■ 海南金盤電氣有限公司 王富成

0 前言

隨著城市高樓大廈的崛起、生活小區(qū)的形成以及生產(chǎn)的集團(tuán)化和規(guī)?；?，國內(nèi)電網(wǎng)建設(shè)與改造不斷加速，配電電壓從以前的380 V提升到10 KV，進(jìn)而從10 KV上升到20 KV或35 KV?！度珖┯秒娨?guī)程》規(guī)定，凡送電容量超過160 KVA，或用電容量超過250 KW，則要求上高壓，需要高壓送電給負(fù)荷中心；隨之對開關(guān)柜的要求不斷提高，如智能化、小型化、免維護(hù)、全工況等；一種氣體絕緣開關(guān)設(shè)備——俗稱充氣柜的中壓充氣柜近年來在國外迅速發(fā)展，在國內(nèi)也已大量采用。

1 中壓充氣柜的概念和分類

中壓充氣柜是將高壓元件諸如母線、負(fù)荷開關(guān)、斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器等封閉在充有較低壓力（一般為0.02～0.05 MPa）氣體的殼體內(nèi)的一種固定式金屬封閉氣體絕緣開關(guān)設(shè)備。

中壓指12～40.5 kV，主要有12 kV（額定工作電壓Un＝10 kV）、24 kV（Un＝20 kV）、40.5 kV（Un＝35 kV）三種電壓等級。

中壓充氣柜是“固定式金屬封閉氣體絕緣開關(guān)設(shè)備”的簡稱，主要包括“充氣環(huán)網(wǎng)柜”和“C-GIS”兩種。

1)“充氣環(huán)網(wǎng)柜”屬二次配電設(shè)備。二次配電設(shè)備是指將高壓變壓器受電的一次配電設(shè)備的電能進(jìn)行再分配的中壓開關(guān)設(shè)備。二次配電設(shè)備基礎(chǔ)元件為負(fù)荷開關(guān)和限流熔斷器，不但經(jīng)濟(jì)，而且保護(hù)特性好（如限流熔斷器保護(hù)變壓器）。同時，隨著現(xiàn)在單一用戶用電容量的增大，很多也采用斷路器方案。

“充氣環(huán)網(wǎng)柜”具有下列特點：

(1）全密封，全絕緣，不受外部環(huán)境的影響，從而確保運行可靠性及人身安全，并且實現(xiàn)了免維護(hù)。

(2）體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，從而節(jié)約了昂貴的土地使用面積。

(3）采用模塊化設(shè)計，以其固定式單元組合型并可靈活擴(kuò)展型的完美統(tǒng)一，故更加廣泛應(yīng)用于城鄉(xiāng)電網(wǎng)，各種二次變電站，戶外開閉所，箱式變電站，電纜分支箱等場合。

(4）開關(guān)柜運行的設(shè)計壽命超過三十年。

(5）通過提供自動化解決方案，更可達(dá)到智能化開關(guān)柜的要求。

“充氣環(huán)網(wǎng)柜”包括12 kV、24 kV、40.5 kV三種電壓等級的產(chǎn)品。主要適用于：歐變、戶外環(huán)網(wǎng)柜、公共電網(wǎng)、工業(yè)配電、高層建筑、風(fēng)電等。

充氣環(huán)網(wǎng)柜應(yīng)用例圖如下：

2)“C-GIS”屬一次配電設(shè)備。“C-GIS”的電壓等級一般為12 kV和40.5 kV，但40.5 kV“C-GIS”更能顯示其技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢，因此國內(nèi)外多數(shù)生產(chǎn)商主要生產(chǎn)40.5 kV的“C-GIS”。

“C-GIS”環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、占地面積小、可靠性高、免維護(hù)，主要適用于：中壓電網(wǎng)系統(tǒng)的變配電站、地鐵、輕軌、大型工礦企業(yè)、如水泥、汽車、鋼鐵、石化、煤礦等和高海拔、高污染地區(qū)。

