環保型充氣柜“零” 局放的機械設計方法探討

黃新春

（上海南華蘭陵電氣有限公司， 上海 201111）

0 引言

電力設備是現代化社會不可缺少的組成部分， 而充氣柜作為電力設備中的重要組成部分， 在電力系統中起著至關重要的作用。然而，隨著電力系統的不斷發展和電力負荷的不斷增加， 充氣柜在使用過程中存在著局放現象，這會對電力設備造成損害。 同時，充氣柜的使用也會對環境造成一定的污染， 因此如何減少充氣柜在使用中對環境的污染也成為了一個重要的問題[1]。

1 充氣柜的設計原理

1.1 充氣柜的基本結構

充氣柜作為電力設備中的重要組成部分， 主要用于絕緣和隔離母線系統和一次元件等。 其基本結構由外殼、儀表室、機構室（氣箱含氣體壓力系統）和電纜室組成，模塊化設計、結構簡單、維護方便，如圖1 所示，以12kV 環保充氣柜模塊化結構為例。

圖1 12kV 環保充氣柜模塊化結構

首先，外殼是充氣柜的主體部分，其主要作用是保護內部的絕緣零件和機構室（氣箱）。 外殼材料一般采用優質敷鋁鋅板等高強度金屬材料或防腐塑料材料， 以保證其強度和耐腐蝕性。 其次，儀表室面板為控制面板，儀表室內裝有智能控制和保護單元，滿足配網自動化要求；再次，機構室（氣箱）面板為操作面板，機構室內裝有斷路器和三工位隔離/接地組合開關操作機構； 氣箱外殼為304不銹鋼焊接外殼，采用激光自動焊接，專有的靜密封設計結構，結構簡單、可靠，確保產品氣密性；斷路器和三工位機構通過操作面板實現關門操作，操作方便、安全；最后，電纜室內裝有進出線電纜、CT、PT 和LA， 并與燃弧通道相連接。 另外，絕緣零件是充氣柜內部的重要組成部分，其主要作用是隔離母線系統和一次元件等。 絕緣零件的選用和設計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。氣體壓力系統是充氣柜內部的重要組成部分， 其主要作用是在充氣柜內部形成微正壓或者高壓氣體環境， 提供絕緣和隔離的保護[2]。氣體壓力系統包括氣體壓力調節器、氣體壓力表、氣體填充管道等。 在使用過程中，需要定期檢查氣體壓力，保持其在正常范圍內。 充氣柜的基本結構由外殼、儀表室、機構室（氣箱含氣體壓力系統）和電纜室組成。其中，絕緣零件的選用和設計是影響充氣柜安全性和可靠性的關鍵因素。 在使用過程中，需要對充氣柜進行定期檢查和維護，以確保其正常運行。

1.2 充氣柜的工作原理

充氣柜是一種電力設備， 其主要作用是在高壓電力系統中實現絕緣和隔離。 充氣柜的工作原理基于氣體絕緣技術， 即通過在充氣柜內部形成微正壓或者高壓氣體環境，來實現對母線系統和一次元件的絕緣和隔離。在充氣柜內部，通過氣體壓力系統將干燥、無水的氣體（目前，國內品牌產品一般使用純凈N2、干燥空氣、潔凈空氣等不含SF6 或者含微量SF6 的氣體， 部分合資品牌產品也有使用其它環保氣體的）填充到充氣柜內部，形成一個微正壓或者高壓氣體環境。 該氣體環境可以有效地隔離和絕緣母線系統和一次元件，從而確保電力系統的安全運行。同時， 在充氣柜內部， 還需要設置相應的開關和控制系統，以實現對電力系統的控制和保護。 例如，在故障發生時，可以通過控制系統及時切斷電流，避免事故的擴大[3]。

總之，充氣柜的工作原理基于氣體絕緣技術，通過在充氣柜內部形成微正壓或者高壓氣體環境， 來實現對母線系統和一次元件的絕緣和隔離。在使用過程中，需要合理設計和選用絕緣材料和氣體壓力系統， 并定期檢查和維護充氣柜，以保證其正常運行。

