关柜的其它部分，如操动机构、控制和保护单元、气室外的二次回路、电缆室、泄压通道等仍置于大气中，便于监视与维护。就我国自行开发的40.5kVC-GIS产品而言，柜体结构为箱式单母线，一气体隔室或二气体隔室，其主要技术参数为：额定电流1250～1600A，1min工频耐受电压95kV，雷电冲击耐受电压185kV，额定短时耐受电流31.5kA，额定峰值耐受电流80kA，额定短路开断电流31.5kA，额定短路关合电流（峰值）80kA，SF6气体额定压力（20℃时、表压）：0.04MPa，外形尺寸：柜宽800，柜高2300左右，柜深1500左右。对于12kVC-GIS则在40.5kVC-GIS的基础上，将40.5kV部件更换为12kV相应的部件、调整相关的尺寸，基本结构不变。经过多年的研制，国内中压C-GIS产品在开发、生产、管理、运行等各方面都有了长足的发展。众多企业为了迅速占有市场，除了自行开发外，有分别引进欧洲、日本、韩国等国家和地区的技术的，也有技术合作的，产品品种多种多样，技术水平参差不齐，有的代表着世界先进水平，有的还处在上世纪九十年代初的水平，还需要技术改进。 1.2 C─GIS是技术进步的产物 1.2.1 绝缘技术的进步高压开关设备随着时代的前进在不断地发生变化，技术水平在不断地提高；经历了敞开式、柜式（金属封闭）、分相GIS、三相共箱GIS、C-GIS的变化过程，结构状态也经历了敞开、封闭、密封、元件复合化、设备复合化的变化过程，与之相应的绝缘技术也从空气绝缘、油绝缘、大气复合绝缘、高压力SF6气体绝缘、低压力气体绝缘、SF6复合绝缘的变革与发展。 C-GIS就是低压力气体绝缘、复合绝缘、固体绝缘技术发展的产物。 1.2.2 密封箱体制造技术的进步密封箱体的制造充分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、刚度提高，漏气率降低。密封箱体加工技术的提高给中压C-GIS的发展提供了基础条件。 1.2.3 工程实际的需要 40.5kV及以下电压等级的开关柜采用空气和固体绝缘的复合绝缘技术，应用中虽没有大的问题，但仍存在大气状态的影响，体积较大，隔一定时间要进行监测、清扫和维护。近年来出现的中压C-GIS体积更加缩小、不需要维修或少维修。实际工程中需要使用小型化、不受环境条件影响、可靠性高的开关设备。工程建设的综合经济效益优越。 1.2.4 企业发展的需要中压C-GIS的技术含量高，是生产厂家掌握的先进设计、生产工艺、检验技术、管理水平的具体体现，增强了企业的竞争实力。对市场而言；中压开关柜的用户多、用量大，要求各不相同，用户容易选用。 1.3 中压C─GIS的优点 a.小型化由于采用了先进的绝缘结构及非大气中的气体作绝缘介质，高压元件尺寸得以缩小，在箱形容器内排列方便、集装程度高，这就使得设备小型化。12kV级的C-GIS比一般的开关柜安装面积缩小了约1/3；40.5kV级的安装面积、体积也大大缩小，比目前12kV级的空气绝缘开关柜略大一点或相当。表1.1 C-GIS与空气绝缘开关柜尺寸、占地面积、体积的比较
b. 提高了可靠性、安全性因主回路的导电部分密封于SF6、混合气体或压缩空气等绝缘气体中，以及高压带电导体封闭，故C-GIS的最大优点是耐环境性优良，不受外界环境的影响，如凝露、污秽、海拔高度、化学物质、小动物等的影响，可使用在环境恶劣的场所，使设备长期安全运行，具有高可靠性；无触电和火灾的危险。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。 c. 维护简单因各高压元件或用气体密封或以金属封闭，零部件无腐蚀、生锈现象，也没有由此造成的操作方面、导电方面的影响，需维修的工作量很少。采用真空断路器或SF6断路器电寿命长、性能稳定，也可免维护或少维护。 d. 应用、布置方便中压C-GIS将各高压元件组成若干标准模块，通过组合可以满足各种主接线的要求，满足各种不同使用场合的需要。中压C－－GIS在制造厂总体装配、调试，整体运输，到现场后成套吊装就位，现场的安装时可不涉及SF6气体的处理。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进行扩容，或增加柜子向柜体的一边或两边进行扩展。三相高压元件设置在箱形的充气壳体内，易于采用电缆作为电源的引入、引出，与变压器的连接、布置方便，不受地皮、建筑物的限制，易于组成系统。 e. 与周围环境协调中压C-GIS采用柜形外壳后，同时又因外形尺寸大大缩小，与周围环境在布局、大小、外观等方面更加协调、更加相适应。 f. 经济效益优越在城市电网的升级和增容工程中，采用中压C-GIS会带来很大的经济效益。 1.4 中压C─GIS的用途随着经济的发展，工程建设越来越复杂，使用条件变化很大、地域越来越广，尤其是地下、高原、冻土、沿海、潮湿等环境条件，原来的产品是以空气作为绝缘介质的，随着海拔、冻土、沿海、潮湿、污秽等环境条件变化，其绝缘性能发生很大变化急剧恶化，已无法满足这些场合下的使用要求。中压C-GIS最初是针对这些使用问题而开发的新一代金属封闭开关设备。中压C-GIS产品在国外问世后，得到了长足发展，现在是结合了现代绝缘技术、开断技术、制造技术、插接技术、传感技术、数字技术生产出集智能控制、保护、测量、监视、显示、通讯等功能于一身的高新技术产品，使用气体绝缘的开关柜的比例一直在提高。国内外使用C-GIS的比例呈逐年上升趋势，环境条件差、可靠性要求高的建设工程、地下建筑、高原地区，空间狭小的高层建筑、集中的工商业区等是使用气体绝缘开关设备的最佳场合，对中压C-GIS有着广泛的需求。在西部地区，因海拔高、风沙大，如高原变电站等的建设，C-GIS是最佳的中压配电设备。在沿海地区以及污秽、潮湿的场合下，因环境条件潮湿、盐雾大、温湿度变化大、污秽，由绝缘问题而扩大的事故时有发生，也应是中压C-GIS最佳的使用场所。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、空间限制等因素，需要选用这种设备。我国诸多城市如北京、广州、上海、南京、深圳、沈阳等数十个城市正在建设或筹建地铁、轻轨，每条地铁线路需要该类产品200多面，地铁项目需要量大，且我国地铁、轻轨的建设还将持续很长时期。