2 中壓充氣柜的優(yōu)勢

1）充氣柜具有很多優(yōu)勢，其最大的優(yōu)勢是不受外界環(huán)境的影響，如凝露、污穢、小動物及化學(xué)物質(zhì)等。

2）由于配電設(shè)備包封于充有氣體的金屬封閉外殼內(nèi)，使各項被包封元件的外絕緣變?yōu)槌商自O(shè)備的內(nèi)絕緣，因此尺寸小，能抵御苛酷環(huán)境條件的侵害，如嚴(yán)重污染、高海拔、濕熱等，因此可靠性顯著提升。

3）另一個優(yōu)勢是因為使用壓縮氣體絕緣，如SF6、N2、SF6/N2混合氣體和干壓空氣，可大大縮小柜體的外形尺寸，有利于向小型化發(fā)展。

4）免維護(hù)。吹氣式滅弧設(shè)計使觸頭磨損減至最小，在廠內(nèi)充氣封裝完畢后，現(xiàn)場無需更多安裝調(diào)試，僅需定期檢查氣體壓力。

5）多種接線方式。旋轉(zhuǎn)或直線吹弧負(fù)荷開關(guān)和真空斷路器可自由組合，可從2個單元組合至6個單元，三位置開關(guān)可提供接地位置。

6）雙電源自動切換功能?？蓪⒇?fù)荷從一路電源快速切換至另一路，保證連續(xù)供電時間，提高供電可靠性。

7）信息化、智能化。采用新型電子式電壓或電流互感器，將保護(hù)、監(jiān)視、控制、測量與通信集于一身，可實現(xiàn)多種功能：基本保護(hù)功能；控制功能，測量電量功能；通信功能；監(jiān)視功能。

3 生產(chǎn)中壓充氣柜的技術(shù)難題

生產(chǎn)SF6中壓充氣環(huán)網(wǎng)柜與C-GIS，主要解決以下幾個方面的技術(shù)難題：

1)氣箱密封或氣體泄漏問題：

為保證SF6設(shè)備安全運行，必須對SF6氣體密度等參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測，如果這些設(shè)備發(fā)生泄漏，SF6氣體密度降低，會產(chǎn)生極其嚴(yán)重的后果：a.開關(guān)設(shè)備耐壓強(qiáng)度降低。b.斷路器開斷容量下降。

漏氣率一直是各生產(chǎn)廠家和用戶關(guān)注的焦點。SF6負(fù)荷開關(guān)及充氣柜年泄漏率都在1%/年以下。開關(guān)使用壽命一般都在30年左右。密封要考慮到密封元件的壓縮量、壽命、老化、可靠性方面的因素。

2)氣體水份含量問題

運行中的SF6氣體絕緣設(shè)備無論怎樣在安裝中及運行維護(hù)中嚴(yán)格控制，設(shè)備總會存在水蒸氣。在沒有電弧或電暈的隔室中，水分的危害主要是降低耐壓水平，例如SF6中水分含量達(dá)到30%以上時，沿面放電電壓可降到干燥時的60%～80%；有電弧或電暈的隔室中，除了降低絕緣能力，還會在電弧作用下，微量的H2O與SF6作用產(chǎn)生SO2、SF2等酸性物質(zhì)，它們對某些金屬及絕緣體產(chǎn)生腐蝕作用。水分含量高時，甚至還會導(dǎo)致開斷失敗。

SF6氣體水分含量是SF6開關(guān)質(zhì)量的主要檢測指標(biāo)之一，其大小直接影響了開關(guān)的絕緣水平。DL/T596-1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》規(guī)定，新投運和大修后SF6開關(guān)水份含量不得超過150 ppm，運行中則不得超過300 ppm。對于新SF6氣體，首先要檢驗氣體本身水份含量，不超過規(guī)定值（一般水份含量為15 ppm）。

3)零部件可靠性問題

零部件質(zhì)量好壞直接決定產(chǎn)品質(zhì)量的好壞。中壓充氣柜是免維護(hù)或少維護(hù)的開關(guān)設(shè)備，一旦密封箱體內(nèi)的零部件有質(zhì)量問題，將極有可能造成整臺開關(guān)設(shè)備的報廢，影響負(fù)載的正常用電。

