摘要：所谓充气柜，是将高压元件（如断路器、隔离开关、负荷开关、接地开关、互感器、母线等）密封在充有较低压力的压缩气体（如压缩空气、CO2、SF6、N2，或者是两种气体的混合气体等）的封闭壳体内的一种金属封闭开关设备。充气柜（C-GIS）自身结构决定了其生产过程中会遇到诸多问题。本文着重介绍气密性、气体水分含量、零部件质量和现场装配等问题并针对每个问题提出具体的解决方案。
关键词：充气柜；主要问题；解决方案
引言
充气柜以低压力的绝缘气体为绝缘介质，将各高压元器件全密封，因此，其最大特点是对环境适应性极强，而且由于引入了绝缘气体介质，在增加了可靠性的同时，可以大大缩小产品外形尺寸进而缩小占地面积。与常规空气绝缘开关柜相比，其在经济性、适用性、可靠性、小型化等方面都具有明显的优势。
1充气柜的优势和发展趋势
1.1充气柜的优势
充气柜与一般的空气绝缘柜相比拥有以下众多优势：1）由于采用性能优异的压缩气体，大大提高了绝缘性能，压缩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。由于此优点便于设计较小的柜体尺寸，有利于向小型化发展。目前土地很紧张，小型化发展很有必要；2）由于采用性能优异的压缩气体，有时还能提高灭弧性能；3）由于采用气密式结构，因此不受外界环境（如凝露、污秽、小动物及化学物质等）的影响，可用于恶劣场所；4）由于采用免维护产品结构，大大降低了维修工作，减少了维修费用。鉴于以上优势，充气柜现在使用比较广泛，国外从事开关设备生产和制造的公司均有此类产品，国内也有很多厂家在进行设计和制造。
1.2充气柜的发展趋势
（1）从圆筒形向柜式方向转变。充气柜现有两种外形上差异极大的机构形式：一种为铝筒式；另一种为钢板封闭式（或称柜式）。从现有产品看，西门子公司、ABB公司等国际知名大公司都在大力推广其柜式结构的产品。
（2）结构进行简化。早期研制的C-GIS，分成很多的气室单元，将母线、隔离开关、断路器、电流互感器及电缆出线等用气体隔室隔开。随着开关制造水平的提高，C-GIS不受环境的影响，可靠性高，器件不需检修的特点日益突出，现在国外最新研制的C-GIS为共箱式气体绝缘隔室模块化结构，然后再做成柜体组配。同时采用三工位隔离开关，完成合、分、接地功能，简化了结构，缩小了体积。
（3）简化主接线方式。目前我国的开关柜主接线方案在断路器两侧都带有隔离和接地开关，而国外现在中压C-GIS（特别是欧洲）都将用户侧的隔离和接地开关取消，这样可以大大简化开关柜的结构，降低制造费用。
（4）实现控制、监视、保护、诊断显示等智能化。从保护和控制来看，采用智能型控制和保护装置，在电流和电压测量上，从传统的电磁测量互感器转向现代传感器。
2充气柜生产的主要问题及解决方案
2.1充气柜生产必备条件
SF6气体在开关设备中的大量使用，推动了开关制造业快速发展的步伐。但SF6气体在电弧放电时，分解形成硫的低氟化物，这些分解物既有毒又对许多绝缘材料和金属材料有腐蚀作用。另外SF6气体对环境温度也有一定的影响（温室效应）。原机电部于1991年为保证生产SF6开关设备的质量颁发了《SF6高压开关设备生产厂必备条件》的通知，对35kV及以下SF6高压开关生产厂必备条件提出有关要求，简要列举如下：
（1）应有空气清净度为100万级以上，相对湿度低于75％的场地装配，并且有良好的通风换气条件（特别是在装密封圈时一定要注意）。
（2）设有SF6检漏小室、零部件清洗间、干燥装置。
（3）有可靠的SF6充放气及回收装置。
（4）水压试验和气密性试验装置。
（5）必备的检测条件及设备：理化检测；绝缘检测；SF6气体检测。
（6）健全质量管理、工艺管理制度。
2.2充气柜生产的主要问题及解决方案
充气柜的生产工艺很重要。由于这类产品的固有特点，它有一些不同于一般开关设备的装配问题，主要表现在：气箱的密封性能；气箱内气体的水分控制；零部件质量问题；箱体变形；等。
2.2.1气密性问题
气密性问题是充气类产品生产必须关注的首要问题，因为产品一旦漏气则几乎所有产品性能都无法保障。要保证使用寿命≥30年的要求，充气柜年泄漏率应控制在0.5%/年以下。充气柜产品的密封结构主要有静密封和动密封两种，静密封方式包括焊接密封和密封圈密封，动密封方式主要有磁流体密封及金属波纹管密封等。
主要问题及解决方案如下。（1）焊接密封：采用普通的焊接设备和焊接技术根本无法保证焊缝的气密性，只有采用氩弧焊或者激光焊进行焊接，才能满足寿命期内的密封要求。目前最好的焊接方式是采用国际上先进的激光焊接工艺技术，能满足气密性、强度、刚度和外观的要求，并且有在线检测装置保证焊缝质量。（2）密封圈密封是采用最多的密封方式，密封要考虑到密封元件的压缩量、寿命、老化、可靠性方面的因素以及尺寸标准化、系列化的生产要求。密封表面的处理相当重要，首先用无水酒精清洗整个密封区域，然后用绸布或不脱屑的高级卫生纸擦净。密封区域应无划痕，无锈斑，光亮洁净，密封槽内不得留有杂物，必要时要用吸尘器吸净。目前较多采用三元乙丙橡胶O型密封圈。密封圈应认真检查，不得有任何缺陷，再用无水酒精擦洗其表面，待酒精挥发干净后，表面均匀涂上真空硅脂，最后将处理好的密封圈放在槽内，按要求安装封盖。（3）动密封是充气类开关设备必须面对的问题。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆传统的动密封也是采用密封圈来实现，这种结构在开关不操作时相当于静密封，气密性容易保证，但是在开关操作过程中经常伴有漏气现象，这一弊端在直动密封尤为突出。为了克服这一弊端，充气柜产品在设计中，都是把密封圈的动密封转为静密封，直动密封一般采用金属波纹管结构，转动密封则采用磁流体密封，既提高了传动效率，同时也避免了密封圈受损。（4）检漏环节的控制是保证产品气密性的关键工序。目前，比较严谨的检测控制方式是：在产品生产的零件生产、气箱装配和整机装配三个不同阶段全部进行气密性检测，实行三级控制，任何一级检测不合格不得转序。在检测仪器设备方面，很多企业仍然在使用传统的手持式气体检漏仪，已经相对落后了；当前最先进的检测手段是采用真空箱法进行氦质谱气密性检测，同步对真空箱和被检工件抽真空，保持工件内外压力差恒定，提高检测效率的同时又能最大限度地保护产品不受损伤。
