基于工艺装备创新的输配电设备制造技术探索

1、GIS 设备的结构与制造要求

1.1 主要组件

GIS 设备由金属壳体、导电回路、绝缘支撑件及操作机构四大核心组件构成。壳体采用铝合金焊接结构，需满足 0.5mm/m 的直线度公差与 10μ m 级表面粗糙度要求；导电回路包含触头系统与母线导管，接触电阻需稳定在 20μΩ 以下；盆式绝缘子作为关键绝缘部件，要求局部放电量小于 3pC；弹簧液压机构需实现 0.1ms 级分合闸同步精度。各组件间通过法兰密封连接，形成完整的 SF₆气体绝缘系统，结构集成度与配合精度直接决定设备介电强度与机械寿命。

1.2 制造精度与可靠性要求

GIS 制造需实现 0.02mm 级同轴度控制与 ±0.1^c °的角度定位精度，确保电场分布均匀性。导体表面粗糙度 Ra⩽0.8μm 可有效抑制尖端放电，绝缘件需达到 CTI≈600 的耐漏电起痕指数。密封面平面度偏差须控制在 5μm 以内，配合激光焊接工艺使焊缝气密性达 1×10^-⋅′Pa⋅m³/s 级别。动态组件需通过 20000 次机械寿命试验，温升特性需满足 40kA/4s 短路电流下的 ΔT⩽ 65K 标准，这些指标共同构成设备三十年免维护运行的技术基础。

2、传统 GIS 制造工艺流程及瓶颈

2.1 关键工艺步骤

传统 GIS 制造工艺涵盖材料加工、焊接、装配、密封及检测五大核心环节，直接影响设备性能。材料加工采用精密铸造与多工序机加工（粗铣→时效处理→精铣→镗孔），确保壳体几何精度与机械强度。导体经车削、镀银（厚度均匀）及抛光处理，保障导电稳定性。焊接依赖手工氩弧焊（TIG），焊缝需同时满足气密性与力学性能标准。装配环节强调人工调节触头系统弹簧压力以控制接触电阻，密封圈压缩量凭经验确定，法兰连接通过激光对中系统实现微米级定位。绝缘件环氧树脂浇注需在真空环境下固化 72 小时，消除内部气泡[1]。最终检测包括工频耐压、局部放电及 SF₆泄漏率测试，传统离线抽样检测对微小缺陷敏感性不足。

2.2 现有制造工艺的不足

现有制造工艺存在显著不足：焊接热输入量波动导致壳体局部变形达0.3-0.5mm ，需二次加工修正；装配环节依赖人工操作，触头接触压力离散度超 ±15% ，载流均匀性受限，密封圈压缩量偏差 ±0.2mm 使年泄漏率高达 0.5% ，远超 0.1% 的行业标准。材料批次差异（如环氧树脂固化收缩率波动）引发绝缘件应力集中，环境洁净度不足（颗粒物超标）加剧导体污染及局部放电风险。传统检测仪仅能识别 |>5pC 的缺陷，对微放电灵敏度不足，难以满足高可靠性要求。离散式生产模式导致工序衔接效率低，生产节拍不稳定，合格率长期徘徊于 92%95% ，制约大规模工业化应用。

3、工艺装备创新在 GIS 制造中的应用

3.1 高精度焊接与加工装备创新

3.1.1 五轴联动加工中心的引入

在壳体制造中，传统三轴机床因加工角度限制，需多次装夹完成复杂曲面加工，导致累积误差达 0.1mm 以上；而五轴设备通过一次装夹即可完成法兰端面、密封槽及安装孔的全工序加工，同轴度误差可控制在 0.02mm 以内[2]。其动态补偿功能可实时修正刀具磨损与热变形误差，使导体接触面的表面粗糙度稳定在 Ra⩽0.4μm ，有效抑制微放电现象。此外，集成式在线测量系统在加工过程中自动检测关键尺寸，通过闭环反馈调整切削参数，确保批量生产的尺寸离散度低于 ±5μm ，为后续装配提供精准的零部件基础。

