环保型充气柜“零” 局放的机械设计方法探讨

黄新春

（上海南华兰陵电气有限公司， 上海 201111）

0 引言

电力设备是现代化社会不可缺少的组成部分， 而充气柜作为电力设备中的重要组成部分， 在电力系统中起着至关重要的作用。然而，随着电力系统的不断发展和电力负荷的不断增加， 充气柜在使用过程中存在着局放现象，这会对电力设备造成损害。 同时，充气柜的使用也会对环境造成一定的污染， 因此如何减少充气柜在使用中对环境的污染也成为了一个重要的问题[1]。

1 充气柜的设计原理

1.1 充气柜的基本结构

充气柜作为电力设备中的重要组成部分， 主要用于绝缘和隔离母线系统和一次元件等。 其基本结构由外壳、仪表室、机构室（气箱含气体压力系统）和电缆室组成，模块化设计、结构简单、维护方便，如图1 所示，以12kV 环保充气柜模块化结构为例。

图1 12kV 环保充气柜模块化结构

首先，外壳是充气柜的主体部分，其主要作用是保护内部的绝缘零件和机构室（气箱）。 外壳材料一般采用优质敷铝锌板等高强度金属材料或防腐塑料材料， 以保证其强度和耐腐蚀性。 其次，仪表室面板为控制面板，仪表室内装有智能控制和保护单元，满足配网自动化要求；再次，机构室（气箱）面板为操作面板，机构室内装有断路器和三工位隔离/接地组合开关操作机构； 气箱外壳为304不锈钢焊接外壳，采用激光自动焊接，专有的静密封设计结构，结构简单、可靠，确保产品气密性；断路器和三工位机构通过操作面板实现关门操作，操作方便、安全；最后，电缆室内装有进出线电缆、CT、PT 和LA， 并与燃弧通道相连接。 另外，绝缘零件是充气柜内部的重要组成部分，其主要作用是隔离母线系统和一次元件等。 绝缘零件的选用和设计直接影响到充气柜的安全性和可靠性。 常用的绝缘材料有硅橡胶、聚酰亚胺等。气体压力系统是充气柜内部的重要组成部分， 其主要作用是在充气柜内部形成微正压或者高压气体环境， 提供绝缘和隔离的保护[2]。气体压力系统包括气体压力调节器、气体压力表、气体填充管道等。 在使用过程中，需要定期检查气体压力，保持其在正常范围内。 充气柜的基本结构由外壳、仪表室、机构室（气箱含气体压力系统）和电缆室组成。其中，绝缘零件的选用和设计是影响充气柜安全性和可靠性的关键因素。 在使用过程中，需要对充气柜进行定期检查和维护，以确保其正常运行。

1.2 充气柜的工作原理

充气柜是一种电力设备， 其主要作用是在高压电力系统中实现绝缘和隔离。 充气柜的工作原理基于气体绝缘技术， 即通过在充气柜内部形成微正压或者高压气体环境，来实现对母线系统和一次元件的绝缘和隔离。在充气柜内部，通过气体压力系统将干燥、无水的气体（目前，国内品牌产品一般使用纯净N2、干燥空气、洁净空气等不含SF6 或者含微量SF6 的气体， 部分合资品牌产品也有使用其它环保气体的）填充到充气柜内部，形成一个微正压或者高压气体环境。 该气体环境可以有效地隔离和绝缘母线系统和一次元件，从而确保电力系统的安全运行。同时， 在充气柜内部， 还需要设置相应的开关和控制系统，以实现对电力系统的控制和保护。 例如，在故障发生时，可以通过控制系统及时切断电流，避免事故的扩大[3]。

总之，充气柜的工作原理基于气体绝缘技术，通过在充气柜内部形成微正压或者高压气体环境， 来实现对母线系统和一次元件的绝缘和隔离。在使用过程中，需要合理设计和选用绝缘材料和气体压力系统， 并定期检查和维护充气柜，以保证其正常运行。

