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1、35kV气体绝缘开关设备国产化的若干问题 摘要：通过对中压C-GIS产品的发展现状和应用前景简单介绍，总结我国目前C-GIS国产化过程中的存在的一些问题，并提出可能的解决方案。关键词：35kV气体绝缘开关设备国产化解决方案一、引言随着社会、经济的不断发展，工程建设的复杂程度的加大，用户对开关设备小型化、免维护、智能化的要求越来越高。中压领域尤其是在35kV电压等级，常规的以空气为绝缘介质的开关柜普遍体积较大，重量较重，操作困难，尤其不能满足在高海拔、潮湿、污秽等恶劣环境条件下使用要求。在这种背景下，C-GIS越来越被引起广泛关注。柜式气体绝缘金属封闭开关设备简称为C-GIS，是高压GIS产品在
2、中压领域的拓展。它是采用低气压的SF6气体、N2气体或混合气体作为开关设备的绝缘介质，用真空或SF6为灭弧介质，将母线、断路器、隔离开关等中压元件集中密闭在箱体中，综合运用现代绝缘技术、开断技术、制造技术、传感技术、数字技术生产的集智能控制、保护、监视、测量、通讯于一体的高新技术产品。具有体积小、重量轻、安全性好、可靠性高、能适应恶劣环境条件下使用等优点。近年来，气体绝缘开关设备在我国也得到了迅速地推广与应用，特别是随着我国城市电网建设和改造、轨道交通以及大型工矿企业等对开关设备提出了小型化、智能化、免维护、全工况等新的更高要求，高性能、高品质的充气柜在国内的需求越来越强烈。由于传统空气绝缘开
3、关设备受环境条件的局限性，已不能满足冶金、石化、矿山以及沿海地区等用户的要求；城市地铁和轻轨、高层建筑、大型企业等场合，因占地面积、空间限制等因素，也必将选用35kV气体绝缘开关设备。35kVC-GIS产品具有广阔的应用前景，目前国内所使用的绝大部分为进口产品。但是，国外产品由于电压等级、35kV电力系统中性点接地方式的差异，还不能完全满足国内用户的使用，因此必须加快国内C-GIS产品的研发、制造步伐。二、35kV气体绝缘开关设备发展现状1982年西门子公司首次在汉诺威展览会上展出了8DA10/8DB10型配真空断路器的SF6气体绝缘开关设备。之后，国外许多制造公司纷纷效仿，各自开发了自己的产
4、品。不同的充气柜结构形式差别很大：一种是铝筒封闭式，一种是钢板封闭式。前者外形象高压SF6封闭式组合电器，后者外形象一般空气绝缘的开关柜。钢板封闭式与铝筒封闭式相比，具有较低的成本、较好的环境协调性和适应性，更容易被用户所接受。就35kV电压等级而言，目前出现较多的主要有：ABB公司的ZV2、ZX2，SEIMENS公司的NXPLUS，ALOSTOM公司的WS，三菱公司的30-GX等，额定电流最大到2500A，额定短路开断电流一般为25或，有个别公司达到40kA，依据额定电流大小，宽度尺寸一般为600mm或800mm。随着计算机技术、传感技术的不断发展，国外C-GIS已在智能化方面取得较大突破，
5、可靠性、安全性进一步得到提高。我国柜式充气柜的研发起步较晚，上世纪90年代，一些科研院所和部分企业开始了C-GIS的研制工作，到本世纪，有更多的企业参加进来，研发方向主要集中在35kV电压等级产品。除一些合资企业直接引进母公司技术组装生产外，大部分C-GIS生产厂家都是采用引进技术生产，还无法掌握其核心技术。目前只有以西安高压电器研究所为代表的少数单位自主研发，完成了型式试验，有个别生产厂家通过了产品鉴定。国内产品设计参数一般额定电流为1250A，额定短路开断电流为25kA，宽度尺寸一般为800mm。国内产品设计中大量采用国际先进技术，产品的技术水平基本达到了国际同类产品先进水平。但是，由于制