城市的地铁、轻轨建设项目中首选的最佳中压配电设备就是C-GIS。 2 中压C─GIS的原理中压C─GIS的基本原理是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或高压元件密封或金属封闭，达到耐受额定绝缘水平的要求；利用连接导体、开关元件、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、设备进行保护；使用现代的传感技术、数字技术及通讯技术进行控制、保护、监视、显示、记录等智能化管理。 2.1 低压力SF6气体或混合气体的绝缘技术 2.1.1 SF6气体或混合气体的绝缘特性高压电器中绝缘件的设计和绝缘距离的确定是以绝缘件表面、内部，电极表面，或气体间隙的许用场强为依据的。理想的SF6气体临界击穿场强为88.5kV/mm.MPa，而空气临界击穿场强为29.4kV/mm.MPa。由此推论在均匀电场下SF6气体的击穿场强大约是空气的三倍。但生产实际中SF6绝缘结构主要使用的是稍不均匀场，击穿场强总是低于这一数值，当间隙内最大场强达到某一击穿场强Eb时，间隙即被击穿。影响击穿电压的因素较多，如气体压力、电压形式和极性、间隙长度、电场不均匀程度、电极表面粗糙度、电极材料和电极面积等，与间隙中的最大场强密切有关，要精确计算只能借助机算软件来完成。电场不均匀程度对SF6气体击穿电压的影响远比空气为大。因此，在绝缘结构设计时应采取各种措施使之避免。SF6电器设备中要使电场设计的完全均匀几乎是不可能的因而大多采用稍不均匀电场的结构。需要指出的是： ⑴随着间隙距离的增加，电场不均匀程度亦增加，击穿电压的增加愈来愈慢，电压增加出现饱和现象。因此SF6电器设备中不能单纯依靠加大间隙距离来提高击穿电压，改善电场分布更为重要。 ⑵提高SF6气体的压力是提高击穿电压的有效措施，但会受到箱形密封壳体的强度、刚度、密封性的制约。 ⑶稍不均匀电场中存在有极性效应，负极性的击穿电压低于正极性。 ⑷不均匀电场中正极性的击穿电压低于负极性。 ⑸根据空气中的结果，并假设SF6和空气间的绝缘强度的某一倍数去设计SF6气体系统不会得出满意的结果。 ⑹不均匀电场的情况下，在冲击中，由于形成空间电荷所需的时间几乎是没有的，所以不取决于气体压力，在可选用的范围内即使让压力上升闪络电压也不上升。研究者门通过大量试验总结出一系列经验公式。对于同轴圆柱电场，当P＝0.1~0.4MPa（绝对值）、内电极直径d=38~200mm、电极表面粗糙不超过30μm时，击穿场强有如下经验公式： Eb＝A×P＋B P─SF6气体压力，MPa，绝对值。 A、B─与施加电压极性有关的系数，见表2.1。
2.1.2 SF6气体绝缘性能与浓度的关系在空气、SF6混合气体中，球对板间隙（均匀电场）和棒对板间隙（不均匀电场）上施加正极性雷电冲击，闪络电压随空气、SF6混合比而变化，见图2.1。
SF6与N2、CO2、空气等的混合气体中SF6与空气的混合气体绝缘特性为最佳。SF6、空气混合气体比起同一气压下的纯SF6来说有着对杂质的影响不敏感的优点。40：60的SF6、空气混合气体达到同样的绝缘水平，要运行于稍高的气压（10%）。 2.1.3 SF6气体绝缘性能与压力的关系 SF6气体压力在0.10~0.15MPa（绝对值）范围内变化时，球对板间隙（均匀电场）和棒对板间隙（不均匀电场）上施加雷电冲击，闪络电压与SF6气体压力的关系见图2.2。由图可知，按均匀电场考虑的球对板间隙随着气体压力的升高，闪络电压同时也成比例地上升；而按不均匀电场考虑的棒对板间隙随着气体压力的升高，闪络电压几乎没有变化，也就是说提高气体压力对不均匀电场耐受电压的提高没有太大作用。由此表明设计中压C—GIS时，充分利用该特性效果会很显著。耐受电压并不仅仅取决于充气压力，按接近大气压的充气压力设计C-GIS时,解决密封壳体的强度、刚度、密封性等问题时就要经济得多。 2.1.4 三种物质接触点的作用三种物质接触是指金属电极与固体绝缘子接触时，其周围的绝缘介质是SF6气体，而在金属电极与固体绝缘子接触线（点）上也与SF6相接触，称为三物质接触。由于SF6气体的介电常数比固体绝缘材料的小，在三种物质接触点上介电常数小的一侧电场强度升高，容易出现碰撞电离并发展成沿面闪络，是绝缘上的薄弱环节。电极与固体绝缘子接触时会形成楔形的微小间隙，使得电场升高。实际结构中一方面应修改电极形状和绝缘件表面形状，改善电场分布；另一方面应设置屏蔽以防止绝缘子与电极接触处电场集中。 2.1.5 支柱绝缘子的设计由固体——气体绝缘组成的复合绝缘比单独气体绝缘，其绝缘强度随气压之增加得较少。在较高气压下的绝缘强度受绝缘子的影响比受气体的影响要大得多，而在低气压下绝缘强度没有明显下降。设计中应以冲击击穿判据作为设计依据。对支柱绝缘子和绝缘拉杆的基本要求是： ⑴有足够的绝缘强度，能够长期承受运行电压作用，无明显局部放电和老化现象，并能短时耐受绝缘水平规定的工频电压和冲击电压。 ⑵有足够的机械强度，能承受开关操作的作用力，装配中与运输中的冲击力，以及短路电流的电动力等。当SF6沿面绝缘结构中最大场强达到某一数值Eft时发生沿面闪络。影响Eft的因数很多，更为复杂。一般情况下，绝缘子在SF6气体中沿面闪络电压可按下式估算： Ubt＝β×Eft×d 式中：d—绝缘间隔距离（即绝缘子高度） Eft–绝缘子沿面闪络场强。负极性雷电冲击电压工程闪络场强Eft＝5.6×(10P)0.66kV/mm 工频电压工程闪络场强Eft＝4.5×(10P)0.64kV/mm P 的单位为MPa，绝对值。 β—考虑有绝缘子存在时，电极间隙的综合利用系数，主要取决于绝缘子形状和绝缘子高度与直径的比值，β＝0.5～0.9。支柱绝缘子和绝缘拉杆的形状、尺寸需由试验来验证。 2.2 低压力压缩空气绝缘技术由于压缩空气的获得、处理要比SF6气体经济得多，也没有SF6气体的温室效应问题，用其作绝缘介质对社会和用户都有益。各种电极形状在压缩空气中的绝缘特性有一些参考文献报导过，但是能在设计中直接应用的数据还很少，需对各种电极形状的绝缘特性做一些实验研究。国外的7.2～24kVC—GIS中采用压缩空气、N2绝缘已经很多了；在36kV也有过采用压缩空气的报道；在40.5kV产品中仍然采用SF6气体绝缘。在中压C—GIS中采用压缩空气作绝缘介质是发展方向之一。
