環(huán)保型充氣柜“零” 局放的機(jī)械設(shè)計(jì)方法探討

黃新春

（上海南華蘭陵電氣有限公司， 上海 201111）

0 引言

電力設(shè)備是現(xiàn)代化社會(huì)不可缺少的組成部分， 而充氣柜作為電力設(shè)備中的重要組成部分， 在電力系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。然而，隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展和電力負(fù)荷的不斷增加， 充氣柜在使用過(guò)程中存在著局放現(xiàn)象，這會(huì)對(duì)電力設(shè)備造成損害。 同時(shí)，充氣柜的使用也會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的污染， 因此如何減少充氣柜在使用中對(duì)環(huán)境的污染也成為了一個(gè)重要的問(wèn)題[1]。

1 充氣柜的設(shè)計(jì)原理

1.1 充氣柜的基本結(jié)構(gòu)

充氣柜作為電力設(shè)備中的重要組成部分， 主要用于絕緣和隔離母線系統(tǒng)和一次元件等。 其基本結(jié)構(gòu)由外殼、儀表室、機(jī)構(gòu)室（氣箱含氣體壓力系統(tǒng)）和電纜室組成，模塊化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，如圖1 所示，以12kV 環(huán)保充氣柜模塊化結(jié)構(gòu)為例。

圖1 12kV 環(huán)保充氣柜模塊化結(jié)構(gòu)

首先，外殼是充氣柜的主體部分，其主要作用是保護(hù)內(nèi)部的絕緣零件和機(jī)構(gòu)室（氣箱）。 外殼材料一般采用優(yōu)質(zhì)敷鋁鋅板等高強(qiáng)度金屬材料或防腐塑料材料， 以保證其強(qiáng)度和耐腐蝕性。 其次，儀表室面板為控制面板，儀表室內(nèi)裝有智能控制和保護(hù)單元，滿足配網(wǎng)自動(dòng)化要求；再次，機(jī)構(gòu)室（氣箱）面板為操作面板，機(jī)構(gòu)室內(nèi)裝有斷路器和三工位隔離/接地組合開關(guān)操作機(jī)構(gòu)； 氣箱外殼為304不銹鋼焊接外殼，采用激光自動(dòng)焊接，專有的靜密封設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，確保產(chǎn)品氣密性；斷路器和三工位機(jī)構(gòu)通過(guò)操作面板實(shí)現(xiàn)關(guān)門操作，操作方便、安全；最后，電纜室內(nèi)裝有進(jìn)出線電纜、CT、PT 和LA， 并與燃弧通道相連接。 另外，絕緣零件是充氣柜內(nèi)部的重要組成部分，其主要作用是隔離母線系統(tǒng)和一次元件等。 絕緣零件的選用和設(shè)計(jì)直接影響到充氣柜的安全性和可靠性。 常用的絕緣材料有硅橡膠、聚酰亞胺等。氣體壓力系統(tǒng)是充氣柜內(nèi)部的重要組成部分， 其主要作用是在充氣柜內(nèi)部形成微正壓或者高壓氣體環(huán)境， 提供絕緣和隔離的保護(hù)[2]。氣體壓力系統(tǒng)包括氣體壓力調(diào)節(jié)器、氣體壓力表、氣體填充管道等。 在使用過(guò)程中，需要定期檢查氣體壓力，保持其在正常范圍內(nèi)。 充氣柜的基本結(jié)構(gòu)由外殼、儀表室、機(jī)構(gòu)室（氣箱含氣體壓力系統(tǒng)）和電纜室組成。其中，絕緣零件的選用和設(shè)計(jì)是影響充氣柜安全性和可靠性的關(guān)鍵因素。 在使用過(guò)程中，需要對(duì)充氣柜進(jìn)行定期檢查和維護(hù)，以確保其正常運(yùn)行。

