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隨著電力系統的發展和電器制造技術的進步，要求進一步提高電力系統運行的可靠性,因此高壓開關設備的運行可靠性受到了特別關注。在常規空氣絕緣金屬封閉開關設備GIS)取得進步的基礎上,從20世紀80年代開始推出了柜式氣體絕緣金屬封閉開關設備簡稱C-GS或充氣柜，也有稱為SF充氣柜)。典型的充氣柜是以SF6氣體作為絕緣介質而采用真空滅弧的方式，是一種新型組合式配電電器。其接線原理和功能與常規空氣絕緣開關柜基本相同，主要區別在于采用了SF,氣體封閉氣室，通常有母線室包括隔離開關)、斷路器室包括電纜終端)等,每個氣室均為一個完整內部元件的模塊,各模塊間以錐形接頭連接，SF6氣體充氣壓力約為0.05MPa表壓)。此外,設有不充氣的電纜出線隔室和控制室,并布置有斷路器和隔離開關的操動機構。柜之間母線連接一般采用插接式固體絕緣連接頭,沒有暴露在空氣中的一次帶電體。
1高壓充氣柜特點及應用
1.1特點
①)體積小。開關柜內母線和各分支回路導體均采用SF6氣體絕緣,與普通開關柜的空氣或固體絕緣相比,大大壓縮了尺寸。以35KV開關柜為例,普通空氣絕緣柜寬間隔寬度)在1818mm以上,采用固體復合絕緣如導體包裹固體材料絕緣可將柜寬壓縮至1200~1400mm,而采用SE氣體絕緣的充氣柜柜寬壓縮至600mm左右。因此,在柜深基本相同的情況下,可節省占地12以上。
②可靠性高。由于主要電氣元件是在類似GS結構的氣室中,因此基本不受灰塵、潮濕.腐蝕、小動物等環境因素的影響,設備運行可靠性顯著提高。
③安裝維護簡便。由于開關柜除柜體框架外，主體部分均為模塊化設計,所以現場安裝快捷簡便，運行維護工作量也較常規配電裝置大為減少。
④性價比較高。盡管采用了SF6氣體絕緣全密封結構,相對空氣絕緣和固體復合絕緣開關柜,成本相對較高。但如與GS設備比較，充氣柜采用真空斷路器為開斷元件,而沒有采用GIS中那種獨立的SE滅弧室和復雜的操作機構,故其成本低于相應的GIS設備。
1.2應用及分析
高壓充氣柜雖然是一種設計新穎、結構先進的開關設備，但目前國內應用還不普遍，其主要原因有:(1)技術較新,工藝要求較高,生產此類產品的主要是幾家國際知名企業,且價格昂貴，以35kV單間隔為例,報價在50萬~70萬元,而國產或合資企業生產的固體復合絕緣開關柜單間隔報價不超過30萬元;②目前國產35kV電壓等級固體復合絕緣開關柜的技術較成熟,對常規變電所其可靠性、占地面積等技術指標均能滿足要求,而高壓充氣柜的設計和生產歷史較短,還不能替代固體復合絕緣開關柜。隨著我國城市化程度的不斷提高,特別在經濟發達地區,因城市和周邊開發區土地價格的快速增長,使變電所征地費用直線上升,征地拆遷工作成為變電所建設新難點。因此，高壓充氣柜設備占地少可靠性高、少維護的優勢將逐漸體現出來。江蘇省近年來高壓充氣柜的應用也越來越廣泛,除電力系統內城市戶內站外,一些工作環境特殊的大型企業如地鐵、石化、冶金等也在逐步推廣使用。
2設計方案及主要問題的解決
2.1接線選擇
在220kV變電所中，10~35kV配電裝置作為變電所低壓側主要對變電所附近負荷供電。SF充氣柜在接線方面的考慮與普通開關柜基本相同,但通常采用單母線分段接線,而不是采用獨立電氣元件組裝式配電裝置慣用的雙母線帶旁路母線。這是因為設備集成化程度高,母線為全封閉狀態,而不像敞開式布置時雙母線可輪流停電檢修,而且充氣柜設備可靠性高,故可簡化接線。
220kV變電所中,35kV電壓等級通常用于城郊或開發區等供電范圍較大或有大用戶的地區供電，由于進出線回路往往不超過12回,一般采用單母線單分段兩段母線),典型接線如圖1。
而10kV電壓等級通常用于城市中心等供電范圍較小、但負荷密度較大地區，可以選擇多分段接線方式,例如出線回路較多時可接成單母線四分段。
2.2進出線方式選擇。
受結構限制，SE充氣柜進出線僅能采取柜下進出線方式,具體有電纜和絕緣硬母線2種。2種方案比較:絕緣硬母線通流容量較大,但成本較高,且對安裝要求嚴格，所有制成段都必須在工廠加工成形,現場安裝時不允許有偏差，所以很少采用;電纜本體成本較低、安裝較簡便,現場可根據需要彎曲，調整鋪設路線方便,但大載流量時由于并聯電纜較多,敷設比較困難。綜合考慮成本及工期等因素，高壓充氣柜通常采用電纜進出線。
2.3平面布置
