10kV GIS柜在高速铁路中的应用

10kV GIS柜在高速铁路中的应用摘要本文介绍了高速电气化铁路变电所中新近应用的一种10kv气体绝缘开关柜(gis)设备，主要从结构、特点、主要技术指标等方面进行了阐述，，并对空气绝缘开关设备与新型gis进行了比较，对gis在国内高铁上的应用情况进行了简单介绍，认为gis 适合于我国高铁使用。

关键词高铁；10kv；gis中图分类号u238 文献标识码a 文章编号 1674-6708（2011）54-0113-03the application of 10kv gis in the high-speed railway li jing-quan1，zhao ya-ping2，kong xing-hua31.kunming rail transitco.ltd，kunming 6500212.qingdao metro corporation， qingdao 2660713.xiamen abb switch co., ltd ，xiamen 361000abstract this paper presents the 10kv gas insulated switchgear(gis) in transformer substation which use in the high-speed railway.the main content includestructure,specialty,parameter of gis.there are some contrasts which gis and ais(air insulated switchgear).the gis is fit for the high-speed railway.keywords high-speed railway;10kv;gis0 引言由于sf6气体卓越的绝缘能力，由sf6气体作为绝缘介质的电气设备越来越广泛。

随着材料、工艺、制造、机械、电子的技术发展，sf6气体由最初应用于高压设备，逐渐向中、低压电气设备发展。

近年来有不少国内外的制造商研制出了10kv sf6气体绝缘开关柜（gis），abb公司生产的zx0开关柜（图1）就是其中的代表作品，与传统的空气绝缘设备相比，该设备具有可靠性、集成度更高、维修更少、寿命更长、体积更小，布置更简单、美观，安装施工更加方便，更加节省电缆和占地面积等优点，代表着开关设备的发展方向，本文就此作以介绍。

图1 abb公司 zx0开关柜1 高速铁路供电系统简介除27.5kv电力牵引供电系统外，其余高速铁路电力系统统称为高铁供配电系统，该系统向所有铁路设施供电。

铁路的供配电系统是从公共电网的变电站接引两路10kv或35kv电源，通过铁路变配电所向铁路车站、区间负载供电。

高速铁路区间每隔3km左右有一处负荷点，负荷的类型为通信、信号、防灾设备等一级负荷及区间摄像机等二级负荷，由铁路变配电所馈出2条10kv电力主线路，沿铁路铺设向其提供电力，此电力线路被称为主贯通线，其中一条称一级负荷主贯通线，另外一条称综合负荷主贯通线。

主贯通线两端的铁路变配电所通过贯通馈线高压气体开关柜内电压互感器与断路器联锁均能为其供电。

为了保证长距离、轻负载的区间主贯通线供电质量，铁路变配电所设有专用的10/10kv的调压器，经过调压器向主贯通线供电。

随着高铁建设的提速，为确保供电的可靠性，高端的gis开关设备已经运用到高铁10kv供电系统之中。

2 10kv gis开关设备结构abb公司生产的10kv zx0 gis开关柜是采用低气压的sf6气体作为开关设备的绝缘介质，用真空为灭弧介质，将母线、断路器、隔离开关等中压元件集中密闭在箱体中，综合运用现代绝缘技术、开断技术、制造技术、传感技术、数字技术生产的集智能控制、保护、监视、测量、通讯于一体的高新技术产品（开关柜结构示意图见图2）。

其优点是体积缩小，与外部环境条件（如湿度、海拔高度、灰尘、雾、污秽等）完全没有关系，缺点是技术复杂、精度高、电器元件本身的可靠性要求极高。

10kv 气体绝缘开关柜由断路器/母线气室（主母线和断路器共用一个气室）、低压室及电缆室组成。

断路器/母线气室是在工厂内完成密封组装后总装于开关柜内，低压室、电缆室、断路器\母线室等通常用接地的金属隔板隔开。

正面板分上下两部分，控制及保护部分、开关部分，仪表及保护继电器、控制开关、按钮等均嵌装于低压室面板上，且各操作按钮应有门或罩遮盖，以防止意外触碰引起误动作。

断路器面板有操作机构弹簧人工储能手柄装置，手动合、跳闸按钮、操作记数器，以及断路器分、合位置的机械指示和指示灯显示。

开关柜设有铜接地母线，接地刀闸及避雷器接地线用专用接地线与柜内接地母线直接联接。

为保证运行中的安全，开关柜具有“五防”要求，其内部设有必要的联锁装置，防止在断路器合闸状态下误分、合隔离开关和在断路器合闸状态下误合接地开关等。

3 zx0 gis的特点abb公司生产的zx0 gis开关柜具有紧凑型、经济型、安全最大化、体积最小化等优点，基本特点表现在：sf6气体绝缘；金属外壳、气体密封、激光焊接，不锈钢壳体；每个气室是个独立密封的压力系统；可靠墙安装、电缆柜前连接；单母线系统、母线外锥电缆插接系统，额定电流达1 250a；模块化设计、拼柜采用插接式母线连接器，不涉及气体系统；通过断路器操作实现接地。