1.2 充氣柜的工作原理

充氣柜是一種電力設(shè)備， 其主要作用是在高壓電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)絕緣和隔離。 充氣柜的工作原理基于氣體絕緣技術(shù)， 即通過(guò)在充氣柜內(nèi)部形成微正壓或者高壓氣體環(huán)境，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)母線系統(tǒng)和一次元件的絕緣和隔離。在充氣柜內(nèi)部，通過(guò)氣體壓力系統(tǒng)將干燥、無(wú)水的氣體（目前，國(guó)內(nèi)品牌產(chǎn)品一般使用純凈N2、干燥空氣、潔凈空氣等不含SF6 或者含微量SF6 的氣體， 部分合資品牌產(chǎn)品也有使用其它環(huán)保氣體的）填充到充氣柜內(nèi)部，形成一個(gè)微正壓或者高壓氣體環(huán)境。 該氣體環(huán)境可以有效地隔離和絕緣母線系統(tǒng)和一次元件，從而確保電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。同時(shí)， 在充氣柜內(nèi)部， 還需要設(shè)置相應(yīng)的開關(guān)和控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的控制和保護(hù)。 例如，在故障發(fā)生時(shí)，可以通過(guò)控制系統(tǒng)及時(shí)切斷電流，避免事故的擴(kuò)大[3]。

總之，充氣柜的工作原理基于氣體絕緣技術(shù)，通過(guò)在充氣柜內(nèi)部形成微正壓或者高壓氣體環(huán)境， 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)母線系統(tǒng)和一次元件的絕緣和隔離。在使用過(guò)程中，需要合理設(shè)計(jì)和選用絕緣材料和氣體壓力系統(tǒng)， 并定期檢查和維護(hù)充氣柜，以保證其正常運(yùn)行。

2 充氣柜零局放的機(jī)械設(shè)計(jì)方法

2.1 充氣柜零局放的設(shè)計(jì)要求

充氣柜在使用過(guò)程中存在著局放現(xiàn)象， 這會(huì)對(duì)電力設(shè)備造成損害。為了解決這一問(wèn)題，需要對(duì)充氣柜進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)充氣柜的“零”局放。

首先，充氣柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)必須合理設(shè)計(jì)，以保證電場(chǎng)分布均勻，從而避免局部放電現(xiàn)象的發(fā)生。 其次，充氣柜的絕緣材料和氣體壓力系統(tǒng)也需要優(yōu)化選用， 以提高其絕緣性能和穩(wěn)定性。此外，還需要對(duì)充氣柜進(jìn)行嚴(yán)格的檢測(cè)和測(cè)試，以確保其符合相關(guān)的安全標(biāo)準(zhǔn)和要求。在充氣柜的機(jī)械設(shè)計(jì)中，還需要考慮其環(huán)保性能。傳統(tǒng)的充氣柜使用的是SF6 氣體，但是SF6 氣體具有較強(qiáng)的溫室效應(yīng)，對(duì)環(huán)境造成一定的污染。因此，在充氣柜的設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先選用環(huán)保型氣體，如N2、潔凈空氣等。

綜上所述，充氣柜的“零”局放機(jī)械設(shè)計(jì)需要考慮多個(gè)方面的要求，包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、絕緣材料和氣體壓力系統(tǒng)的優(yōu)化選用，以及對(duì)環(huán)保性能的考慮。通過(guò)合理的機(jī)械設(shè)計(jì)，可以有效地降低充氣柜的局放現(xiàn)象，提高其可靠性和安全性，并減少對(duì)環(huán)境的污染[4]。

2.2 充氣柜零局放的機(jī)械設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)充氣柜的“零”局放，本文提出了一種機(jī)械設(shè)計(jì)方案。該方案主要包括兩個(gè)方面的改進(jìn)：內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化和材料優(yōu)化。

首先，對(duì)于充氣柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，本文提出了一種新型的設(shè)計(jì)方案。該方案采用了分段式結(jié)構(gòu)，將充氣柜的內(nèi)部分為多個(gè)區(qū)域， 并在每個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的絕緣零件和導(dǎo)電板。通過(guò)這種方式，可以有效地降低充氣柜內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而避免局部放電現(xiàn)象的發(fā)生。 同時(shí)，該方案還采用了新型的絕緣材料，如聚酰亞胺等，具有較好的絕緣性能和穩(wěn)定性。