2.2.2气体水分含量问题
气体水分含量对于气体绝缘开关设备的产品质量至关重要，微水含量大小直接影响其绝缘水平。对SF6开关设备来说，在电弧作用下，SF6分解过程中会和水反应，生成多种有毒气体，严重危害人体健康；生成物中还有一些腐蚀性物质，会腐蚀开关设备内部元件。
为了降低气体含水量，可采取如下措施：（1）新气质量的控制。新气应符合国标GB/T12022《工业六氟化硫》的相关规定。新气到货后必须按有关规定检验合格后方可使用；存放超半年以上气体，用前也要检测其微水含量，符合标准才能使用。另外，气瓶的存放和管理，要制定严格的规章，对存放环境和标识区分等要做明确的规定。（2）绝缘件的干燥处理。绝缘件从出厂到安装前，整个周转和存放过程中会吸附一定的水分，因此在安装前必须进行干燥处理。常用的干燥方法是：将绝缘件置于温度105~120℃的烘箱内持续烘干约60min，停止烘干后待绝缘件放凉立即安装；若烘干后当时不装，应采取密封包装，存放于干燥环境中。（3）吸附剂质量的控制。吸附剂本身必须是干燥的，目前普遍采用的是真空包装的免烘型吸附剂，安装时要求，包装袋一旦打开则必须在5~10min内完成封装，并立即对开关设备抽真空。对于开袋后当时未用的吸附剂，下次使用前必须进行活化处理，处理后应立即封装。（4）密封件质量的控制。要保证密封良好，首先，密封件要选择渗透率小的材质；其次，密封面的加工和组装要有严格的工艺规程。（5）充气操作环节的控制。应在周围空气相对湿度≤75％的环境中进行充气，并严格按照有关规程和操作工艺要求进行操作。充气管子的内部必须干燥、清洁，充气前应先用新气冲洗一遍才能正式对开关设备进行充气。
2.2.3零部件质量问题
零部件质量好坏直接关系产品质量的好坏。SF6充气柜都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。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满足产品的要求。对要求装入的零部件进行严格的检查，对整个装配工艺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的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，开关主回路电阻值寿命周期内满足产品技术要求。
2.2.4箱体变形问题
对于气箱体来说要承受很大的压力．特别是在抽真空的时候，选个时候箱体内部要承受很大的压力，如果处理不好变形的问题．很可能导致内部零部件的掼坏，密封处也会滑气。现在一般的处理方法有对箱体薄弱地方加加强肋，采用等压抽真空的方法，保证其箱内外压力差很小，从而保证箱体不变形。
2.2.5现场装配问题
现场装配主要包括并柜安装和出线套管电缆附件安装，安装不当带来的问题主要有漏气和绝缘问题，二者常常同时出现。装配时要有足够安装空间，便于装配；需要用力矩扳手按照标准要求固定内部的电缆附件连接；由于安装现场的环境条件一般比较差，而充气柜的电气密封和气体密封的连接要求很高，因此对密封连接面的清洁度控制要格外注意；此外，每一项安装前后都要注意观察压力表是否有变化。
1）并柜安装。并柜安装有母线顶端连接和侧向连接两种方式。对顶端连接并柜要求相对较低，对侧向连接并柜的要求则很高，侧向连接并柜时，并柜的平面要有平面度的要求，并柜的时候要有导向装置和限位装置，尤其要特别注意各相的同步。
2）电缆附件安装和电缆的固定。电缆在电缆沟内必须先捋顺，不得拧扭；电缆与充气箱体连接时，一定要保证与箱体底面垂直，在电缆头与出线套管可靠固定后，电缆穿出电缆室前位置必须设置第二个固定点，以确保电缆头连接处不受任何横向力。对于三芯电缆的安装，要求其分相长度必须足够长，同时，要保证三相线芯长度对称，A、C两相长度一致。对同一相连接双电缆或三电缆的情况应该特别注意，也要严格按照以上要求执行。
结语
充气柜的发展是市场的需要，随着知识的更新和技术的进步，国内制造企业对C-GIS产品认识会越来越深，产品的系列化、智能化将使充气柜能适应更多用户的使用。尽管其生产标准要求很高，但只要严格按照生产规律和工艺进行生产，切实解决以上问题，就一定能够生产出合格的充气柜产品。
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论文作者:吴建国
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第11期
论文发表时间:2018/9/5
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