2.3 低压力气体中的载流与散热中压金属封闭开关设备中散热的主要途径是对流、传导、辐射。同等压力下，SF6的分子量大、粘度小（比空气、N2小）比空气、N2形成更加广泛的气体环境，使之通过对流传热比一般的气体更为有效。当中压C—GIS压力越高，在对流散热方面越有利；在绝缘上因导体与壳体间的距离较远，或采用不锈钢壳体，壳体内流过的涡流损耗较小，这是有利因素。对于小电流C—GIS，在温升方面不存在问题。大电流C—GIS温升是难点。解决温升主要是通过降低发热量、降低电流密度、增强辐射和传导来解决，可采取的措施： ⑴降低导体损耗，控制导体电阻率，降低电流密度，降低回路电阻； ⑵降低涡流损耗； ⑶提高辐射率； ⑷增大散热表面积以及使用散热器； ⑸提高耐热性能； ⑹采用冷却技术。 2.4 真空断路器的开断技术发展经过十多年的发展，真空断路器的开断技术有了较大提高，开断能力强、电寿命长、可靠性高，灭弧室部分免维护，允许开合额定短路开断电流的次数多在20次以上，特别适合于要求频繁操作的场所。这些优点是其它断路器无法比拟的，特别适合在中压C—GIS中配置。 3 中压C—GIS的设计 3.1 中压C—GIS的总体设计中压C-GIS总体设计的核心是产品整体设计的可靠性，包括整体电气可靠性和整体机械可靠性。电气可靠性包括：真空断路器的开断与关合性能，主回路电接触的可靠性，短路电流下的电动及电热稳定性；同时还包括二次电气元件的可靠性，如分合闸电磁铁、辅助开关、转换开关、继电器、接触器、压力表、传感器等。整体机械可靠性包括：高压开关操动机构及传动系统操作的可靠性和机械寿命，对运输震和地震破坏力的适应性。需要考虑的主要问题表现在总体结构、绝缘结构、密封结构、操动机构及传动、执行的标准、产品的可靠行、经济性以及产品的模块化、系列化。 3.1.1 中压C—GIS 的总体结构与元件配置 ⑴需要实现的一次主接线方案根据一次主接线典型方案来考虑总体形状和尺寸、配置所需的一次高压元件、划分气室、其他方案的兼顾等。在典型方案的基础上通过变换高压元件、简单地改变结构来尽可能多地实现各种不同的主接线。由于对C-GIS气室内的高压元件检修非常不方便，考虑主接线方案时与空气绝缘开关柜有所不同。因在C-GIS柜内配置了电寿命长的真空断路器或SF6断路器，国外各大电气公司生产的中压C-GIS均没有线路侧隔离开关和接地开关。如果在线路侧设置隔离开关和接地开关（或故障关合接地开关），当误操作后电弧造成的SF6分解物对柜内的环境污染很大，势必影响柜内其它元件的正常运行，那么一旦误操作，整面柜子必须检修。又因故障关合时，常规接地开关关合短路电流的电寿命仅有2次，关合短路电流后需要检修。如果通过断路器进行接地操作即使误操作也不会对柜内环境造成污染，也就是说不会对柜内其它元件的正常运行造成影响，只要电寿命不超过断路器允许的次数，整个柜子就不必要检修，延长了检修周期，如果其它问题处理的好在柜子的整个寿命期可以做到不检修，对用户有利。另外，如果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。没有线路侧隔离开关和接地开关（或故障关合接地开关）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。这种主接线实际上对提高运行可靠性是有利的。可实现的一次主接线有单母线、单母线分段、双母线、双母线分段。
⑵总体结构布置纵观各种类型的中压C-GIS，可以明显地看出总体结构与母线的结构有密切关系，母线的结构对总体结构有限制要求。为了使母线在现场便于安装，总体结构自然就顺应母线结构来确定了。一次主回路仅母线、三位置隔离开关、断路器三个主要模块，按它们之间的相对位置总体结构可以划分为三大类：上中下布置、下中上布置、后中前布置。将GIS技术与常规开关柜技术有机结合并发展。上中下布置的典型产品是日本三菱公司的HS-X，非常适合于插接式固体绝缘母线。
下中上布置的典型产品是上海天灵开关厂的12kVN2S、ABB公司的ZX1.2，非常适合于充气母线室+母线连接器。这种布置实现双母线不太方便。后中前布置的典型产品是ALSTOM公司的WS型12～40.5kVC-GIS，非常适合于气体绝缘母线。使用充气母线室+母线连接器这种母线结构不但适用于下中上布置，也适用于上中下布置、后中前布置。SIEMENS公司的NXPLUS型24～40.5kVC-GIS、ABB公司ZX2型12～40.5kVC-GIS也均为上中下布置。
由于采用了新型的硅橡胶连接头，C-GIS结构由箱式向铠装式发展，形成互不影响的独立气室、积木式结构，组合灵活；以低压力SF6气体作为绝缘介质，在诸多方面与空气绝缘开关柜、GIS存在较大的区别；利用方形容器布置高压元件；专用的真空灭弧室，使中压C-GIS外形尺寸大大减小；专用的三位置隔离开关及其操动机构，将隔离、接地复合为一体，在实现接通、隔离、接地功能的同时，减少了元件数、降低了制造成本，提高了可靠性；按智能化的要求配置新型传感元件。许多高压元件采用了插接技术，利用新工艺、新结构制造的各种插接头、座，内锥插接式电缆终端头、外锥插接式电缆终端头以及插接式电压互感器、插接式避雷器等新元件，可便于现场安装和使用。在此基础上设计小型化、柜体结构布置灵活简便、可靠性高的中压C-GIS。 ⑶基本柜型及组成元件中压C-GIS按柜的用途可分为进线柜、出线柜、母联柜、母线提升柜、测量柜等实现不同功能的柜型。按实现的一次主接线方案又可细分为：a. 单母线及单母线分段，b. 双母线及双母线分段。按气室的多少可细分为：a. 单气室，b. 二气室，c. 三气室或多气室。按各柜型中隔室的功能及主要组成部件可分为：断路器气室、三位置隔离开关（包括母线或母线的一部分）气室、电缆隔室、控制及仪表隔室、机构隔室，泄压隔室、固体绝缘母线或母线联接器等。密封壳体的结构类型主要分为三大类：a. 钢板封闭方箱型，b. 铝筒或钢筒封闭圆筒型，c. 部分圆筒、部分方箱型。现代中压C-GIS绝大多数采用钢板封闭方箱型。