中壓充氣柜的研究及應(yīng)用

■ 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、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)元件為負荷開關(guān)和限流熔斷器，不但經(jīng)濟，而且保護特性好（如限流熔斷器保護變壓器）。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。

(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?！癈-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、占地面積小、可靠性高、免維護，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。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。可將負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、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)進行嚴格監(jiān)測，如果這些設(shè)備發(fā)生泄漏，SF6氣體密度降低，會產(chǎn)生極其嚴重的后果：a.開關(guān)設(shè)備耐壓強度降低。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中嚴格控制，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或少維護的開關(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，影響負載的正常用電。

保證零部件質(zhì)量就要嚴格控制零部件的材料、加工工藝和檢驗方法，其機械強度、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行更加嚴格的入廠檢驗，對整個裝配過程要求給以更加嚴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)氣箱精細加工

氣箱精細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)譜儀將進入檢測頭的氣體電離，使它加速進入磁場，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確測量值的目標。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。