国内城市轨道交通10kV气体绝缘开关柜的新型应用
除了空气绝缘之外，还有气体绝缘的开关拒，简称GIS。它是高压GIS产品在中压领域的拓展，这种开关柜是采用低气压的SF6气体、N2气体或混合气体作为开关设备的绝缘介质，用真空或SF6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。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，价格较高。
对10kV气体绝缘开关柜在地铁项目中的应用前景分析如下。
1、 GIS的特点
(1)采用低压力气体作介质绝缘
依靠低压力的SF6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。SF6气体是一种大分子量的惰性气体，性能稳定、难于电离，绝热系数小，经过拉弧击穿后能够自行恢复原介质绝缘强度，气体无毒无腐蚀性，对人员和设备安全，SF6气体绝缘性能为空气的2～3倍，并且随着电压等级的升高，优势更加明显。
(2)采用真空断路器
GIS所配开关以真空断路器为主，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。目前在普通空气绝缘开关柜中也大都采用真空断路器。
(3)可实现小型化
由于采用了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。GIS比空气绝缘开关柜(简称AIS)占地面积减小了约1/3，体积减小了约1/2;35kV等级GIS的占地面积、体积减小得更加显著。
(4)可靠性较高
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等绝缘气体中，要么用具有接地屏蔽的固体绝缘件封闭，故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。
(5)三相共箱方箱型结构占主流
GIS的结构包括分相型、三相共箱圆筒形、三相共箱方箱型3种。由于新的制造技术、焊接技术和材料的出现，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。
(6)三种母线结构共存
GIS的母线结构包括气体绝缘母线、插接式固体绝缘母线2种。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、充气SF6;插接式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，现场连接复杂，但对制造和现场安装精度的要求较低;插接式固体绝缘母线，便于现场的母线连接，但对制造和现场安装的精度要求较高。
(7)结构模块化
GIS采用积木方式，模块化设计，使结构简化、统一、灵活，各气室之间互不影响，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。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，也可以很方便地向柜体两边扩展。
(8)全屏蔽电缆终端进出线
GIS采用电缆作为电源的引入、引出。插接式电缆终端可配用不同截面的电缆。
(9)免维护
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，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。
(10)信息化
GIS正朝着信息化、智能化方向发展，GIS同现代计算机技术进行了有机结合，使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。
2、 GIS主要技术性能
1)主要技术参数
典型10kV等级GIS产品的主要技术性能见表1。
2)基本柜型
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。
可实现的一次主接线方案有单母线、单母线分段、双母线、双母线分段等。
3)元件组成
GIS的隔室主要包括断路器气室、母线气室、三工位开关气室、电缆隔室、低压隔室、泄压隔室等。
GIS主要组成部件可分为：母线、断路器、三工位开关(即闭合、隔离、接地三个位置)、电压互感器、电流互感器、避雷器、电缆头、低压装置、机构、母线联接器等。
3、 国内城市轨道交通工程中GIS的采用情况
我国目前的轨道交通工程中10kV GIS还没有工程应用实例，但是35kV GIS，由于体积优势更加明显，能节省占地面积，减小车站规模，并且已经有多家国内企业能够生产，因此在国内的地铁工程中得到广泛采用，例如：上海地铁一号线、二号线、明珠二期、莘闵线、共和新路线、广州地铁一号线、二号线、三号线、南京地铁一期、天津津滨轻轨、深圳地铁一期等项目均采用了35kV GIS，据不完全统计，约有1000多面GIS在轨道交通中投入运营。
4、 10kV GIS在国内城市轨道交通工程中的实际应用分析
目前国内城市轨道交通10kV电压等级的开关柜主要在北京地铁、武汉地铁使用。
1)既有线牵引降压混合变电所带开闭所主接线
以北京地铁既有线的采用10kV的AIS的牵引降压混合变电所兼开闭所为例，其主接线如图1所示。
根据供电局的要求，开闭所的进线设置了隔离手车，用于与供电局的隔离，为防止故障关合的误操作，线路侧不设置接地开关。
2)采用GIS的方案
由于GIS的结构与AIS不同，GIS没有隔离手车，GIS的隔离功能只能由三工位开关实现，三工位开关是连在母线上的，如果仅用三工位开关实现隔离功能，那么存在故障关合的误操作的隐患，当故障关合接地开关后，必将产生电弧，造成SF6分解，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，关合短路电流后的接地开关也需进行检修。而采用三工位开关加断路器接线，对于GIS母线侧的三工位开关，在隔离位置实现的是隔离功能，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。通过断路器进行接地操作，即使发生故障关合的误操作，只要电寿命不超过断路器允许的次数，就不会产生电弧使SF6分解，污染柜内环境，不会对柜内其它元件的正常运行造成影响，这种主接线实际上对提高运行可靠性是有利的。所以，一面GIS柜即可替代AIS的三面柜子(外电源进线隔离柜、进线断路器柜、提升柜)，节省了占地面积。
另外，为减少柜子数量，节省占地面积，可以将母线电压互感器布置在母线上方，将避雷器布置在电缆进出线处。
根据GIS的结构特点，上面的变电所采用GIS方案的主接线如图2所示。
3)GIS与AIS的比较
综合以上分析，GIS与AIS的技术经济比较见表2。
5、 GIS的国产化分析
从国外来看，GIS发展相当快，制造厂家很多，而且应用比较广泛。
我国GIS的研发起步较晚，上世纪90年代，一些分企业开始了GIS的研制工作，到本世纪初，有更多的企业参与进来，大部分企业都是合资企业，直接引进母公司技术组装生产，国内只有极少数单位自主研发，并完成了型式试验，有个别生产厂家通过了产品鉴定。
国内GIS的生产厂家有厦门ABB、上海SIEMENS、苏州AREVA(施耐德)、广州白云、沈阳成套等，这些厂商都是通过与知名国际生产商进行合资或关键部件原装引进等方式，在国内完成开关柜的整体组装，西高所联合六厂进行自主研发。
因此，10kVGIS可在国内采购。
6、 GIS的发展趋势
近年来，GIS在我国也得到了迅速地推广与应用，特别是在一些关键场所和市区中心地带公共建筑内其变电所很多采用了10kVGIS。随着社会的发展，尤其我国城市轨道交通以及大型工矿的发展，对开关设备提出了小型化、智能化、免维护、全工况等更高的要求，高性能、高品质的GIS在国内的需求越来越强烈。
由于城市地铁和轻轨的占地面积、空间限制等因素，使得35kVGIS产品在国内轨道交通广泛应用。尽管目前10kVGIS价格相对较高，如果市场条件成熟，考虑竞争因素，不久的将来，其也会在轨道交通中推广应用。