保證零部件質(zhì)量就要嚴(yán)格控制零部件的材料、加工工藝和檢驗方法，其機(jī)械強(qiáng)度、電氣性能等各方面參數(shù)須滿足產(chǎn)品的要求。對要求裝入的零部件進(jìn)行更加嚴(yán)格的入廠檢驗，對整個裝配過程要求給以更加嚴(yán)格的工藝過程控制和工序檢驗的控制，以保證裝配的正確性和一致性。特別是密封箱體內(nèi)的傳動環(huán)節(jié)和觸頭表面的潤滑應(yīng)該是在整個產(chǎn)品壽命周期內(nèi)永久有效的，觸頭的接觸壓力應(yīng)該嚴(yán)格控制，開關(guān)主回路電阻值在壽命周期內(nèi)都須滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。

4 中壓充氣柜的制造工藝

中壓充氣柜的高可靠性對制造工藝提出了很高的要求。充氣柜的箱體一般采用2 mm或3 mm不銹鋼板，為保證箱體不漏氣和不變形，需采用激光切割，激光焊接，并要用高靈敏度的氦檢漏。對于40.5 kV電壓等級的產(chǎn)品來說，要關(guān)注氣箱內(nèi)部電器元件的絕緣設(shè)計，使得電場均勻分布，要講求加工精度，并注意清潔度，盡量減少雜質(zhì)，特別是導(dǎo)電雜質(zhì)，這就更需要采用先進(jìn)的加工設(shè)備。目前較高端的充氣柜制造主要采用的方法如下：

1)氣箱精細(xì)加工

氣箱精細(xì)加工主要采用激光切割和激光焊接。激光切割的板材邊緣切口光滑、無毛刺，下料精度可達(dá)到0.05 mm，確保氣箱拼接間隙小于0.1 mm。經(jīng)過激光切割下料的不銹鋼板材放入專用高精度夾具中，先用氬弧焊定位，再采用激光整體焊接成箱，此激光焊接速度快，板材熱變形小，焊縫均勻連續(xù)，焊接過程由電腦程序自動控制，無人為因素影響。

2)裝配在潔凈室內(nèi)完成

充氣柜需在空氣清凈度為百萬級以上，相對濕度低于70%，并且有良好的通風(fēng)換氣條件的場地裝配。潔凈室內(nèi)無導(dǎo)電雜質(zhì)，可有效控制裝配完成后的產(chǎn)品滿足絕緣試驗和局放試驗的要求。

3)氦檢漏及SF6自動充注系統(tǒng)

將待檢氣箱放在真空箱內(nèi)，先等壓抽真空，再充入氦氣這種示蹤氣體，這樣從氣箱漏洞溢出的氦氣進(jìn)入真空箱里，能很快的被與真空箱連接的氦質(zhì)譜儀測量出來。氦質(zhì)譜儀將進(jìn)入檢測頭的氣體電離，使它加速進(jìn)入磁場，然后根據(jù)動量大小選擇某種質(zhì)量的離子。選中的離子被偏移并擊中一個可以測出電流從而獲得一個準(zhǔn)確測量值的目標(biāo)。這種技術(shù)能檢測到極少量的示蹤氣體，氦質(zhì)譜儀的靈敏度極限為Ie-10毫巴升每秒。檢漏完成的氣箱由程序自動控制完成SF6充注。氦檢漏原理如下圖：

4)采用磁流體密封

中壓充氣柜靜密封采用氟橡膠密封圈。動密封采用金屬波紋管密封。特別是三工位開關(guān)的動密封，采用了先進(jìn)的磁流體密封。

5 結(jié)語

中壓充氣柜的出現(xiàn)，引領(lǐng)了中壓開關(guān)設(shè)備的一個發(fā)展方向。雖然國內(nèi)可以生產(chǎn)中壓充氣柜的廠家越來越多，但大多數(shù)廠家生產(chǎn)裝備差、創(chuàng)新研發(fā)能力低、制造工藝水平低，導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性不高。相信隨著科技的進(jìn)步、生產(chǎn)廠家加大研發(fā)投入力度及工藝水平的不斷提高，中壓充氣柜必將向更安全、更高可靠性、更智能化方向發(fā)展。