6、造工艺等原因，大部分生产厂家还是停留在生产摸索阶段，还无法向用户提供满意的产品。三、35kV气体绝缘开关设备国产化过程中存在问题由于充气柜市场的“蛋糕”十分诱人，国内企业纷纷加入到充气柜的研发中来，希望通过35kV气体绝缘开关设备的产品研制来调整企业产品结构。或者引进产品，或者是合作生产，或者是自己研制。35kVC-GIS产品既不同于高压GIS，也不同于常规空气绝缘的开关柜，开发难度大、周期长、需要花费大量的人力、物力和财力，国产化的进程速度缓慢。无论采用何种方式，企业都必须要有明确自身定位，都必须要认真思考一些问题，有利于减少35kV气体绝缘开关设备国产化过程中的失误。1慎重选择产品结构形式
7、。C-GIS产品都采取了简化的一次主接线方式，从母线连接技术来分，大致有两种结构形式：一种是气体绝缘母线，安装时必须在现场充气；另一种为固体绝缘母线，目前一般都采用了插接式母线技术，利用界面绝缘来实现柜与柜之间主母线的连通，现场不需要充气。两种方式各有优缺点：第一种方式由于现场涉及到气体处理，需要专门的抽真空、充气设备，给安装带来不便，同时也受安装环境的限制，有可能导致灰尘、导电微粒等杂质进入气室中，影响开关设备的绝缘性能；第二种方式虽避免了上述问题，但也带来新问题。界面绝缘只要配合精确，长期运行应该是很可靠的，但是，运用到35kV柜与柜之间的连接上来，似乎显得不可靠。众所周知，开关设备箱体体
8、的焊接肯定存在一定的变形，对于3mm或4mm不锈钢板的焊接，变形比普通碳钢板大，变形的存在影响了柜间连接的尺寸精度；开关柜的安装地平也存在误差；两种因素的综合作用无法有效保证界面绝缘的均匀性、可靠性，界面接触的不均匀还会加速硅橡胶的老化。有些产品也曾做了一些防范措施如预制开关柜安装地基，减小安装地平误差对绝缘的影响，但效果并不理想。笔者曾多次碰到由于制造误差、安装误差导致气体绝缘开关设备界面绝缘破坏的现象。主母线的连接型式决定了C-GIS的总体结构，制造企业在产品开发以前要慎重选择。如何扬长避短，设计出用户满意的产品。2重视C-GIS产品设计中的电场分布。35kV气体绝缘开关设备中通常使用低压
9、力的SF6气体为绝缘介质。SF6气体绝缘主要使用的是稍不均匀电场，电场的不均匀程度对SF6气体击穿电压的影响较大，因此，在绝缘结构设计时要采取各种措施避免电场不均匀的负面影响。SF6气体中绝缘结构设计通常采用经验公式估算、理论分析计算与试验相结合的方法。尤其要重视试验，通过试验，不断修正电场分布，达到理想的绝缘效果。绝缘结构设计要特别注意以下几个方面：单纯拉大电极之间的间隙距离，提高的击穿电压值有限。随着电极距离的拉大，电场不均匀程度也增加，击穿电压的增加愈来愈慢。更重要的是如何改善气室内电场分布。充分发挥固体绝缘介质的优势，有效减小绝缘结构的尺寸。由于固体绝缘介质击穿强度比SF6气体高，设计
10、时应使固体介质承受较高电场强度，而气体和固体绝缘表面承受较低的电场强度。可以采用内置屏蔽电极，改变场强分布的办法来实现。特别注意三重物质接触点的作用。固体绝缘、电极、气体三者交界部位，由于介电常数的不同，容易引起介电常数小的一侧电场强度升高，发展为沿面闪络。电极与固体绝缘接触部位，容易形成楔形气隙，导致局部场强升高。三重点部分绝缘结构设计中，固体绝缘表面形状设计要合理，尽量使局部电场强度升高人为控制在专门设计的凹坑内，电极形状与加工光洁度也要修正。3.特别关注C-GIS产品制造工艺。制造工艺是影响C-GIS产品的质量与水平的最重要的方面，国内产品与国外产品的差距也主要体现在工艺上。因此在产品的
11、开发决策时，就必须考虑配套的工艺。C-GIS产品中，必须考虑的工艺有：箱体的焊接工艺。C-GIS产品箱体的焊接是影响产品质量和生产效率的关键工序，焊接既要保证箱体的强度和精度，又要保证气密性。国内一般采用的是氩弧焊或气体保护焊，由于不锈钢板传热很快，即使是在焊接夹具中完成全部焊接，总存在焊接变形，焊接变形的存在对密封表面、装配调试产生不利的影响，焊接的气密性也得不到有效保证。国外企业大多采取了更为先进的激光焊接方式。激光焊接方式有利于减小焊接变形，降低人为因素造成的焊接缺陷，适合规模化生产。但是，激光焊接对箱体的结构形式、不锈钢板材下料精度、焊接夹具设计提出了更高要求。C-GIS产品国产化过程
