中压充气柜的研究及应用

■ 海南金盘电气有限公司 王富成

0 前言

随着城市高楼大厦的崛起、生活小区的形成以及生产的集团化和规模化，国内电网建设与改造不断加速，配电电压从以前的380 V提升到10 KV，进而从10 KV上升到20 KV或35 KV。《全国供用电规程》规定，凡送电容量超过160 KVA，或用电容量超过250 KW，则要求上高压，需要高压送电给负荷中心；随之对开关柜的要求不断提高，如智能化、小型化、免维护、全工况等；一种气体绝缘开关设备——俗称充气柜的中压充气柜近年来在国外迅速发展，在国内也已大量采用。

1 中压充气柜的概念和分类

中压充气柜是将高压元件诸如母线、负荷开关、断路器、隔离开关、接地开关、互感器等封闭在充有较低压力（一般为0.02～0.05 MPa）气体的壳体内的一种固定式金属封闭气体绝缘开关设备。

中压指12～40.5 kV，主要有12 kV（额定工作电压Un＝10 kV）、24 kV（Un＝20 kV）、40.5 kV（Un＝35 kV）三种电压等级。

中压充气柜是“固定式金属封闭气体绝缘开关设备”的简称，主要包括“充气环网柜”和“C-GIS”两种。

1)“充气环网柜”属二次配电设备。二次配电设备是指将高压变压器受电的一次配电设备的电能进行再分配的中压开关设备。二次配电设备基础元件为负荷开关和限流熔断器，不但经济，而且保护特性好（如限流熔断器保护变压器）。同时，随着现在单一用户用电容量的增大，很多也采用断路器方案。

“充气环网柜”具有下列特点：

(1）全密封，全绝缘，不受外部环境的影响，从而确保运行可靠性及人身安全，并且实现了免维护。

(2）体积小，结构紧凑，从而节约了昂贵的土地使用面积。

(3）采用模块化设计，以其固定式单元组合型并可灵活扩展型的完美统一，故更加广泛应用于城乡电网，各种二次变电站，户外开闭所，箱式变电站，电缆分支箱等场合。

(4）开关柜运行的设计寿命超过三十年。

(5）通过提供自动化解决方案，更可达到智能化开关柜的要求。

“充气环网柜”包括12 kV、24 kV、40.5 kV三种电压等级的产品。主要适用于：欧变、户外环网柜、公共电网、工业配电、高层建筑、风电等。

充气环网柜应用例图如下：

2)“C-GIS”属一次配电设备。“C-GIS”的电压等级一般为12 kV和40.5 kV，但40.5 kV“C-GIS”更能显示其技术经济上的优势，因此国内外多数生产商主要生产40.5 kV的“C-GIS”。

“C-GIS”环境适应性强、占地面积小、可靠性高、免维护，主要适用于：中压电网系统的变配电站、地铁、轻轨、大型工矿企业、如水泥、汽车、钢铁、石化、煤矿等和高海拔、高污染地区。

2 中压充气柜的优势

1）充气柜具有很多优势，其最大的优势是不受外界环境的影响，如凝露、污秽、小动物及化学物质等。

2）由于配电设备包封于充有气体的金属封闭外壳内，使各项被包封元件的外绝缘变为成套设备的内绝缘，因此尺寸小，能抵御苛酷环境条件的侵害，如严重污染、高海拔、湿热等，因此可靠性显著提升。

3）另一个优势是因为使用压缩气体绝缘，如SF6、N2、SF6/N2混合气体和干压空气，可大大缩小柜体的外形尺寸，有利于向小型化发展。

4）免维护。吹气式灭弧设计使触头磨损减至最小，在厂内充气封装完毕后，现场无需更多安装调试，仅需定期检查气体压力。

5）多种接线方式。旋转或直线吹弧负荷开关和真空断路器可自由组合，可从2个单元组合至6个单元，三位置开关可提供接地位置。

6）双电源自动切换功能。可将负荷从一路电源快速切换至另一路，保证连续供电时间，提高供电可靠性。

7）信息化、智能化。采用新型电子式电压或电流互感器，将保护、监视、控制、测量与通信集于一身，可实现多种功能：基本保护功能；控制功能，测量电量功能；通信功能；监视功能。

3 生产中压充气柜的技术难题

生产SF6中压充气环网柜与C-GIS，主要解决以下几个方面的技术难题：

1)气箱密封或气体泄漏问题：

为保证SF6设备安全运行，必须对SF6气体密度等参数进行严格监测，如果这些设备发生泄漏，SF6气体密度降低，会产生极其严重的后果：a.开关设备耐压强度降低。b.断路器开断容量下降。

