随着电力系统的发展和电器制造技术的进步，要求进一步提高电力系统运行的可靠性,因此高压开关设备的运行可靠性受到了特别关注。在常规空气绝缘金属封闭开关设备GIS)取得进步的基础上,从20世纪80年代开始推出了柜式气体绝缘金属封闭开关设备简称C-GS或充气柜，也有称为SF充气柜)。典型的充气柜是以SF6气体作为绝缘介质而采用真空灭弧的方式，是一种新型组合式配电电器。其接线原理和功能与常规空气绝缘开关柜基本相同，主要区别在于采用了SF,气体封闭气室，通常有母线室包括隔离开关)、断路器室包括电缆终端)等,每个气室均为一个完整内部元件的模块,各模块间以锥形接头连接，SF6气体充气压力约为0.05MPa表压)。此外,设有不充气的电缆出线隔室和控制室,并布置有断路器和隔离开关的操动机构。柜之间母线连接一般采用插接式固体绝缘连接头,没有暴露在空气中的一次带电体。

1高压充气柜特点及应用

1.1特点

①)体积小。开关柜内母线和各分支回路导体均采用SF6气体绝缘,与普通开关柜的空气或固体绝缘相比,大大压缩了尺寸。以35KV开关柜为例,普通空气绝缘柜宽间隔宽度)在1818mm以上,采用固体复合绝缘如导体包裹固体材料绝缘可将柜宽压缩至1200~1400mm,而采用SE气体绝缘的充气柜柜宽压缩至600mm左右。因此,在柜深基本相同的情况下,可节省占地12以上。

②可靠性高。由于主要电气元件是在类似GS结构的气室中,因此基本不受灰尘、潮湿.腐蚀、小动物等环境因素的影响,设备运行可靠性显著提高。

③安装维护简便。由于开关柜除柜体框架外，主体部分均为模块化设计,所以现场安装快捷简便，运行维护工作量也较常规配电装置大为减少。

④性价比较高。尽管采用了SF6气体绝缘全密封结构,相对空气绝缘和固体复合绝缘开关柜,成本相对较高。但如与GS设备比较，充气柜采用真空断路器为开断元件,而没有采用GIS中那种独立的SE灭弧室和复杂的操作机构,故其成本低于相应的GIS设备。

1.2应用及分析

高压充气柜虽然是一种设计新颖、结构先进的开关设备，但目前国内应用还不普遍，其主要原因有:(1)技术较新,工艺要求较高,生产此类产品的主要是几家国际知名企业,且价格昂贵，以35kV单间隔为例,报价在50万~70万元,而国产或合资企业生产的固体复合绝缘开关柜单间隔报价不超过30万元;②目前国产35kV电压等级固体复合绝缘开关柜的技术较成熟,对常规变电所其可靠性、占地面积等技术指标均能满足要求,而高压充气柜的设计和生产历史较短,还不能替代固体复合绝缘开关柜。随着我国城市化程度的不断提高,特别在经济发达地区,因城市和周边开发区土地价格的快速增长,使变电所征地费用直线上升,征地拆迁工作成为变电所建设新难点。因此，高压充气柜设备占地少可靠性高、少维护的优势将逐渐体现出来。江苏省近年来高压充气柜的应用也越来越广泛,除电力系统内城市户内站外,一些工作环境特殊的大型企业如地铁、石化、冶金等也在逐步推广使用。

2设计方案及主要问题的解决

2.1接线选择

在220kV变电所中，10~35kV配电装置作为变电所低压侧主要对变电所附近负荷供电。SF充气柜在接线方面的考虑与普通开关柜基本相同,但通常采用单母线分段接线,而不是采用独立电气元件组装式配电装置惯用的双母线带旁路母线。这是因为设备集成化程度高,母线为全封闭状态,而不像敞开式布置时双母线可轮流停电检修,而且充气柜设备可靠性高,故可简化接线。

220kV变电所中,35kV电压等级通常用于城郊或开发区等供电范围较大或有大用户的地区供电，由于进出线回路往往不超过12回,一般采用单母线单分段两段母线),典型接线如图1。

而10kV电压等级通常用于城市中心等供电范围较小、但负荷密度较大地区，可以选择多分段接线方式,例如出线回路较多时可接成单母线四分段。

2.2进出线方式选择。

受结构限制，SE充气柜进出线仅能采取柜下进出线方式,具体有电缆和绝缘硬母线2种。2种方案比较:绝缘硬母线通流容量较大,但成本较高,且对安装要求严格，所有制成段都必须在工厂加工成形,现场安装时不允许有偏差，所以很少采用;电缆本体成本较低、安装较简便,现场可根据需要弯曲，调整铺设路线方便,但大载流量时由于并联电缆较多,敷设比较困难。综合考虑成本及工期等因素，高压充气柜通常采用电缆进出线。