图2 zx0开关柜结构示意图3.1 采用低压力气体作绝缘介质sf6气体具有耐电强度高，灭弧能力强，通常无液化问题，化学稳定性好的优点。

研究表明：sf6气压p≤0.2mpa时，击穿电压符合巴申定律。

zx0开关柜气室相对压力为0.03mpa，在正常气压下，主回路发生三相短路及接地等故障概率极低。

大量试验及运行经验表明，即使气室在零压时，不允许分闸操作外，设备也可以正常运行。

3.2 采用可靠的真空断路器zx0开关柜采用abb久负盛名的vd4真空断路器。

设备的可靠性体现在元器件的和制造工艺上，该断路器选用德国abb公司设计和制造的真空灭弧室，具有充足的灭弧能力和极高的操作寿命，它的灭弧原理及主要特征如下：断路器开断时，随着动静触头的分开，触头间的导电电流将发展为电弧电流。

发散型电弧的特征是电弧扩散覆盖到触头表面并平均分配热应力，收缩型电弧的特征是会在燃弧区域产生极高的温度和热应力，对触头表面造成严重伤害。

在开断真空灭弧室额定电流以内的负荷电流，真空灭弧室内的电弧总是发散型的，触头的烧蚀极小可以忽略不计，如果开断电流超出额定值，发散型电弧开始向收缩型电弧转变，随着电流的增加，电弧的轮廓将收缩得更为锐利明显，当电流增加到一定的数值，电弧将转变为阳极及阴极收缩型电弧（如图3所示）。

图3电弧类型真空灭弧室采用螺形状触头结构，可在电弧弧柱运动的范围内产生一个横向的磁场，电磁场由电弧产生，切线方向的电流分量产生的磁场导致电弧围绕触头轴线快速旋转，这种方式不仅仅减少了触头上的热应力，大幅减少了触头的烧蚀，还提高了真空开断短路电流的能力(电弧电流磁场如图4所示)。

真空灭弧室采用铜铬合金为触头材料，应用先进的冶金技术，保证了vd4断路器的电气寿命，限制了截流值，几乎没有危险过电压的产生。

真空灭弧室属于电流零点开断灭弧室，无重击穿，当电流过零时电弧自然熄灭，残留的电荷和金属蒸汽快速复合或凝聚，在微妙级的时间内触头间的绝缘强度就可以建立起来。

真空灭弧室结构如图5所示；1为氧化铝陶瓷绝缘管外壁。

2为不锈钢管盖，它与绝缘管采用硬钎焊，保证灭弧室有较高的真空度。

3.1和3.2为触头。

4和5为铜导杆。

6为不锈钢波纹管。

7为屏蔽层，能改善触头间电场分布及防止触头熔化物飞溅到绝缘管或波纹管上。

图4电弧电流磁场图5真空灭弧室结构3.3密封可靠gis开关柜面临的最大的问题是气室的密封。

由于sf6气体压力较低，密封件问题采用新工艺、新材料已经能够很好的解决；气体密封室的外壳由不锈钢通过机器人激光切割和激光焊接而成, 它能耐受在使用中正常的和瞬时的压力，且在正常工况下，其sf6气体的年泄漏率不大于0.1%。

由于带电设备全密封，能有效防止来自外界的脏污、湿气等有害物体的影响，保证长期稳定工作，杜绝了外界环境造成的绝缘能力下降等问题，sf6 气室内的高压部分完全不受环境条件的影响，绝缘强度不受现场海拔高度影响，充分满足了高铁对于高可靠性的要求。

3.4灵活配置及经济性结合一般高铁系统区间负荷与站场负荷情况，自闭贯通和综合贯通线路设备又分别分段运行，额定1 250a电流已经满足供电负荷要求，只有城市枢纽变电站由于负荷较多，用电负荷一般大于1 250a，根据系统负荷的特点选用即满足正常的负荷要求，又不存在扩容，结合设计要求选用额定电流1 250a的开关设备，节省造价、节约能源，经济性较强。

zx0开关柜在经济性方面还体现在几台开关柜共用一个气室：按照系统需要可以分为2台共用一个气室，如计量柜和进线柜；4台共用一个气室，如上下行出线柜，最多可以组合成5台开关柜共用一个气室。

选用柜宽为400mm的柜型时，5台开关水平距离才2 000mm，由于电缆安装连接在柜前完成，开关柜可以靠墙安装，极大节省变电所的空间和土地成本，最低投资，换来可靠经济的设备。

3.5 灵活可靠的三工位开关设计图6三工位开关具有接地、隔离、接通功能的三工位开关（图6），置于气室内，触头线性运动实现开关位置的转换，接通位与接地位将不会同时在一台开关上同时操作，避免误操作导致母线接地的情况发生；气室外的操作开关可由电机转动绝缘杆驱动刀闸或接触滑动块，位置可由传感器或辅助开关探测，同时具有机械位置指示器，确保开关位置状态的准确性。

线路接地方式采用在断路器分闸状态下先合三工位开关接地位，再通过操作断路器合闸实现，通过断路器接地的可靠性和优势表现在对短路故障可进行多次数的操作，断路器具有比接地开关更高的品质而且真空开断不会导致sf6气体的劣化。

3.6 免维护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，gis在整个寿命期主回路可以做到不检修；同时又由于密封技术的提高，气室的漏气率极低，在寿命期内无需补气。

开关柜的使用寿命和维护可达30 000 次；维护：5年一次外观检查，10年一次简单检查，20年一次换气检查。

4 zx0 gis的主要技术参数zx0 gis的主要参数见表1，该设备主要参数完全满足相关的设计规范要求。

表1zx0 gis主要技术参数表5 zx0 gis与ais设备的比较与传统的空气绝缘开关柜（ais）相比，gis设备具有如下优点：减少占地面积，节约工程投资；设备运行不受外界环境影响，能够全天候正常运行；设备可靠性高，确保运营安全；设备基本免维护，减少运营维护成本，提高运行效率。