3.1.2 机器人自动化焊接装备的应用

六轴焊接机器人搭载激光视觉传感系统，实现了壳体焊缝的高精度自动化焊接。系统通过三维扫描获取待焊区域形貌数据，自动生成最优焊接路径与工艺参数（如电流 180-220A、送丝速度 5-8m/min ），相较传统手工焊接，热输入量波动范围由 ±15% 降至 ±3% ，焊缝熔深一致性提升至 98% 以上。焊接过程中，红外热像仪实时监控熔池温度场分布，动态调整焊接速度与电弧长度，将热影响区宽度控制在 2mm 以内，壳体整体变形量减少至 0.1mm 以下，消除二次加工需求。

3.2 智能装配与测试装备创新

基于力位混合控制的智能装配机器人，通过多传感器融合技术实现 GIS 核心组件的精准装配。在触头系统安装中，机器人末端执行器集成高精度力矩传感器与视觉定位模块，可实时感知接触压力变化并自动调节弹簧压缩量，将接触电阻波动范围从 ±15% 压缩至 ±3% 。针对密封圈装配难题，机器人采用柔性夹爪与激光测距技术，精确控制密封圈压缩量在理论值的±0.05mm 内，配合真空吸附装置避免安装过程中的扭曲变形[3]。

3.2.2 在线智能检测与质量控制系统

融合多物理场传感与深度学习的在线检测系统，构建了 GIS 制造全过程的质量控制闭环。在导体表面检测中，高分辨率工业相机结合卷积神经网络（CNN）可识别 0.1mm² 级的镀层缺陷；声发射传感器阵列实时捕捉绝缘件内部微裂纹扩展信号，通过时频分析提前预警潜在故障。装配完成后，基于数字孪生技术的虚拟耐压测试平台，可模拟 1.5 倍额定电压下的电场分布，预测局部放电风险区域。实测阶段，超高频（UHF）传感器与 AI算法协同工作，将局部放电检测灵敏度提升至 0.5pC 级别，缺陷检出率提高至 99.8% 。

3.3 先进密封与防护技术的创新

3.3.1 自动化密封涂覆与检测设备

全自动密封胶涂覆系统采用多轴联动机械臂与精密计量泵，实现密封面涂胶厚度 0.2±0.02mm 的精准控制。涂覆前，激光轮廓仪扫描密封槽三维形貌，自动生成补偿路径以消除零件加工误差影响；固化过程中，红外光谱仪实时监测胶层交联度，确保剪切强度 ⩾8MPa 。配套氦质谱检漏仪在 0.5MPa 压差下可检测 1×10^-9Pa⋅m³/s 级泄漏率，较传统皂泡法灵敏度提升三个数量级。该技术使 GIS 年泄漏率稳定控制在 0.01% 以内，达到国际领先水平。

3.3.2 新型 SF₆气体管理系统

智能气体循环净化装置通过分子筛吸附与低温冷凝技术，实现 SF₆气体的高效回收与纯化。系统内置激光气体分析模块，可实时监测气体纯度（ ⩾99.99% ）、湿度（露点≤ -40% ）及分解产物含量（ SO₂⩽1μL/L ），超标时自动启动再生程序。充气环节采用质量流量计与压力闭环控制，充注精度达 ±0.5% ，避免过量充填导致密封失效。结合无线传感网络的气体泄漏监测系统，可在 10m³ 空间内定位 0.1mL/min 级泄漏点，年泄漏量较传统工艺减少 80% 以上，显著降低温室气体排放。

4、结论

本研究系统论证了工艺装备创新在高压组合电器制造质量提升中的核心作用。通过应用五轴联动加工与机器人焊接技术，显著提高关键部件加工精度并有效控制壳体焊接变形，突破传统工艺的几何误差瓶颈。智能装配技术实现接触压力精确调控，结合高灵敏度在线检测系统，大幅提升产品合格率。在密封可靠性方面，自动化涂覆与智能气体管理系统显著降低泄漏风险，同时提升环保性能。研究成果为输配电装备行业提供了可推广的技术升级方案，对保障特高压电网建设质量、推动电力装备智能化发展具有重要实践价值。

参考文献

[1]金丽宁,周艳.供配电设备制造企业设备安全隐患排查治理的研究及应用[J].价值工程,2023,43(18):1-3.

[2]金丽宁.某供配电设备制造企业设备安全隐患排查治理的研究和应用[D].天津理工大学,2023.

[3]杨婷.WB 电气公司输配电设备营销策略优化研究[D].重庆工商大学,2023.