其次，對(duì)于充氣柜的氣體壓力系統(tǒng)，本文提出了采用環(huán)保型氣體的方案。 具體來(lái)說(shuō)，本文采用了N2氣體作為充氣柜的填充氣體。N2氣體具有良好的環(huán)保性能，不會(huì)對(duì)大氣層造成污染，因此是一種理想的替代氣體。

為了驗(yàn)證新型設(shè)計(jì)方案的有效性， 本文進(jìn)行了有限元仿真實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，新型設(shè)計(jì)方案可以有效地降低充氣柜的局放現(xiàn)象，并具有較好的環(huán)保性能。具體的仿真數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 充氣柜零局放的機(jī)械設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)

綜上所述， 本文提出了一種機(jī)械設(shè)計(jì)方案， 以實(shí)現(xiàn)充氣柜的“零” 局放和環(huán)保化。 該方案通過(guò)優(yōu)化充氣柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料，使得充氣柜內(nèi)部電場(chǎng)均勻分布，從而達(dá)到“零”局放的目的。 同時(shí)，采用環(huán)保型氣體填充充氣柜，具有良好的環(huán)保性能。 該方案對(duì)于提高電力設(shè)備的可靠性和環(huán)保性能具有重要意義。

2.3 充氣柜零局放的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)

充氣柜零局放是電力設(shè)備領(lǐng)域中的一個(gè)重要問(wèn)題，其關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面：

（1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：充氣柜內(nèi)部的結(jié)構(gòu)對(duì)于電場(chǎng)分布的均勻性和局放現(xiàn)象的影響非常大。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮充氣柜內(nèi)部的絕緣零件的位置、形狀、尺寸等因素，以實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)分布的均勻性。

（2）絕緣材料選擇：充氣柜內(nèi)部的絕緣材料對(duì)于充氣柜的絕緣性能和穩(wěn)定性具有重要作用。因此，在選擇絕緣材料時(shí)需要考慮其介電常數(shù)、 介質(zhì)損耗、 機(jī)械強(qiáng)度等因素，并進(jìn)行合理的組合和搭配。

（3）氣體壓力系統(tǒng)設(shè)計(jì)：充氣柜內(nèi)部的氣體壓力系統(tǒng)對(duì)于充氣柜的工作穩(wěn)定性和安全性具有重要作用。因此，在設(shè)計(jì)氣體壓力系統(tǒng)時(shí)需要考慮氣體的壓力、流量、溫度等因素，并進(jìn)行合理的優(yōu)化和調(diào)整。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種機(jī)械設(shè)計(jì)方案，具體如下：

（1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化：采用分段式結(jié)構(gòu)，將充氣柜內(nèi)部分為多個(gè)區(qū)域， 并在每個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的絕緣零件和導(dǎo)電板。通過(guò)這種方式，可以有效地降低充氣柜內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而避免局部放電現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）絕緣材料優(yōu)化：采用新型的絕緣材料，如聚酰亞胺等，具有較好的絕緣性能和穩(wěn)定性。

（3）氣體壓力系統(tǒng)優(yōu)化：采用環(huán)保型氣體N2作為充氣柜的填充氣體，具有良好的環(huán)保性能。

該機(jī)械設(shè)計(jì)方案可以通過(guò)下列公式進(jìn)行表述：

通過(guò)合理的機(jī)械設(shè)計(jì)方案分析可知， 可以有效地降低充氣柜的局放現(xiàn)象，并提高其可靠性和安全性。 同時(shí)，采用環(huán)保型氣體填充充氣柜，具有良好的環(huán)保性能，對(duì)于提高電力設(shè)備的環(huán)保性能具有重要意義。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和測(cè)試方法

為了驗(yàn)證機(jī)械設(shè)計(jì)方案的有效性， 本文采用了實(shí)驗(yàn)測(cè)試的方法，并建立了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。具體的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包括充氣柜、高壓電源、局放檢測(cè)儀等設(shè)備。

在實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中， 我們對(duì)比了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和新型機(jī)械設(shè)計(jì)方案的局放電壓數(shù)據(jù)。 具體的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析