进线柜主开关均配真空断路器，除此外还配有三位置隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器，多条电缆进线。出线柜主开关多为配真空断路器，也可以配负荷开关或负荷开关+熔断器组合电器。出线柜其他元件的配置在很多情况下与进线柜基本一致，一条或多条电缆出线。母联柜主开关为真空断路器，还配有三位置隔离开关。可以是左联络，也可以是右联络，实现母线分段。根据需要配电压互感器、避雷器。母线提升柜需与母联柜配合使用，不再配主开关，配有母线电流互感器、三位置隔离开关。根据需要可配电压互感器、避雷器。在总体设计中要统筹额定电压10kV、40.5kV是否能够采用相同柜型；单母线、双母线的气室是否能够兼顾，模块是否通用；不同额定电流、额定短路开断电流柜型是否能够成系列。 ⑷ 母线结构现代C-GIS中非常重要的一个元件就是母线联接器，其作用是：当产品现场安装拼柜时，在不打开密封箱体上的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、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。用类似结构也可解决其它高压元件的绝缘插接。目前有三种类型的母线结构并存：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。母线采用何种形式主要是与对制造精度要求的高低，现场安装时是否涉及SF6气体的处理、抽真空，现场安装的方便程度有关。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、气体绝缘母线＋固体绝缘母线连接器现场安装时不需要打开密封盖板，前者用插接件将母线单相地连接起来，母线是干式的；后者柜内的母线是共箱、气体绝缘的，柜间是用硅橡胶连接器连接靠固体绝缘材料的界面绝缘。插接式固体绝缘母线或充气绝缘母线+母线连接器优点除了不受尘埃和凝露的影响外，便于母线连接、分段或改接，前者对制造、现场安装的精度要求略低，前者对制造、现场安装的精度要求较高。 ⑸ 断路器中压C—GIS中配置的是真空断路器或SF6断路器，充分发挥了真空断路器或SF6断路器灭弧室开断能力强和电寿命高的优点；采用真空断路器占90％以上，但有一些用户要求使用SF6断路器。配真空断路器存在截留过电压问题。配SF6断路器需要增加一个SF6气室，且气体压力较高，人们正在研究低压力（≤0.35MPa）SF6断路器的开断技术。在总体设计中也可尝试即可配真空断路器又可配SF6断路器。 ⑹ 三位置隔离开关隔离开关、接地开关复合化，组合成三位置隔离开关减少了元件数，自然提高了可靠性。近年来各国开发的中压C—GIS全部采用三位置隔离开关。 ⑺ 电流/电压互感器或传感器电流互感器、电压互感器或电流/电压传感器如何配置，信号输出的匹配。位置传感器、密度传感器的使用。目前，使用互感器的比例大。 ⑻ 控制和保护单元使用现代数字技术与软件技术配合开关元件、传感器等实现控制、保护、联锁、检测等基本功能。如果需要常规二次亦可。 ⑼ 电缆终端电源的进出方案、容量大小，由电缆终端的结构决定。电缆通过插接式电缆终端进出线。电缆终端有内锥、外锥两种结构形式。外锥通过扩展绝缘子实现多根电缆并联进出线，但扩展后的电缆数量一般为2根。内锥直接通过预留插座并联进出线，可并联多根电缆，目前最多的为4根。 ⑽ ZnO避雷器使用插接式ZnO避雷器便于连接，且置于充室外部。 3.1.2 中压C—GIS绝缘结构的设计大气中的绝缘件比较注意标准中规定的电气间隙和沿面放电距离。但是，GIS中的绝缘件在进行结构设计时考虑更多的是电场分布的均匀性、受两端电极形状影响的电极耐受最大冲击场强的能力，以及绝缘件表面场强、绝缘件内部工作场强和支撑绝缘件壳体的表面场强。绝缘结构的设计是C-GIS设计的重点与难点之一。主要有五方面的内容：气体间隙的电场设计、穿墙套管的设计、支柱绝缘子的设计、绝缘拉杆的设计、插接头与座的设计。 C-GIS的绝缘结构更多地吸收了GIS的技术经验，在此基础上结合C-GIS的具体要求和特点又有了较大的发展。绝缘结构设计的核心思想就是：优化电极形状，降低电场强度，合理分布电场，提高可靠性。电场设计中需要采取措施去控制电场。使用的绝缘类型有气体绝缘、沿面绝缘、固体绝缘、界面绝缘。气体绝缘：在主回路导体与密封箱体之间、隔离开关断口间用气体绝缘。沿面绝缘：用固体绝缘件作介质，构成主回路导体、断路器、隔离开关的电极等带电部分与密封箱体之间的对地绝缘或导体间的相间绝缘。SF6气体中的沿面绝缘特性取决于最大电场，一产生电晕就很容易引起沿面的闪络，所以即使在绝缘件的沿面上也必须有为实现电场衰减的结构。SF6气体、电极以及绝缘件接触的部分会出现电场上升现象，对电场产生影响，成为绝缘上的薄弱点。固体绝缘：采用环氧树脂材料作绝缘介质，芯部布置高压导体，浇注成形，表面通过液态金属喷镀法进行锌喷镀或通过涂敷半导电层等方法设置一接地的金属层或半导电层。芯部高压导体与接地的金属层或半导电层间靠固体绝缘材料耐受电压。表面层粘合力大小与喷镀的种类、粒度、金属喷镀枪、膜厚等有关。表面层万一发生碰撞、剥落，其端部就会造成局部放电的发生。因为固体绝缘材料比SF6气体的击穿场强大的多，因此现代中压C-GIS中大量采用带屏蔽的固体绝缘结构，将高场强集中于固体绝缘材料内，使SF6气体及绝缘材料表面承受较低的场强，使电场分布更加合理，充分发挥了不同绝缘介质的潜力，这样可有效减小绝缘结构的尺寸。界面绝缘：将硅橡胶等弹性材料压接在环氧树脂的表面上用该界面维持绝缘，与表面压力、界面光洁度、V-t特性有关。对于场强高而集中的穿墙套管采取措施，改变电场分布，将高的场强作用于固体绝缘介质上，使气隙、沿面的场强大幅度下降，这样的场强分布非常合理，对击穿场强高的介质作用于高电场强度，击穿场强底的介质作用于低电场强度，还可以大大减小穿墙套管直径和柜宽尺寸。所有电极外表面要光洁，通过倒圆角避免出现尖端使局部电场得到改善。插接母线、插接式电缆终端及其它插接件等暴露于空气部分的外表面都应做成带屏蔽的结构，且可靠接地或金属封闭。这样中压C—GIS中的所有高压元件不论是全部在SF6中，还是部分位于SF6气体中、部分位于空气中均不受外界环境的影响。