2.3平面布置

与普通开关柜布置方式相似，SF充气柜可采用单列或双列布置,由于充气柜的断路器系固定封装,所以不需像手车柜或中置柜那样考虑断路器抽出距离,对部件拼装、操作空间要求较小。以某厂家产品为例，要求柜前最小操作通道1000mm、柜后通道50mm、柜上空间300mm.对照高压配电装置设计规程要求,充气柜对空间要求远低于规程对常规开关柜要求,特别是在220kV城市变电所中10~35kV充气柜所占空间较小，可与110kV中压侧配电装置统一考虑，在同一建筑中分层布置,安装空间不会有问题，图2是典型的布置方案。

2.4柜体基础设计

由于SF充气柜进出线全部在下部进行,而柜宽宽度仅600mm,故其基础进出线密集,对设计要求较高。图3是某厂家提供的充气柜基础布置。图3中点状阴影部分为充气柜底部在地面上的投影,其中叠加斜线部分为充气柜底部与地面接触部分,其余部分与地面不接触。充气柜每一间隔宽度为600mm,质量约700kg柜体质量实际分布在斜线部分。由图3可见,一次电缆孔与二次电缆孔距离很近，两孔边距仅80mm，两孔中均有大量电缆穿过，尤其是主变进线间隔一次电缆孔。

以电压等级为220kV/110kV/35kV的三相电力变压器为例，如其各电压侧容量为180/180/90MV.A,则低压侧工作电流估算为:

按经济电流密度选择导体，设j=1.2Afmm,则主变35kV回路电缆经济的截面为S=π/j=15591.213006m),参照现有电缆规格系列，每相可以选取3x(YJV-35-400)电力电缆，总截面3x400=1200nm)较符合经济性。由此可见，在1145mmx510mm孔中需穿过9根YJV-35-400电缆，并要在电缆孔下方考虑插接式电缆留有一定的操作空间。另外,一次电缆孔与二次电缆孔之间只有80mm宽的基础却必须承受柜体近一半的荷重，这也是充气柜安装设计的难点。归纳起来,设计充气柜基础应确保:①)保证一次、二次电缆合理的进出路径;②保证一次电缆插接操作必要的空间;③一期工程安装完毕后应保证今后扩建、维护工作尤其是对充气柜底部进出线电缆的维护、扩建)的可行性;④为达到上述要求,相应土建结构必须紧凑有效。

3典型设计方案

以金桥变电所为例,介绍高压充气柜及其基础设计方案，设计中主要采取了如下措施。

1. 一次、二次电缆进出路径规划方面,考虑到进出线工艺的顺畅性,总平面布置将35kV户内配电装置布置在主变和35kV主要出线方向之间，见图4.这样35kV电压等级的主变进线与出线电缆分别引向相反方向,走线清晰、不易造成局部电缆过分密集。各柜二次电缆汇聚后引至主控楼方向，在开关柜屏前设计布置一条二次电缆沟，各柜的二次电缆均通过电缆管引至二次电缆沟,将来在扩建时二次电缆放线不会影响已有运行间隔。

   

   (2)在充气柜下方设计了一个电缆半层，一次电缆支架设于充气柜开孔正下方，这主要是考虑35kV电缆本体较重,应该尽量减少电缆盘曲，同时便于电缆头向上插接。电缆层高度为2.2m,加上充气柜电缆终端距底面距离为0.6m,可以保证一次电缆最上层弯曲半径达到60(YJV-35-400外径)X20=1200mm,同时也能保证插接电缆操作空间。

   ③电缆层平面如图4共设置了8598个检修人孔，主要考虑电缆排架对空间分割,避免出现检修维护无法进入的死角。

   ④电缆排管的应用。在充气柜下面设计一个类似加宽电缆沟局部电缆层。这一方式可减少土建工程量,不必将充气柜室地坪抬高另做一层电缆层。但下挖局部电缆层存在防水问题，特别是与室外电缆沟连接处，由于电缆层地势较低，容易积水倒灌。设计采用了一段电缆排管连接室内电缆层与室外电缆沟，相对而言，电缆排管较易采取防水措施，且设计有一定坡度,便于施工放电缆。

   5充气柜基础一、二次电缆孔间承重基础的处理。设计的一、二次电缆孔间一段土建梁跨度较大,梁宽不易做小,开始做成钢筋混凝土梁后因过宽影响一次电缆施工，现场采取局部用工字钢代替的临时措施。

   4结束语

   (1)高压充气柜具有占地小、可靠性高等优点，在土地资源紧张地区,正在得到日益广泛的运用。

   ②高压充气柜的应用设计在接线、总布置方面与常规开关柜基本相似,但由于结构尺寸非常紧凑，对安装基础要求较高,给设计带来一定困难。经总结已投运的几个变电所的经验，设计时应注意:①充气柜进出线通常采用电缆方式,设计应按远景规模做好电缆沟管的预留,做好一、二次电缆路径的规划。

   ②充气柜下方电缆层应保证足够的高度和空间，要求充分与厂家沟通。条件允许宜首先考虑采用地上电缆层,如采用地下电缆层则应充分考虑防水、通风等问题。

   ③充气柜对基础承重结构要求较高,建议有条件局部可采用钢结构支撑，以免对后期电气安装产生障碍。