12、中，国内企业应更多地加以关注。产品的加工、装配工艺。首先要建立严格的加工工艺。电极的表面形状和光洁度、箱体的焊渣、表面划伤与加工部件的毛刺、尖角对气体的绝缘特性影响很大，密封面的加工精度和表面光洁度对密封的可靠性影响较大，操动机构零部件的加工质量也直接影响操动机构的稳定性、可靠性。只有建立严格的加工工艺流程，才能真正保证产品的质量。其次，要建立严格的装配工艺。C-GIS产品装配的总的要求是：洁净的环境、规范的操作。洁净的环境要求装配场所密闭，实现温度、湿度、气压可调，实行防尘管理；规范的操作要求装配的每个环节按工艺要求进行，如零部件装配前的清洗、干燥、存放，润滑脂、导电脂、密封脂的使用，不同作
13、用的螺栓的紧固力矩等，都必须按规定要求进行。这样，才能真正保证产品质量。产品的检测工艺，尤其是泄漏率的检测。C-GIS的装配是一个复杂的过程，必须在装配的每一个环节设置检测手段，确保装配后产品质量，减少返工，尤其是对箱体等半成品的过程检漏。焊接箱体的检漏通常采用的方法有水浸法、涂抹肥皂泡等方法，但这些方法无法定性检测出漏气的程度，对半成品也难于作出合格与否的判定。目前比较好的方法是采用氦质谱检漏的方法，利用对氦气非常敏感的传感器的传感，定性定量检测漏气情况，以便及时采取纠正措施。检测判定的数据可以由产品的年漏气率反推得出。4.尽快完成C-GIS产品的系列化、智能化。目前，国内C-GIS应用还不
14、广泛，所使用的基本上是进口产品，究其原因，一方面进口产品价格太高，影响了C-GIS产品的推广使用，另一方面，C-GIS产品的智能化程度不高、配套件不全也严重影响了用户使用的积极性。从国外公司的气体绝缘开关设备来看，已形成不同电流规格、不同电压等级的系列产品。但目前国内的C-GIS产品还很不完善。从电流来看，一般只做到1600A，其他电压等级的产品更少，与用户的使用要求还有一定差距。因此从产品推广的角度出发，应该化大力气来抓产品的系列化。除了所采用的绝缘气体介质不同外，12kV、24kV产品结构形式应该与35kV产品有较大的区别。C-GIS产品的智能化方案要适合用户实际使用要求。C-GIS不同于
15、空气绝缘柜，看不见、摸不着，用户从电力设备运行的安全性出发，提出了对C-GIS产品实施密度监测、异常温升监测、智能操作与控制等要求。可以先从这些着手，逐步发展对开关的特性参数、对绝缘件的局部放电、对故障电弧等方面的监测，真正实施由“定期维修”向“状态维修”的转变。C-GIS产品的系列化、智能化工作不是单个企业所能完成的，必须依靠行业的带动，解决一些实实在在存在的一些难题，才能使C-GIS产品的系列化、智能化达到新的水平。需要共同解决的问题有：大量配套件的研发与产业化。如适合充气柜使用的常规电磁式CT、PT；电流、电压传感器、插接式避雷器、插拔式电缆头等；高可靠、长寿命真空灭弧室的研制；大电流产品的散热方式；焊缝的在线跟踪监测与焊缝的离线检测；各种智能化装置如气体密度在线监测、局放在线监测、温升在线监测等。四、结束语随着知识的更新和技术的进步，国内制造企业对C-GIS产品认识会愈来愈深，国内用户对C-GIS产品的了解也会越来越多。在加强C-GIS产品的设计、制造工艺、检测技术后，C-GIS产品的质量水平一定会得到明显提高，产品的系列化、智能化将使充气柜能适合更多用户的使用。国内C-GIS的制造也必将跨入国际先进水平行列。主要参考文献电工绝缘手册机械工业出版社1990年中压开关设备绝缘方式的技术动向西安高压电器研究所1998年7月的设计及其应用王平2001年10月南京