2 充氣柜零局放的機械設計方法

2.1 充氣柜零局放的設計要求

充氣柜在使用過程中存在著局放現象， 這會對電力設備造成損害。為了解決這一問題，需要對充氣柜進行機械設計，以實現充氣柜的“零”局放。

首先，充氣柜的內部結構必須合理設計，以保證電場分布均勻，從而避免局部放電現象的發生。 其次，充氣柜的絕緣材料和氣體壓力系統也需要優化選用， 以提高其絕緣性能和穩定性。此外，還需要對充氣柜進行嚴格的檢測和測試，以確保其符合相關的安全標準和要求。在充氣柜的機械設計中，還需要考慮其環保性能。傳統的充氣柜使用的是SF6 氣體，但是SF6 氣體具有較強的溫室效應，對環境造成一定的污染。因此，在充氣柜的設計中應優先選用環保型氣體，如N2、潔凈空氣等。

綜上所述，充氣柜的“零”局放機械設計需要考慮多個方面的要求，包括內部結構設計、絕緣材料和氣體壓力系統的優化選用，以及對環保性能的考慮。通過合理的機械設計，可以有效地降低充氣柜的局放現象，提高其可靠性和安全性，并減少對環境的污染[4]。

2.2 充氣柜零局放的機械設計方案

為了實現充氣柜的“零”局放，本文提出了一種機械設計方案。該方案主要包括兩個方面的改進：內部結構優化和材料優化。

首先，對于充氣柜的內部結構，本文提出了一種新型的設計方案。該方案采用了分段式結構，將充氣柜的內部分為多個區域， 并在每個區域內設置相應的絕緣零件和導電板。通過這種方式，可以有效地降低充氣柜內部的電場強度，從而避免局部放電現象的發生。 同時，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定性。

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

為了驗證新型設計方案的有效性， 本文進行了有限元仿真實驗。通過實驗結果分析，新型設計方案可以有效地降低充氣柜的局放現象，并具有較好的環保性能。具體的仿真數據如表1 所示。

表1 充氣柜零局放的機械設計數據

綜上所述， 本文提出了一種機械設計方案， 以實現充氣柜的“零” 局放和環保化。 該方案通過優化充氣柜內部結構和材料，使得充氣柜內部電場均勻分布，從而達到“零”局放的目的。 同時，采用環保型氣體填充充氣柜，具有良好的環保性能。 該方案對于提高電力設備的可靠性和環保性能具有重要意義。

2.3 充氣柜零局放的關鍵技術和難點

充氣柜零局放是電力設備領域中的一個重要問題，其關鍵技術和難點主要包括以下幾個方面：

（1）內部結構設計：充氣柜內部的結構對于電場分布的均勻性和局放現象的影響非常大。因此，在設計過程中需要考慮充氣柜內部的絕緣零件的位置、形狀、尺寸等因素，以實現電場分布的均勻性。

（2）絕緣材料選擇：充氣柜內部的絕緣材料對于充氣柜的絕緣性能和穩定性具有重要作用。因此，在選擇絕緣材料時需要考慮其介電常數、 介質損耗、 機械強度等因素，并進行合理的組合和搭配。

（3）氣體壓力系統設計：充氣柜內部的氣體壓力系統對于充氣柜的工作穩定性和安全性具有重要作用。因此，在設計氣體壓力系統時需要考慮氣體的壓力、流量、溫度等因素，并進行合理的優化和調整。

為了解決上述問題，本文提出了一種機械設計方案，具體如下：

（1）內部結構優化：采用分段式結構，將充氣柜內部分為多個區域， 并在每個區域內設置相應的絕緣零件和導電板。通過這種方式，可以有效地降低充氣柜內部的電場強度，從而避免局部放電現象的發生。

