摘要：首先介绍了充气式开关柜、发展历史、现状及优势，重点说明了新型设备构造原理并指出新旧设备结构及调试安装中异同点，并提出了新设备安装调试过程中注意事项，让检修运维人员了解紧凑型、可扩展的充气柜。
引言：气体绝缘金属封闭开关设备是近几十年来发展起来的高新技术系列化产品并逐渐成为金属封闭开关设备的一个重要组成部分。随着高度信息化社会的发展，要求高压开关设备的稳定性、可靠性也愈加显得突出。气体绝缘金属封闭开关设备即是应这一要求发展起来的高可靠、免维护、可扩展、模块化、小型化的开关设备。
一、充气式开关柜概述
1.1充气柜简介
中压金属封闭开关设备有两种绝缘方式，一种使用空气绝缘，另一种采用压缩气体绝缘。前一种出现较早，用量大，国内一般称作开关柜，后一种习惯称做充气柜。
所谓充气柜即将高压元件（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、SF6、N2等）的密封壳体内的一种金属封闭开关设备。
1.2 充气柜分类
按绝缘方式可分为压缩空气式、SF6式、N2式或SF6与N2混合式，其中SF6绝缘方式用得最多。
按配用高压元件来分可分为负荷开关型、负荷开关+熔断器组合电器型、断路器型。
按壳体材料充气柜有两种：一种为铝筒式；另一为钢板式。如西门子公司的8DA10/8DB10型为铝筒式，8DC11型为钢板式。
1.3 充气柜现状及发展史
从国外来看充气柜发展相当快，制造厂家相当多，而且应用比较广泛，已有相当多的产品进入国内；而我国在充气柜行业发展较晚，据我国高压开关行业协会统计，我国2001年的充气柜产量为零，从2002年开始起步，2002年有两制造厂家设计、制造了产品进行了产品的型式试验。
继普通空气绝缘开关柜之后，1982年Siemens公司率先开发出 SF6绝缘断路器柜。之后各大知名公司相继推出自己的产品，如ABB的Safe系列、施耐德RM6、ALSTOM的FB系列产品。
二、N2X/N2S充气式开关柜结构原理
2.1绝缘气体
新一代智能变电站使用的充气开关柜使用的绝缘气体为N2或N2和SF6的混合气体，由于关合和开断的电弧都在真空灭弧室进行，因此正常情况下绝缘气体不会分解、老化和受污染，也因此在开关柜使用期内绝缘气体是免维护的，不需更换。
内部故障电弧会导致小部分绝缘气体分解，但这些在电弧高温下的分解，在低温下大部分会重新合成复原；剩余部分中的大部分又会被置于气箱内的吸附剂吸附。
2.2 灭弧单元
固定极柱式VEG型真空断路器真空灭弧室固封在断路器极柱内，具有极高的真空度和极低的触头电阻；当真空断路器开断额定负载或故障电流时，触头分离并在真空灭弧室动静触头间产生电弧，由于触头结构的特殊设计，使其在触头间产生适宜的纵向磁场，控制电弧在触头表面均匀并移动燃烧，且维持低的电弧电压；当电弧电流自然过零时，灭弧室中离子、电子和金属蒸汽很快复合或凝聚在触头表面和屏蔽罩上，断路器断口的绝缘强度很快恢复，从而使电弧熄灭，达到分断目的。
2.3 IST型三工位开关
N2S/N2X开关柜配用特殊设计的绝缘螺杆驱动的直动式三工位隔离/接地开关，具有三个工作位置：连接母线（合闸）-与母线隔离（隔离）-连接到接地触头（接地） ，三工位开关的接地实现了主回路与接地回路的联接，电缆回路真正的接地由VEG真空断路器合闸完成。三工位开关与真空断路器的操作机构之间有机械和电气联锁，只有在回路中无电流时，才可操作至接地位置。
2.4 高压部件的连接
N2X/N2X开关柜使用高压插接方式实现气箱与气箱以及气箱与电缆、电压互感器和避雷器的电气连接，电压试验时的电压适配器也采用此接入方式，由于这些连接会在设备安装和试验中进行，因此现场连接的质量直接关系设备运行的性能。
高压插接方式是一种界面绝缘方式，依靠两种绝缘界面间的紧密配合并具有一定的压力来获得要求的绝缘水平，因此连接中必须安装要求来进行，保证相互尺寸和锁紧力矩。
各种高压插接式元器件，包括：母线连接器、电缆、电压互感器、避雷器和绝缘堵头等，在安装连接过程中不可避免地会在绝缘界面间存留部分空气，这些空气在安装完成后短时间内会被排放或降低至没有危害的水平，因此应静置8小时以上方可进行有关耐压试验。
2.5 防误操作联锁