漏气率一直是各生产厂家和用户关注的焦点。SF6负荷开关及充气柜年泄漏率都在1%/年以下。开关使用寿命一般都在30年左右。密封要考虑到密封元件的压缩量、寿命、老化、可靠性方面的因素。

2)气体水份含量问题

运行中的SF6气体绝缘设备无论怎样在安装中及运行维护中严格控制，设备总会存在水蒸气。在没有电弧或电晕的隔室中，水分的危害主要是降低耐压水平，例如SF6中水分含量达到30%以上时，沿面放电电压可降到干燥时的60%～80%；有电弧或电晕的隔室中，除了降低绝缘能力，还会在电弧作用下，微量的H2O与SF6作用产生SO2、SF2等酸性物质，它们对某些金属及绝缘体产生腐蚀作用。水分含量高时，甚至还会导致开断失败。

SF6气体水分含量是SF6开关质量的主要检测指标之一，其大小直接影响了开关的绝缘水平。DL/T596-1996《电力设备预防性试验规程》规定，新投运和大修后SF6开关水份含量不得超过150 ppm，运行中则不得超过300 ppm。对于新SF6气体，首先要检验气体本身水份含量，不超过规定值（一般水份含量为15 ppm）。

3)零部件可靠性问题

零部件质量好坏直接决定产品质量的好坏。中压充气柜是免维护或少维护的开关设备，一旦密封箱体内的零部件有质量问题，将极有可能造成整台开关设备的报废，影响负载的正常用电。

保证零部件质量就要严格控制零部件的材料、加工工艺和检验方法，其机械强度、电气性能等各方面参数须满足产品的要求。对要求装入的零部件进行更加严格的入厂检验，对整个装配过程要求给以更加严格的工艺过程控制和工序检验的控制，以保证装配的正确性和一致性。特别是密封箱体内的传动环节和触头表面的润滑应该是在整个产品寿命周期内永久有效的，触头的接触压力应该严格控制，开关主回路电阻值在寿命周期内都须满足产品技术要求。

4 中压充气柜的制造工艺

中压充气柜的高可靠性对制造工艺提出了很高的要求。充气柜的箱体一般采用2 mm或3 mm不锈钢板，为保证箱体不漏气和不变形，需采用激光切割，激光焊接，并要用高灵敏度的氦检漏。对于40.5 kV电压等级的产品来说，要关注气箱内部电器元件的绝缘设计，使得电场均匀分布，要讲求加工精度，并注意清洁度，尽量减少杂质，特别是导电杂质，这就更需要采用先进的加工设备。目前较高端的充气柜制造主要采用的方法如下：

1)气箱精细加工

气箱精细加工主要采用激光切割和激光焊接。激光切割的板材边缘切口光滑、无毛刺，下料精度可达到0.05 mm，确保气箱拼接间隙小于0.1 mm。经过激光切割下料的不锈钢板材放入专用高精度夹具中，先用氩弧焊定位，再采用激光整体焊接成箱，此激光焊接速度快，板材热变形小，焊缝均匀连续，焊接过程由电脑程序自动控制，无人为因素影响。

2)装配在洁净室内完成

充气柜需在空气清净度为百万级以上，相对湿度低于70%，并且有良好的通风换气条件的场地装配。洁净室内无导电杂质，可有效控制装配完成后的产品满足绝缘试验和局放试验的要求。

3)氦检漏及SF6自动充注系统

将待检气箱放在真空箱内，先等压抽真空，再充入氦气这种示踪气体，这样从气箱漏洞溢出的氦气进入真空箱里，能很快的被与真空箱连接的氦质谱仪测量出来。氦质谱仪将进入检测头的气体电离，使它加速进入磁场，然后根据动量大小选择某种质量的离子。选中的离子被偏移并击中一个可以测出电流从而获得一个准确测量值的目标。这种技术能检测到极少量的示踪气体，氦质谱仪的灵敏度极限为Ie-10毫巴升每秒。检漏完成的气箱由程序自动控制完成SF6充注。氦检漏原理如下图：

4)采用磁流体密封

中压充气柜静密封采用氟橡胶密封圈。动密封采用金属波纹管密封。特别是三工位开关的动密封，采用了先进的磁流体密封。

5 结语

中压充气柜的出现，引领了中压开关设备的一个发展方向。虽然国内可以生产中压充气柜的厂家越来越多，但大多数厂家生产装备差、创新研发能力低、制造工艺水平低，导致产品可靠性不高。相信随着科技的进步、生产厂家加大研发投入力度及工艺水平的不断提高，中压充气柜必将向更安全、更高可靠性、更智能化方向发展。