常将几种绝缘类型同时复合使用，形成复合绝缘结构。在低压力SF6气体中，通过加大电极间的气隙距离已经意义不大。在不均匀电场中气体间隙大到一定程度后，电极间的耐受电压呈饱和趋势，耐受电压的提高很有限。只有通过改善电极形状使之改善成为稍不均匀电场或均匀电场，才是提高耐受电压的最有效途径。绝缘子的设计需要通过电场计算及优化来完成。电场优化的目的就是缩短开发周期、高精度地开发设计、降低开发费用，同时兼顾机械强度、浇注工艺，求得最佳电极形状，使绝缘结构电场分布合理、尺寸合理、安全可靠。电场优化的主要原则： ⑴电场强度大小：控制最大场强在设计许用值以下，一般为许用场强的85%，这是优化电场的首要目的。 ⑵电场强度方向：通过改变电极形状、绝缘子表面形状来调整等位线分布及走向，控制绝缘件表面的场强方向，尽可能降低绝缘件表面的切向场强分量。 ⑶电场均匀度：通过控制电极使场强均匀，同时也可用控制电极合理分配场强，调整等位线分布，使击穿场强高的固体绝缘材料承受更高的场强，而使击穿场强低的气体承受较低的场强。 ⑷电场屏蔽：对可能产生气泡、小气体间隙、尖角的局部进行屏蔽，排除这些局部缺陷对绝缘的影响。
3.1.3 中压C—GIS SF6气体充气压力的确定首先中压C—GIS是在低压力范围内选择SF6气体充气压力（一般小于0.25MPa）。确定SF6气体充气压力需要考虑下列因素： ⑴充气壳体强度的合理化，考虑合理的内外压力差，压差太大对充气壳体的强度、刚度都会带来制造上的问题。 ⑵借助SF6气体的绝缘特性使设备缩小体积，在最低功能压力下应能耐受额定绝缘水平。 ⑶在最低运行温度下不会产生负压。当密度、容积不变的情况下，随着环境温度的下降，气体压力也会下降。考虑年漏气率限制在1%以下，10年不补气以及密度传感器的精度后确定的最低充气压力应为0.12MPa。 ⑷气体密封性，要考虑温度、海拔对密封带来的影响。 ⑸周围环境的大气压力。当中压C—GIS运行于高海拔地区时，压强随海拔高度的增加而降低，那么充气壳体的内外压差会增大，要么降低最低功能密度，要么提高气密性要求。 3.1.4 中压C—GIS 设计中执行的标准中压C—GIS设计中依据的主要的国家标准、电力部标准、IEC标准见表3.1。

GB3906-1991、GB/T11022-1999、GB4208-1993、IEC62271-200:2002是总体设计应考虑执行的标准。GB1984-2003、JB3855-xxxx、IEC 62271-100:2001 是真空断路器设计应执行的标准。GB1985-2004、IEC 62271-102:2002是三位置隔离开关设计应执行的标准。GB11033-1989是电缆附件设计应执行的标准，并参照DIN47636、DIN47637、BSEN50181。GB1208-1997、GB1207-1997是电流、电压互感器设计与选用应执行的标准。此外对电子元件还应考虑执行IEC1000-4-4、IEC1000-4-12等电磁兼容性方面的标准。 3.2 中压C-GIS的密封密封要考虑到压缩量、寿命、老化、可靠性方面的因素，以及尺寸标准化、系列化。当密封箱体内气体压力下降到大气压力时，似乎箱体内外的气体压力相等不存在泄漏。但从渗透角度考虑，密封箱体内SF6的气体浓度显然高于箱外，SF6气体仍向外渗出，反之其外部空气浓度高于箱内，空气又将通过缝隙进入箱内。时间一长，虽然密封箱体内气体压力仍为大气压强，但气体成分发生了变化。SF6气体所占的百分比降低，待SF6比例降到40％时有可能由于绝缘性能下降而导致事故，因此密封问题必须十分重视。针对中压C-GIS SF6气体压力低、机械寿命要求高、小型化的具体特点，所采用的密封结构与高压GIS有又较大区别，为了适应结构简化、尺寸小、制造成本低、便于规模化生产的要求，于是采用了新型密封箱体结构及焊接工艺技术，如：使用新型设计结构、制造工艺、焊接工艺、检验方法等（如激光焊接技术）生产高尺寸精度、小焊接变形的耐腐蚀方箱形密封箱体，满足气密性、强度、刚度的要求。采用金属波纹管解决动密封的寿命问题。中压C—GIS的年漏气率限制在0.5%或1%以下，因其额定压力低，与大气压的压差小，该漏气率比较容易达到。中压C—GIS中采用的密封方法如下:
在充气壳体设计时将容器的承力焊缝和气密性焊缝分开处理，容器的气密性焊缝不承力，承力是靠内部筋板来承担。这样就不用担心容器受力后的焊缝气密性问题。在充气壳体设计时将容器的承力焊缝和气密性焊缝分开处理，容器的气密性焊缝不承力，承力是靠内部筋板来承担。这样就不用担心容器受力后的焊缝气密性问题。以简化，仍可实现可靠的静密封。采用金属波纹管制造技术将动密封问题转变成端面静密封问题，提高了机械寿命后密封的可靠性，且有高寿命、高可靠性的优点。 3.3 中压C—GIS充气壳体的设计 3.3.1 箱形充气壳体设计中应考虑的事项 ⑴确定充气壳体设计压力应考虑的有关因素 a.根据中压C—GIS的基本参数选择最佳额定充气压力值，要求在最小功能压力下具有额定绝缘水平。外壳的设计压力，至少是在设计温度下外壳能够出现的压力上限。设计温度是周围空气温度的上限加额定电流流过时气体的温升。 b.充气壳体在使用过程中是否采用抽真空工艺，以及可能出现的最大压力差。 c.耐地震的强度，确定设计的地震力即水平加速度0.15g（相当于地震烈度8度）或水平加速度0.3g（相当于地震烈度9度），共振的正弦波以及安全系数，在基础下加震。 d.内部燃弧故障时压力的上升水平，以及防爆装置设置的释放压力。 GB3906-1991中给出设计压力的最大值可参照下式计算：设计压力最大值MPa（表压）=〔额定充气压力（表压）+0.1〕×1.3-0.1 综合上述几点因素可能出现或计算出的最大压力值就确定为设计压力。 ⑵影响充气壳体形状、结构、外观的有关因素 a.根据C—GIS的形状和构成决定充气壳体的形状，进出线的形式不同，充气壳体形状不同。 b.元件的固定方法。柜形充气壳体是由薄板构成的，装入其内元件的固定方法应充分利用充气壳体的加强筋、加强板。 c.元件的连接方式、气隔的划分以及充气壳体隔板的构成影响着如何加强充气壳体强度。由母线、电缆的引入方式来确定相应联接部分的结构。 d.确定充气壳体的形状时应考虑与环境相适应。 e.充气壳体外表的颜色应与周围环境相协调。 ⑶选择充气壳体材料的有关因素选用箱形充气壳体的材料时要考虑其强度、重量、加工性能、材料的延伸率、经济性以及C—GIS的额定电流等，尤其是按其使用目的来选择和使用，充气壳体常用的材料有：结构用钢板、不锈钢板、硬铝板等。充气壳体箱体应尽量避免薄、厚板焊接，尽量采用同一板厚，提高加工性、减少焊接变形。充气壳体的密封盖板应选用强度、刚度（材料的延伸率小）均优于不锈钢的碳素结构钢板。 3.3.2 箱形充气壳体的强度分析箱形充气壳体的形状、加强方法等一般是不对称的，同时又是薄壁容器，影响因素很多，很难用简单计算法进行强度分析。因此，必须以有限元等方法用计算机进行强度的数值分析计算并优化，用实际样品进行压力试验。 3.3.3 减小箱形充气壳体应力的措施降低充气壳体应力、提高刚度的措施主要是从增强薄弱部分的加强筋、减少应力集中、增加名义板厚等方面考虑。 a. 采用波形板； b. 元件的安装板兼作容器的加强板； c. 采用双层板； d. 气隔单元的隔板兼作容器的加强板； e. 在拐角处设加强筋； f. 在拐角处设圆角； g. 板搭接处设加强筋； h. 加厚板的厚度。 3.3.4 箱形充气壳体性能的验证箱形充气壳体是C—GIS的一个组成部件，需要作性能验证试验。例行水压试验压力耐受试验气密性试验，一般是在额定压力下进行的，但也可以按最高使用压力进行。 3.4 中压C—GIS 用断路器的配置中压C—GIS中配置的断路器要求开断能力强、电寿命长、可靠性高，灭弧室部分免维护。真空断路器、SF6断路器都具有开断能力强、电寿命长、可靠性高的优点。尤其是真空灭弧室的绝缘性能好，触头开距小，电弧电压低，电弧能量小，开断时表面烧损轻微，灭弧室部分无需检修。真空断路器的机械寿命和电寿命都很高，通常机械寿命和开合负载电流的寿命都在万次以上，允许开合额定短路开断电流的次数多在20次以上。特别适合于要求频繁操作的场所，这是其它断路器无法比拟的，因此中压C—GIS中90％配置的是真空断路器。 C—GIS中真空灭弧室是置于SF6气室内，外部的SF6气体绝缘强度高，真空灭弧室就没有必要像常规产品做得那样长，需配用专用的真空灭弧室使其轴向尺寸大大减小，这样的话排除了外部环境因素对真空灭弧室外绝缘的影响，提高了可靠性，布置也变得紧凑、方便。真空断路器在使用中灭弧室部分无需检修，开断过程中不会产生很高的压力，爆炸的危险性小，开断短路电流时也没有很大的噪声。真空断路器在开断小电流时会出现截流现象。出现截流的机理主要与触头材料的特性有关。截流会产生过电压，为安全起见应在负载侧考虑加装过电压保护装置，将电压仰制在一定范围内。常用的有ZnO避雷器和阻容保护装置。 SF6灭弧室目前主要是采用压气式和自能式灭弧原理。因绝缘和熄弧的需要，灭弧室内需要有较高压力的SF6气体，一般都大于0.25MPa。对中压C—GIS而言无疑是增加了气室数量和提高了密封要求。SF6灭弧室在电流过零时，靠动、静触头间产生的压力差，形成吹弧的气流来熄弧。这种压差的建立要求触头间的开距、行程均较大，需要的操作功大。SF6灭弧室额定短路开断电流大、寿命长，允许开合额定短路开断电流的次数多在20次以上，机械寿命长，开断小电流时无截流现象，受到一部分用户的青睐。真空断路器的结构有垂直布置和水平布置二大类。垂直布置与常规的真空断路器类似，结构、工艺、装配都比较成熟，深度尺寸利用率不高，占用的高度尺寸要大。水平布置是针对C-GIS整体布置的特点和要求，充分利用深度尺寸同时降低高度尺寸，使得内部导体的联接、安装便利，连接导体的走向顺畅，调整要比垂直布置困难。 3.5 中压C—GIS三位置隔离开关的设计三位置隔离开关的结构分为直动的导电杆型与转动的闸刀型两大类。布置方式有沿柜宽布置三相的正装和沿柜深方向布置三相的侧装，均为三相机械联动。联动杆有两种类型：转动式三相联动，可以是一根转轴同时带动三相刀闸转动，也可以是三根转轴通过变换成为同时分别带动三相导电杆的直动；平动式三相联动，可以是一根拉杆同时带动三相刀闸转动，也可以是由三根拉杆同时分别带动三相刀闸转动。目前使用的三位置隔离开关操动机构的结构形式、动作原理多种多样，是设计的难点之一。 3.6 预制插接式电缆终端的配用预制插接式电缆终端有两种结构形式：外锥插接式电缆终端、内锥插接式电缆终端；带外屏蔽层，不受尘埃和凝露的影响。电缆通流导体截面积70～500mm2,根据额定电流大小具体选择。 3.7 中压C—GIS电流、电压互感器/传感器的配置可配置传统电磁式电流互感器、电压互感器或配置新型电流/电压传感器。
3.8 中压C—GIS避雷器的配置配置金属封闭插接式ZnO避雷器，具有压力释放装置，可配放电计数器。 3.9 中压C—GIS的控制和保护单元中压C—GIS正朝着智能化方向发展，将先进的一次设备、新型传感器和现代计算机技术的有机结合，在传统一次元件优化设计的基础上，采用新型传感元件，配用先进的微机控制保护单元，并将人工智能同现代计算机技术结合具有控制、保护、测量、通讯、监测、故障录波和事件记录等功能，实现运行状况的实时监测和故障的预测。智能化中压C—GIS通过控制和保护单元监测断路器的工作状态以及充气壳体的SF6气体压力，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，记录故障信息，实现数字化（信息化）继电保护，取代常规的二次。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。 3.9.1 中压C—GIS控制和保护单元的基本功能控制和保护单元的作用是完成电量测量值与状态的采集、联锁、报警信号的发出以及设备的控制和监视等。包括的主要接口：分别用于电压、电流、气体密度等模拟量的数字接口单元；分别用于断路器、三位置隔离开关的开关量接口的控制单元，完成对一次设备的控制和状态量采集；完成柜内设备联锁、状态显示、报警信号的发出等。控制和保护单元应该集成以下基本功能： •主母线保护 •分支母线保护 •控制（各开关的控制、开关柜的联锁及操作顺序控制） •测量 •故障信号和报警 •与上级监控系统的连接 •通过显示器可以显示各高压元件配置和位置的单线图。电流值、电压值、功率计算值、有功功率、无功功率及操作次数、运行时间等数据可以在液晶显示器上显示，报警和故障信号通过发光二极管、蜂鸣器进行报警，并配合文字加以显示。 •通过光缆可以与上级监控系统连接。 3.9.2 中压C—GIS传感器系统 •组合式电流/电压传感器。使用电流、电压互感器时，需要将输出量进行变换，与控制和保护单元的输入量相匹配。 •电容分压装置。 •绝缘气体压力传感器。 •断路器、三位置隔离开关位置传感器。 •断路器弹簧储能状态传感器。 3.9.3 中压C—GIS一次元件间的联锁根据上述的典型一次主接线方案确定的联锁条件为： a. 断路器在操作过程中或处于合闸位置时，三位置隔离开关闭锁，不能操作； b. 三位置隔离开关在操作过程中，断路器闭锁； c. 三位置隔离开关处于接地位置时，通过电缆侧高压带电显示装置检测电缆侧回路状态，确认回路失电时，断路器方可进行合闸操作； d. 断路器、三位置隔离开关正常运行时可以是远方电动操作，但也可以实现就地电动操作，远方电动操作、就地电动操作间应有电气联锁； e. 此外，三位置隔离开关的手动操作和电动操作也必须联锁，即做到手动操作时不能电动操作；电动操作时，也不能手动操作。由上述的一次主接线方案和联锁条件可以确定停电操作程序、送电操作程序。 a. 停电接地操作程序：先操作断路器至分闸位置；确认断路器处于分闸位置后，操作三位置隔离开关至隔离位置；确认其处于隔离位置后，操作至接地位置；检测并确认回路失电后，操作断路器至合闸位置，实现线路侧接地。 b. 恢复送电操作程序：断路器处于合闸位置，三位置隔离开关处于接地位置。先操作断路器至分闸位置；确认断路器至分闸位置后，操作三位置隔离开关至隔离位置；确认其处于隔离位置后，继续操作至接通位置；确认三位置隔离开关处于接通位置后进行断路器合闸操作。 3.9.4 中压C—GIS 的在线检测除了上述状态监视之外，故障预测是人们关心的焦点。通过局部放电的监测及早发现绝缘方面的潜在故障通过对开关元件机械特性的监测、对比分析，对可能的故障进行报警。通过对气体密度的监测，对存在的漏气现象进行报警。通过对电流、电压的监测，可对运行的状态、故障进行分析。 3.10 中压C—GIS 的水分控制 3.10.1 水分控制的重要性 SF6气体中的水分必须控制在一定限度内，否则将给SF6电器设备的安全运行带来问题。但是低压力下的水分含量测量有操作上的困难。中压C—GIS中SF6气体是用作绝缘介质，当绝缘件表面出现凝露会对绝缘性能带来不利影响。通常SF6中的水分以水蒸气形式存在。在温度骤降时，可能冷凝成露水附着在绝缘件表面，出现沿面放电事故。灭弧室内的水分对灭弧性能有很大影响。 3.10.2 水分控制值的确定在充气壳体中，当液态的水和气态的蒸气处在蒸发、凝结的平衡状态时，这时的水蒸气压力、密度称为饱和压力和饱和密度。由于水蒸气饱和压力和饱和密度只取决于水分子热运动的平衡状态，因此饱和压力和饱和密度只与温度有关，而与同一空间内是否存在其它物质无关。SF6气体中的水蒸气在什么条件下凝结成露水或冰，取决于SF6气体中水蒸气的分压力和密度在什么温度下达到它的饱和值。水蒸气0℃时的饱和压力为611Pa，饱和密度4.52g/m3；水蒸气-10℃时的饱和压力为259Pa。 SF6电器设备中允许的水分含量通常以体积比（或重量比）表示。因为气体压力是由分子平均热运动形成的，同一温度下气体分压力之比就是分子密度之比，也就是体积比。因此对于SF6气体和水蒸气来说：水分含量(V/V)＝VV／VSF6＝PV／PSF6≈PV／PVV、PV、VSF6、PSF6 P分别为水蒸气、SF6气体的体积和分压力，P为充气壳体的充气压力P＝PV＋PSF6≈PSF6。充气壳体充气压力为0.15MPa(绝对值)、按0℃出现凝露时，允许的水分含量(V/V)的最大值为水分含量(V/V，0℃)＝PV／P＝611／（0.15×106）＝4073.33×10-6转变为20℃时的控制值为：水分含量(V/V，20℃) ＝(293/273)*水分含量(V/V，0℃) ＝(293/273)*4073.33×10-6 ＝4371×10-6 同理，充气壳体充气压力为0.15MPa(绝对值)、按-10℃出现凝露时，允许的水分含量(V/V)最大值为1853×10-6；充气壳体充气压力为0.10MPa(绝对值)、按0℃出现凝露时，允许的水分含量(V/V，20℃)最大值为6558×10-6；充气壳体充气压力为0.10MPa(绝对值)、按-10℃出现凝露时，允许的水分含量(V/V，20℃)最大值为2885×10-6。从凝露角度考虑，一定温度下水蒸气的饱和压力是一定的，因此在不同SF6压力下允许的水分含量体积比也是不同的。充气壳体的气体压力愈高允许的水分含量的体积比愈小。从计算结果可以看出，按较低充气压力设计的C—GIS允许有较高的水分含量。 GB3906中水分含量的规定值为1000×10-6(V/V，20℃)，在正常运行时有足够的裕度。 3.10.3 水分控制的方法 C—GIS中水分含量通过在充气壳体内安装吸附剂来吸附水分和在任何温度下避免出现负压力来控制，以保证SF6气体的含水量不致超出标准规定。在中压C—GIS中采用静吸附，即依靠气体自身的扩散、对流产生的吸附称为静吸附。安装在检修时能方便取出的位置。国内使用的为F-03吸附剂，F-03吸附剂的吸水性能为25％（质量比），粒状密度1.37kg/L。当柜内气体压力下降到大气压力时，似乎内外压力相等，气体不在泄漏。但从渗透角度考虑，柜内SF6的气体浓度显然高于柜外，SF6气体仍向外渗出，反之柜外空气浓度高于柜内，空气及空气中的水分又将通过缝隙进入柜内。时间一长，造成气体成分及含水量均发生变化。 4 国内外典型中压C—GIS产品技术指标国外典型中压C-GIS产品主要技术性能指标见表4.1、国内典型中压C-GIS产品主要技术性能指标见表4.2。
表4.2 国内典型中压C-GIS 产品主要技术性能指标
5 西高所开发的40.5 kV C—GIS 产品简介西高所研制的40.5 kV C-GIS是适应用地紧张、可靠性要求高的工程建设的迫切需要而研制开发的新型开关设备。适用于城乡电网建设与改造、城市地铁、轻轨铁路、高层建筑、高原变电站等建设工程，也适合在环境条件特别恶劣的地区及严重污秽的工业区电站中使用。本产品的设计主要立足于当前国内元、器件状况和技术、工艺水平，吸收了国外同类产品的优点，开发了配用的先进高压元件，使整个设计具有一定的先进性，在国内处于领先地位，填补了国内空白。本产品样机已在国家高压电器质量监督检测中心通过了GB3906-1991和内配各元件所依据标准规定的各项型式试验。完成的型式试验项目见表5.1。表5.1