2 充气柜零局放的机械设计方法

2.1 充气柜零局放的设计要求

充气柜在使用过程中存在着局放现象， 这会对电力设备造成损害。为了解决这一问题，需要对充气柜进行机械设计，以实现充气柜的“零”局放。

首先，充气柜的内部结构必须合理设计，以保证电场分布均匀，从而避免局部放电现象的发生。 其次，充气柜的绝缘材料和气体压力系统也需要优化选用， 以提高其绝缘性能和稳定性。此外，还需要对充气柜进行严格的检测和测试，以确保其符合相关的安全标准和要求。在充气柜的机械设计中，还需要考虑其环保性能。传统的充气柜使用的是SF6 气体，但是SF6 气体具有较强的温室效应，对环境造成一定的污染。因此，在充气柜的设计中应优先选用环保型气体，如N2、洁净空气等。

综上所述，充气柜的“零”局放机械设计需要考虑多个方面的要求，包括内部结构设计、绝缘材料和气体压力系统的优化选用，以及对环保性能的考虑。通过合理的机械设计，可以有效地降低充气柜的局放现象，提高其可靠性和安全性，并减少对环境的污染[4]。

2.2 充气柜零局放的机械设计方案

为了实现充气柜的“零”局放，本文提出了一种机械设计方案。该方案主要包括两个方面的改进：内部结构优化和材料优化。

首先，对于充气柜的内部结构，本文提出了一种新型的设计方案。该方案采用了分段式结构，将充气柜的内部分为多个区域， 并在每个区域内设置相应的绝缘零件和导电板。通过这种方式，可以有效地降低充气柜内部的电场强度，从而避免局部放电现象的发生。 同时，该方案还采用了新型的绝缘材料，如聚酰亚胺等，具有较好的绝缘性能和稳定性。

其次，对于充气柜的气体压力系统，本文提出了采用环保型气体的方案。 具体来说，本文采用了N2气体作为充气柜的填充气体。N2气体具有良好的环保性能，不会对大气层造成污染，因此是一种理想的替代气体。

为了验证新型设计方案的有效性， 本文进行了有限元仿真实验。通过实验结果分析，新型设计方案可以有效地降低充气柜的局放现象，并具有较好的环保性能。具体的仿真数据如表1 所示。

表1 充气柜零局放的机械设计数据

综上所述， 本文提出了一种机械设计方案， 以实现充气柜的“零” 局放和环保化。 该方案通过优化充气柜内部结构和材料，使得充气柜内部电场均匀分布，从而达到“零”局放的目的。 同时，采用环保型气体填充充气柜，具有良好的环保性能。 该方案对于提高电力设备的可靠性和环保性能具有重要意义。

2.3 充气柜零局放的关键技术和难点

充气柜零局放是电力设备领域中的一个重要问题，其关键技术和难点主要包括以下几个方面：

（1）内部结构设计：充气柜内部的结构对于电场分布的均匀性和局放现象的影响非常大。因此，在设计过程中需要考虑充气柜内部的绝缘零件的位置、形状、尺寸等因素，以实现电场分布的均匀性。

（2）绝缘材料选择：充气柜内部的绝缘材料对于充气柜的绝缘性能和稳定性具有重要作用。因此，在选择绝缘材料时需要考虑其介电常数、 介质损耗、 机械强度等因素，并进行合理的组合和搭配。

（3）气体压力系统设计：充气柜内部的气体压力系统对于充气柜的工作稳定性和安全性具有重要作用。因此，在设计气体压力系统时需要考虑气体的压力、流量、温度等因素，并进行合理的优化和调整。

为了解决上述问题，本文提出了一种机械设计方案，具体如下：

（1）内部结构优化：采用分段式结构，将充气柜内部分为多个区域， 并在每个区域内设置相应的绝缘零件和导电板。通过这种方式，可以有效地降低充气柜内部的电场强度，从而避免局部放电现象的发生。