從表2 數(shù)據(jù)可以看出，新型機(jī)械設(shè)計(jì)方案可以有效地降低充氣柜的局放電壓，達(dá)到了“零”局放的目的。而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案則存在較大的局放電壓?jiǎn)栴}，對(duì)電力設(shè)備造成了較大的損害。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試， 我們發(fā)現(xiàn)新型機(jī)械設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化效果明顯，并且具有很好的工程應(yīng)用前景。 同時(shí)，該方案所采用的環(huán)保型氣體填充充氣柜，具有較好的環(huán)保性能，符合當(dāng)今社會(huì)對(duì)于環(huán)保型電力設(shè)備的要求。

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案局放電壓矩陣：

新型機(jī)械設(shè)計(jì)方案局放電壓矩陣：

從局放電壓矩陣可以看出， 新型機(jī)械設(shè)計(jì)方案可以有效地降低充氣柜的局放電壓，達(dá)到了“零”局放的目的。而傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案則存在較大的局放電壓?jiǎn)栴}， 對(duì)電力設(shè)備造成了較大的損害。

綜上所述，通過(guò)建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和測(cè)試方法，可以有效地驗(yàn)證機(jī)械設(shè)計(jì)方案的有效性。 本文所提出的新型機(jī)械設(shè)計(jì)方案具有很好的局放降噪效果和環(huán)保性能，對(duì)于提高電力設(shè)備的可靠性和環(huán)保性能具有重要意義。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試， 我們得到了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和新型機(jī)械設(shè)計(jì)方案的局放電壓矩陣。從矩陣數(shù)據(jù)可以看出，新型機(jī)械設(shè)計(jì)方案可以有效地降低充氣柜的局放電壓， 達(dá)到了“零”局放的目的。與此相比，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案存在較大的局放電壓?jiǎn)栴}，對(duì)電力設(shè)備造成了較大的損害。

具體來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的局放電壓矩陣中，最高值為52kV，最低值為48kV，而新型機(jī)械設(shè)計(jì)方案的局放電壓矩陣中，最高值僅為6kV，最低值為3kV。 這說(shuō)明新型機(jī)械設(shè)計(jì)方案可以有效地降低充氣柜的局放電壓， 達(dá)到了較好的降噪效果[5]。

通過(guò)對(duì)比分析，我們發(fā)現(xiàn)新型機(jī)械設(shè)計(jì)方案具有明顯的優(yōu)勢(shì)。該方案采用了分段式結(jié)構(gòu)和新型的絕緣材料，使得充氣柜內(nèi)部電場(chǎng)均勻分布，從而有效地降低了局放現(xiàn)象的發(fā)生。同時(shí)，采用環(huán)保型氣體填充充氣柜，具有良好的環(huán)保性能。

綜上所述， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明新型機(jī)械設(shè)計(jì)方案具有很好的局放降噪效果和環(huán)保性能， 對(duì)于提高電力設(shè)備的可靠性和環(huán)保性能具有重要意義。

4 結(jié)論

本文主要研究了充氣柜零局放的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)，提出了一種新型機(jī)械設(shè)計(jì)方案， 并在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新型機(jī)械設(shè)計(jì)方案可以有效地降低充氣柜的局放電壓，達(dá)到了“零”局放的目的。 同時(shí)，該方案所采用的環(huán)保型氣體填充充氣柜， 具有較好的環(huán)保性能，符合當(dāng)今社會(huì)對(duì)于環(huán)保型電力設(shè)備的要求。本研究為充氣柜零局放問(wèn)題提供了一種新的解決方案， 具有較好的工程應(yīng)用前景。未來(lái)，我們將繼續(xù)深入研究充氣柜零局放的關(guān)鍵技術(shù)和難點(diǎn)，進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)方案，提高充氣柜的可靠性和安全性。 本研究為充氣柜零局放問(wèn)題的解決提供了一種新的思路和方法， 對(duì)于推動(dòng)電力設(shè)備的可靠性和環(huán)保性能的提升具有重要意義。 我們希望本研究能夠?yàn)橄嚓P(guān)領(lǐng)域的研究者提供借鑒和參考， 也期待更多的人能夠加入到這個(gè)領(lǐng)域的研究中來(lái)， 共同推動(dòng)電力設(shè)備的發(fā)展和進(jìn)步。