为了防止危险情况及误操作，N2S、N2X开关柜采取了一系列联锁来保护运行人员及设备本身安全。断路器和三工位既可直接在柜前就地控制、也可通过本地/远方切换开关在控制室进行遥控。就地操作可通过选择智能控制单元或传统方式的按钮及通过模拟图的单线指示器来完成。IST型三工位开关和真空断路器之间具有电气联锁和机械联锁。手动操作时应特别注意联锁顺序，且不能强行操作，以免损坏联锁和开关机构。
三、N2X/N2S充气式开关柜特点
3.1 绝缘性能
新一代智能变电站使用的充气开关柜使用的绝缘气体为N2或N2和SF6的混合气体，由于关合和开断的电弧都在真空灭弧室进行，因此正常情况下绝缘气体不会分解、老化和受污染， 正常充气压力接近零表压，表压约为0.02MPa，零表压下保证绝缘水平，运行可靠；元器件和整机局放量低，1.1Un下整机局放≤10pC，确保长期运行下设备的绝缘可靠性。
3.2 散热性能
N2X/N2S充气式开关柜不需要强迫通风，全部自然散热，节约运行能耗，提高运行可靠性。
3.3 结构方面
结构简单，隔离开关及母线等高压回路气室与断路器室是相互独立的、隔离的，柜与柜之间用母线硅橡胶连接器连接，不必移动两侧柜体，中间柜可被移走和更换，在遇到漏气时非高原情况零表压可正常运行，高原情况立即补气并可整柜抽出更换。
3.4 关键工艺
3.4.1 箱体焊接工艺
充气柜箱体采用不锈钢焊接而成的全密封式结构，有的箱体已不用密封圈密封而直接采用气密焊接的方法密封，气密性可保证30年不补气。气箱的焊接是影响产品质量的关键工序。焊接要保证箱体的强度和精度，更要保证箱体的气密性。新一代智能站设备均是采用国外进口全自动激光焊接方式，激光焊接效率高，变形小，降低了人为因素造成的缺陷。激光焊接对箱体的结构形式、不锈钢板的下料精度、焊接夹具设计提出了更高的要求。
3.4.2 电极加工工艺
电极表面形状和表面粗糙度、箱体的焊渣、表面划痕与加工部件的毛刺、尖角对气体的绝缘特性影响很大。SF6气体中电极电晕起始电压受电极表面状态的影响较小，零件表面粗糙度的增大和曲率半径的减小均会导致间隙击穿电压降低；此外导电微粒附在电极表面时，相当于增大了电极表面的加工精度和表面粗糙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到操动机构的稳定性、可靠性。因此只有建立严格的加工工艺流程，才能真正保证产品的质量。
3.4.3 装配工艺
高压开关设备内绝缘气体中的水分含量如果超过一定数值将会对设备产生危害；同时高压部件均是插接式的，涉及外锥式电缆终端头、内锥式电缆终端头、母线连接器、内锥式插座及外锥式套管等连接部件，绝缘部件制作工艺不符合要求，容易降低其绝缘性能。一是外界环境温度急剧变化时将在绝缘材料表面形成凝露，导致绝缘沿面击穿放电；二是绝缘部件连接不紧密或绝缘水平降低将会引起导体发热或局部放电。为此充气柜在装配上采用了如下措施来控制设备内的绝缘性能：
1）所有部件装配前均应进行干燥清洁处理，使材料本身含水量减少到最低程
度，且装配环境要求密闭，实现温度、湿度、气压可调，实行防尘处理。
2）所有连接部件都必须按照工艺要求进行制作，在安装连接过程中不可避免地会在绝缘界面间存留部分空气，这些空气在安装完成后短时间内会被排放或降低至没有危害的水平，因此应静置8小时以上方可进行有关耐压试验。
3）将电缆终端头、电压互感器、避雷器、耐压试验适配器、堵头等插入内锥式插座时，应缓慢压紧等待内部空气自然释放，并均匀拧紧螺栓，紧固力矩不超过12Nm，拆下时，轻轻摇晃等待外部空气自然进入，以免损伤表面。
3.5 调试方面
充气柜的高压带电体全部被密封，不需要维护。维护检修重点包括：接地检查、二次隔室、电缆隔室检查、机械联锁检查、断路器机构检查和维护、三工位开关操作机构检查、柜体压力释放装置检查、气体水分含量测试、测量主回路电阻、绝缘电阻测试、交流耐压试验及主要元器件的维护。
测量主回路电阻时，需相邻的两台一起测，即电流夹子夹在相邻柜子的电缆套管导体处。对于N2S以及N2X大电流柜，电缆套管为内锥套管的，需要专用电流适配器。交流工频耐压试验需要专门电压适配器引入，分别采用外锥电压适配器和内锥电压适配器，测试时避雷器需断开，将所有外露的电缆套管和内锥套管用绝缘帽和绝缘堵头堵住。电压互感器需将熔丝拆除并补充绝缘气体。
四、结语
文章介绍了充气柜的结构、原理和特点，介绍了充气柜与传统设备的不同点，并针对运行维护调试工作进行了详细叙述，贴近实际。