（2）绝缘材料优化：采用新型的绝缘材料，如聚酰亚胺等，具有较好的绝缘性能和稳定性。

（3）气体压力系统优化：采用环保型气体N2作为充气柜的填充气体，具有良好的环保性能。

该机械设计方案可以通过下列公式进行表述：

通过合理的机械设计方案分析可知， 可以有效地降低充气柜的局放现象，并提高其可靠性和安全性。 同时，采用环保型气体填充充气柜，具有良好的环保性能，对于提高电力设备的环保性能具有重要意义。

3 实验验证与结果分析

3.1 实验平台和测试方法

为了验证机械设计方案的有效性， 本文采用了实验测试的方法，并建立了相应的实验平台。具体的实验平台包括充气柜、高压电源、局放检测仪等设备。

在实验测试过程中， 我们对比了传统设计方案和新型机械设计方案的局放电压数据。 具体的测试数据如表2 所示。

表2 设计方案对比分析

从表2 数据可以看出，新型机械设计方案可以有效地降低充气柜的局放电压，达到了“零”局放的目的。而传统设计方案则存在较大的局放电压问题，对电力设备造成了较大的损害。

通过实验测试， 我们发现新型机械设计方案的优化效果明显，并且具有很好的工程应用前景。 同时，该方案所采用的环保型气体填充充气柜，具有较好的环保性能，符合当今社会对于环保型电力设备的要求。

传统设计方案局放电压矩阵：

新型机械设计方案局放电压矩阵：

从局放电压矩阵可以看出， 新型机械设计方案可以有效地降低充气柜的局放电压，达到了“零”局放的目的。而传统设计方案则存在较大的局放电压问题， 对电力设备造成了较大的损害。

综上所述，通过建立相应的实验平台和测试方法，可以有效地验证机械设计方案的有效性。 本文所提出的新型机械设计方案具有很好的局放降噪效果和环保性能，对于提高电力设备的可靠性和环保性能具有重要意义。

3.2 实验结果及其分析

通过实验测试， 我们得到了传统设计方案和新型机械设计方案的局放电压矩阵。从矩阵数据可以看出，新型机械设计方案可以有效地降低充气柜的局放电压， 达到了“零”局放的目的。与此相比，传统设计方案存在较大的局放电压问题，对电力设备造成了较大的损害。

具体来说，传统设计方案的局放电压矩阵中，最高值为52kV，最低值为48kV，而新型机械设计方案的局放电压矩阵中，最高值仅为6kV，最低值为3kV。 这说明新型机械设计方案可以有效地降低充气柜的局放电压， 达到了较好的降噪效果[5]。

通过对比分析，我们发现新型机械设计方案具有明显的优势。该方案采用了分段式结构和新型的绝缘材料，使得充气柜内部电场均匀分布，从而有效地降低了局放现象的发生。同时，采用环保型气体填充充气柜，具有良好的环保性能。

综上所述， 实验结果表明新型机械设计方案具有很好的局放降噪效果和环保性能， 对于提高电力设备的可靠性和环保性能具有重要意义。

4 结论

本文主要研究了充气柜零局放的关键技术和难点，提出了一种新型机械设计方案， 并在实验平台上进行了测试。实验结果表明，新型机械设计方案可以有效地降低充气柜的局放电压，达到了“零”局放的目的。 同时，该方案所采用的环保型气体填充充气柜， 具有较好的环保性能，符合当今社会对于环保型电力设备的要求。本研究为充气柜零局放问题提供了一种新的解决方案， 具有较好的工程应用前景。未来，我们将继续深入研究充气柜零局放的关键技术和难点，进一步优化机械设计方案，提高充气柜的可靠性和安全性。 本研究为充气柜零局放问题的解决提供了一种新的思路和方法， 对于推动电力设备的可靠性和环保性能的提升具有重要意义。 我们希望本研究能够为相关领域的研究者提供借鉴和参考， 也期待更多的人能够加入到这个领域的研究中来， 共同推动电力设备的发展和进步。