與普通開關柜布置方式相似，SF充氣柜可采用單列或雙列布置,由于充氣柜的斷路器系固定封裝,所以不需像手車柜或中置柜那樣考慮斷路器抽出距離,對部件拼裝、操作空間要求較小。以某廠家產品為例，要求柜前最小操作通道1000mm、柜后通道50mm、柜上空間300mm.對照高壓配電裝置設計規程要求,充氣柜對空間要求遠低于規程對常規開關柜要求,特別是在220kV城市變電所中10~35kV充氣柜所占空間較小，可與110kV中壓側配電裝置統一考慮，在同一建筑中分層布置,安裝空間不會有問題，圖2是典型的布置方案。
2.4柜體基礎設計
由于SF充氣柜進出線全部在下部進行,而柜寬寬度僅600mm,故其基礎進出線密集,對設計要求較高。圖3是某廠家提供的充氣柜基礎布置。圖3中點狀陰影部分為充氣柜底部在地面上的投影,其中疊加斜線部分為充氣柜底部與地面接觸部分,其余部分與地面不接觸。充氣柜每一間隔寬度為600mm,質量約700kg柜體質量實際分布在斜線部分。由圖3可見,一次電纜孔與二次電纜孔距離很近，兩孔邊距僅80mm，兩孔中均有大量電纜穿過，尤其是主變進線間隔一次電纜孔。
以電壓等級為220kV/110kV/35kV的三相電力變壓器為例，如其各電壓側容量為180/180/90MV.A,則低壓側工作電流估算為:
按經濟電流密度選擇導體，設j=1.2Afmm,則主變35kV回路電纜經濟的截面為S=π/j=15591.213006m),參照現有電纜規格系列，每相可以選取3x(YJV-35-400)電力電纜，總截面3x400=1200nm)較符合經濟性。由此可見，在1145mmx510mm孔中需穿過9根YJV-35-400電纜，并要在電纜孔下方考慮插接式電纜留有一定的操作空間。另外,一次電纜孔與二次電纜孔之間只有80mm寬的基礎卻必須承受柜體近一半的荷重，這也是充氣柜安裝設計的難點。歸納起來,設計充氣柜基礎應確保:①)保證一次、二次電纜合理的進出路徑;②保證一次電纜插接操作必要的空間;③一期工程安裝完畢后應保證今后擴建、維護工作尤其是對充氣柜底部進出線電纜的維護、擴建)的可行性;④為達到上述要求,相應土建結構必須緊湊有效。
3典型設計方案
以金橋變電所為例,介紹高壓充氣柜及其基礎設計方案，設計中主要采取了如下措施。
一次、二次電纜進出路徑規劃方面,考慮到進出線工藝的順暢性,總平面布置將35kV戶內配電裝置布置在主變和35kV主要出線方向之間，見圖4.這樣35kV電壓等級的主變進線與出線電纜分別引向相反方向,走線清晰、不易造成局部電纜過分密集。各柜二次電纜匯聚后引至主控樓方向，在開關柜屏前設計布置一條二次電纜溝，各柜的二次電纜均通過電纜管引至二次電纜溝,將來在擴建時二次電纜放線不會影響已有運行間隔。
(2)在充氣柜下方設計了一個電纜半層，一次電纜支架設于充氣柜開孔正下方，這主要是考慮35kV電纜本體較重,應該盡量減少電纜盤曲，同時便于電纜頭向上插接。電纜層高度為2.2m,加上充氣柜電纜終端距底面距離為0.6m,可以保證一次電纜最上層彎曲半徑達到60(YJV-35-400外徑)X20=1200mm,同時也能保證插接電纜操作空間。
③電纜層平面如圖4共設置了4個檢修人孔，主要考慮電纜排架對空間分割,避免出現檢修維護無法進入的死角。
④電纜排管的應用。在充氣柜下面設計一個類似加寬電纜溝局部電纜層。這一方式可減少土建工程量,不必將充氣柜室地坪抬高另做一層電纜層。但下挖局部電纜層存在防水問題，特別是與室外電纜溝連接處，由于電纜層地勢較低，容易積水倒灌。設計采用了一段電纜排管連接室內電纜層與室外電纜溝，相對而言，電纜排管較易采取防水措施，且設計有一定坡度,便于施工放電纜。
5充氣柜基礎一、二次電纜孔間承重基礎的處理。設計的一、二次電纜孔間一段土建梁跨度較大,梁寬不易做小,開始做成鋼筋混凝土梁后因過寬影響一次電纜施工，現場采取局部用工字鋼代替的臨時措施。
4結束語
(1)高壓充氣柜具有占地小、可靠性高等優點，在土地資源緊張地區,正在得到日益廣泛的運用。
②高壓充氣柜的應用設計在接線、總布置方面與常規開關柜基本相似,但由于結構尺寸非常緊湊，對安裝基礎要求較高,給設計帶來一定困難。經總結已投運的幾個變電所的經驗，設計時應注意:①充氣柜進出線通常采用電纜方式,設計應按遠景規模做好電纜溝管的預留,做好一、二次電纜路徑的規劃。
②充氣柜下方電纜層應保證足夠的高度和空間，要求充分與廠家溝通。條件允許宜首先考慮采用地上電纜層,如采用地下電纜層則應充分考慮防水、通風等問題。
③充氣柜對基礎承重結構要求較高,建議有條件局部可采用鋼結構支撐，以免對后期電氣安裝產生障礙。