本产品的各项技术参数和技术性能指标符合GB3906-1991、GB/T11022-1999、GB1984-2003、GB1985-2004等国家标准、JB3855-xxxx行业标准、IEC62271-200、IEC62271-100等国际标准以及本产品技术条件的规定。 5. 1 主要技术参数
5.2 产品的结构特点及优点 5.2.1 产品的结构特点西高所开发的中压C-GIS产品的额定电压为40.5kV，根据用户需要可下延派生到12kV。高压元件的三极均封闭于SF6气室内，分上、下两气室，上气室有三工位隔离开关，下气室有断路器；密封箱体用不锈钢板焊接而成。可满足单母线、单母线分段一次主接线的要求。采用插入式单相固体绝缘母线；带外屏蔽层。母线联接采用硅橡胶绝缘的十字联接套和端头T形联接套；当需要扩展或调整时，不涉及SF6气体的任何操作。本柜配用具有高开断性、寿命长、少维护的小型化真空断路器。真空断路器由真空灭弧室组件、框架和操动机构三大部分组成。真空灭弧室组件采用水平布置方式，使得内部导体布置方便。首先从真空断路器的灭弧元件真空灭弧室着手，经过反复论证和大量的研究性试验，采用了新型的线圈式触头结构、内置式屏蔽罩，对真空灭弧室内部绝缘进行优化设计，确保绝缘水平稳定可靠，提高了开断能力和可靠性，使真空灭弧室轴向尺寸减少，悬臂变短整体强度提高，有利于真空灭弧室组件水平安装。其次对固定真空灭弧室的固定件进行了大量的比较分析，采用绝缘筒整体固定方式，既保证机械强度又屏蔽了电场起到复合绝缘的双重功效。由于该真空断路器的真空灭弧室置于SF6气体密封箱体内，出现了必不可少的密封问题，通常的动密封均采用橡胶滑动密封，寿命可靠性减低而且摩擦阻力大。静密封采用传统的橡胶密封使整个断路器与密封箱体可靠密封；而动密封采用弹性元件进行操作杆穿过密封箱体的密封连接，操动机构通过传动杆操作密封箱体内的三极断路器动触头，使传动和密封均得到可靠保证。传动的过渡环节少，传动惯量大幅度降低，所需操作功减小，可靠性提高。断路器整体结构形式简单，装配、调整和维护简单方便。三工位隔离开关置于密封的SF6充气壳体内,使隔离——接地组合成一体。母线绝缘子和电缆联接绝缘子均配有高压带电显示装置用的传感器。配用环氧浇注穿芯式电流互感器(电磁式)、插接式电压互感器(电磁式)或电流/电压传感器(电子式)。电缆用T形外锥电缆终端或直形内锥电缆终端连接，由1～3根电缆并联进（出）线，内锥插接式避雷器直接与分支母线相连。开发了控制和保护单元。 40.5kVC-GIS某方案的结构示意图见图5.1、5.2。设计的方案有：典型柜、进线柜、母线分段柜、母线提升柜、测量柜等。
1.固体绝缘母线 2.仪表室 3.柜体 4.密度传感器 5.三位置隔离开关 6.三位置隔离开关操动机构 7.控制和保护单元 8.9.断路器及其操动机构 10.插接式电缆终端 11.电流互感器 12.插接式ZnO避雷器（或插接式电压互感器）13.泄压通道 14.下充气壳体 15.上充气壳体图5.1 某方案结构示意图
1.固体绝缘母线 2.仪表室 3.柜体 4.密度传感器 5.三位置隔离开关 6.三位置隔离开关操动机构 7.控制和保护单元 8.9.断路器及其操动机构 10.插接式电压互感器 11.插接式ZnO避雷器 12.穿芯式电流互感器 13.内锥插接式电缆终端 14.泄压通道 15.下充气壳体 16.上充气壳体图5.2 西高所开发的XGN46-40.5(Z)/T1250—25型C-GIS进线柜方案示意图 6 中压C—GIS产品发展趋势随着技术进步，中压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、不涉及气体处理；尽可能少用或不用SF6气体。具体体现为下列几个方面： ⑴中压C—GIS无SF6或少用SF6 研究非SF6气体的绝缘特性，实现中压C—GIS无SF6化，用N2、压缩空气、真空等作绝缘介质。无SF6气体的C-GIS产品是一个特色产品，目前仅有24kV充压缩空气的产品在运行，36kV的产品已在工厂内试制。对40.5kV C-GIS SF6用量要减少。 ⑵新型绝缘子设计、制造技术的研究新型带电场控制元件的绝缘子，充分发挥了固体绝缘介质的材料性能，可以实现降低尺寸、提高可靠性的要求。但是，这种绝缘子对浇注工艺要求高，绝缘件生产厂家还没完全掌握，还没有认识到其对提升产品性能的重要性。设计、制造人员应积极配合，攻克材料、工艺方面的难题，使绝缘子的制造水平上一个台阶。另一方面，以环氧树脂为中心，针对高电压、大容量的要求，研究与开发低介电常数、耐热性及强度等均良好的树脂。 ⑶重要零部件装配前的无损探伤检测，如绝缘子无损探伤检测、密封箱体探伤检测等。 ⑷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产品运行中的状态监测，实现重要的一次元件诸如断路器、隔离开关和操动机构等有关的运行参数的归档记录。在状态监测期间纪录的运行数据可提供防止误动作或采取必要的维护措施方面的信息，有助于防止突发的和费用较大的故障。对纪录的测量数据作诊断、趋势分析，为监测系统元件的老化和可能的故障概率提供信息，这些数据也可成为建立计算机辅助维护系统的基础。 ⑸降低成本通过模块化设计以及专业化生产使中压C—GIS与空气绝缘开关柜成本之比降低到1.5∶1左右。 ⑹专业化生产，流水线装配充气壳体、各种传感器、硅橡胶绝缘件、专用绝缘子、密封用波纹管等由专业厂生产，组装在专业流水线上进行，一是可以保证质量、提高可靠性，二是可以形成批量、降低成本。 ⑺研究绝缘件老化的在线检测与诊断系统。 ⑻研究预防故障事故的保护监控系统。 ⑼强调模拟工具的开发与应用在设计中达到精确设计的目标，以及受到技术和经济的限制，新产品开发中更多地应用模拟工具对电场、温度场、应力场、压力场进行计算与优化，如：通过使用压力计算程序可以评估对内部电弧故障进行的各种设计理念的实效。