（2）絕緣材料優化：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定性。

（3）氣體壓力系統優化：采用環保型氣體N2作為充氣柜的填充氣體，具有良好的環保性能。

該機械設計方案可以通過下列公式進行表述：

通過合理的機械設計方案分析可知， 可以有效地降低充氣柜的局放現象，并提高其可靠性和安全性。 同時，采用環保型氣體填充充氣柜，具有良好的環保性能，對于提高電力設備的環保性能具有重要意義。

3 實驗驗證與結果分析

3.1 實驗平臺和測試方法

為了驗證機械設計方案的有效性， 本文采用了實驗測試的方法，并建立了相應的實驗平臺。具體的實驗平臺包括充氣柜、高壓電源、局放檢測儀等設備。

在實驗測試過程中， 我們對比了傳統設計方案和新型機械設計方案的局放電壓數據。 具體的測試數據如表2 所示。

表2 設計方案對比分析

從表2 數據可以看出，新型機械設計方案可以有效地降低充氣柜的局放電壓，達到了“零”局放的目的。而傳統設計方案則存在較大的局放電壓問題，對電力設備造成了較大的損害。

通過實驗測試， 我們發現新型機械設計方案的優化效果明顯，并且具有很好的工程應用前景。 同時，該方案所采用的環保型氣體填充充氣柜，具有較好的環保性能，符合當今社會對于環保型電力設備的要求。

傳統設計方案局放電壓矩陣：

新型機械設計方案局放電壓矩陣：

從局放電壓矩陣可以看出， 新型機械設計方案可以有效地降低充氣柜的局放電壓，達到了“零”局放的目的。而傳統設計方案則存在較大的局放電壓問題， 對電力設備造成了較大的損害。

綜上所述，通過建立相應的實驗平臺和測試方法，可以有效地驗證機械設計方案的有效性。 本文所提出的新型機械設計方案具有很好的局放降噪效果和環保性能，對于提高電力設備的可靠性和環保性能具有重要意義。

3.2 實驗結果及其分析

通過實驗測試， 我們得到了傳統設計方案和新型機械設計方案的局放電壓矩陣。從矩陣數據可以看出，新型機械設計方案可以有效地降低充氣柜的局放電壓， 達到了“零”局放的目的。與此相比，傳統設計方案存在較大的局放電壓問題，對電力設備造成了較大的損害。

具體來說，傳統設計方案的局放電壓矩陣中，最高值為52kV，最低值為48kV，而新型機械設計方案的局放電壓矩陣中，最高值僅為6kV，最低值為3kV。 這說明新型機械設計方案可以有效地降低充氣柜的局放電壓， 達到了較好的降噪效果[5]。

通過對比分析，我們發現新型機械設計方案具有明顯的優勢。該方案采用了分段式結構和新型的絕緣材料，使得充氣柜內部電場均勻分布，從而有效地降低了局放現象的發生。同時，采用環保型氣體填充充氣柜，具有良好的環保性能。

綜上所述， 實驗結果表明新型機械設計方案具有很好的局放降噪效果和環保性能， 對于提高電力設備的可靠性和環保性能具有重要意義。

4 結論

本文主要研究了充氣柜零局放的關鍵技術和難點，提出了一種新型機械設計方案， 并在實驗平臺上進行了測試。實驗結果表明，新型機械設計方案可以有效地降低充氣柜的局放電壓，達到了“零”局放的目的。 同時，該方案所采用的環保型氣體填充充氣柜， 具有較好的環保性能，符合當今社會對于環保型電力設備的要求。本研究為充氣柜零局放問題提供了一種新的解決方案， 具有較好的工程應用前景。未來，我們將繼續深入研究充氣柜零局放的關鍵技術和難點，進一步優化機械設計方案，提高充氣柜的可靠性和安全性。 本研究為充氣柜零局放問題的解決提供了一種新的思路和方法， 對于推動電力設備的可靠性和環保性能的提升具有重要意義。 我們希望本研究能夠為相關領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領域的研究中來， 共同推動電力設備的發展和進步。