電加熱方式在SF6開關設備中的應用

李松琴

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001)

我國幅員遼闊，各地氣候差異巨大。在新疆、內蒙古及東北地區，冬季氣溫較低，戶外環境溫度會降到-40℃以下，部分地區甚至達到-50℃，SF6氣體在這種溫度下會產生部分液化，導致SF6氣體壓力及密度下降。根據內蒙古電力科學研究院統計報告，在冬季嚴寒情況下，SF6開關設備因氣體密度下降，報警和閉鎖情況經常發生。在這種情況下，運行部門通常的做法是用保溫材料將SF6開關設備局部包裹起來，有時也起到一定作用，但效果不好。對瓷柱式SF6開關設備，由于瓷套外側無法加裝保溫層，只好采取降低SF6氣壓的辦法運行，至使SF6開關設備存在安全運行隱患。

由于SF6氣體具有優良的絕緣性能和開斷性能，而被廣泛應用于輸配電設備領域，如變壓器、組合電器、斷路器、輸電管道、互感器、避雷器等。目前，SF6氣體絕緣設備已經占有了絕對優勢而且還有進一步擴大其應用范圍的趨勢。當SF6開關設備用于嚴寒地區時，若發生SF6氣體的低溫液化，SF6氣體壓力降低到閉鎖壓力值時，將閉鎖斷路器的跳閘回路，如果這時線路發生故障，保護啟動后，而斷路器不能可靠動作，將會引起事故擴大，造成保護越級動作，或者是設備損壞事故的發生。為解決SF6開關設備在嚴寒地區能夠可靠運行的問題，國內外相關的研究院（所）和開關制造廠家對此進行了大量的分析、試驗及研制工作，取得了許多寶貴經驗和研究成果。其中，采取對SF6開關設備中的SF6氣體進行電加熱，使SF6氣體的溫度可以始終高于SF6氣體的液化溫度，就是一種有效的技術解決方案。

1 SF6氣體的基本特性

SF6氣體是一種無色、無嗅、無毒、不可燃的惰性氣體，同時是一種分子量很大的重氣體，容易液化，因此與理想氣體模型差異較大，不能采用理想氣體的狀態方程式進行計算。SF6氣體的3 個狀態參數之間可以用下列經驗公式表示：

式中，γ為密度（kg/m3），T為溫度（K），P為壓力（MPa）。

在實際工程應用中，也可利用SF6氣體的狀態參數曲線進行查找。目前運行的SF6開關設備的額定SF6氣體壓力，一般設定為：斷路器氣室0.4～0.6MPa（20℃時，表壓）；隔離開關、母線、套管等氣室0.3～0.5MPa(20℃時，表壓)。這是由SF6氣體特有的物理特性、化學特性及電特性等所決定的。SF6氣體的臨界溫度很高（約：45.64℃），在常溫下施加2MPa 的氣壓即可液化。根據已有的研究表明，額定壓力0.6MPa（20℃時，表壓）， 設備可以用在-27℃左右；額定壓力0.5MPa（20℃時，表壓），設備可以用在-32℃左右；額定壓力0.4MPa（20℃時，表壓），設備可以用在-38℃左右。例如：某SF6開關設備的額定壓力為0.6MPa（20℃時，表壓），對應的氣體密度為 46kg/m3，當溫度逐漸下降至-27℃時，SF6氣體開始部分液化，氣體壓力和密度將降低。當溫度下降至-50℃時，密度只有20 kg/m3，對應此密度值，在20℃時的表壓為0.21MPa。由此可見，由于SF6氣體的低溫液化，造成氣體密度的下降，必然導致SF6開關設備的滅弧性能和絕緣性能的降低。

2 SF6開關設備中的電加熱方案

采用電加熱裝置對SF6開關設備中的SF6氣體進行加熱，可以有效的解決超低溫下SF6氣體的低溫液化問題。電加熱設計方案的技術關鍵為：在SF6開關設備上，增加了SF6氣體電加熱裝置，當環境溫度下降到一定數值時（如-25℃），加熱器能夠自動投入運行，對SF6開關設備內的滅弧、絕緣介質進行加熱；無論環境溫度如何低（如-50℃），SF6開關設備內的氣體溫度始終高于SF6氣體液化所需要的溫度，從而很好地解決了嚴寒地區SF6氣體低溫液化的問題。

SF6開關設備的電加熱設計方案中，加熱裝置的熱傳遞方式，包含了熱傳導、熱輻射及熱對流。針對SF6開關設備的不同結構形式，采取的電加熱方式也略有差別，常用的設計結構有：①在設備罐體外壁纏繞電加熱帶的加熱方式；②將加熱器插入SF6氣室內部，對SF6氣體直接進行加熱。

2.1 罐體外纏繞電加熱帶的加熱方案

圖1為罐式SF6斷路器的典型外形圖，它主要由氣體套管、CT 裝配、斷路器部分、操動機構等幾部分組成。針對罐式SF6斷路器的結構特點，可采用在罐體外側加裝加熱裝置，當環境溫度下降到一定數值時（如-25℃），加熱器能夠自動投入運行，人為地向設備內輸入熱量，加熱后的熱氣向上流動，套管內的冷氣向下流動，從而通過SF6氣體的熱對流、熱傳導、熱輻射進行能量傳遞，確保設備內的SF6氣體溫度始終高于SF6氣體液化溫度。

這種設計結構已被國內外部分開關制造廠家所采用，并取得了寶貴地使用經驗。如：國內某公司生產的LW13—550 型罐式SF6斷路器，為解決產品在低溫下可靠運行的問題，在罐體外殼上裝了兩個加熱保溫套，加熱套的熱元件是線繞板式SP 型加熱器。試驗結果表明，加熱功率4800W 時，罐體內SF6氣體溫升為13.5～17.5K，當加熱功率7200W 時，罐體內SF6氣體溫升為15～21K。據報道，俄聯邦核中心高壓電器研究所研制的126kV 罐式SF6斷路器，額定短路開斷電流40kA，SF6氣體額定壓力為0.55MPa（20℃），產品可以在-50℃的環境下正常工作，其技術關鍵就是在罐體外側加裝了兩個300W的電加熱帶。

2.2 罐體內裝入加熱棒的加熱方案

圖2為另一種常見的罐式SF6斷路器外形圖，它與圖1最大的不同點是，操作機構安裝在斷路器筒體端部，可以在筒體下部（靠近中間位置）加裝電加熱裝置。為提高電加熱效率，將加熱器插入SF6氣室內部，對SF6氣體直接進行加熱。為驗證這種結構的加熱效果，河南省高壓電器產品質量監督檢驗站曾在某220kV 罐式SF6斷路器上進行過低溫試驗，試驗時罐體內充入0.6MPa（20℃時，表壓）的SF6氣體，加熱器的總功率約900W，當試驗室內的溫度降為-40℃時，罐體中心部位的SF6氣體溫度約-26.5℃。

如圖2所示的自動電加熱及保溫裝置，是由加熱裝置、溫度檢測裝置和控制執行裝置等3 部分組成。加熱裝置設置在罐式SF6斷路器的罐體上開設的拔口里，溫度檢測裝置安裝在罐體外，溫度檢測裝置的輸出端與控制執行裝置的輸入端連接，控制執行裝置的輸出端與加熱裝置的電源端連接。當環境溫度下降到下限設定溫度時，自動啟動加熱裝置對罐體內的SF6氣體進行加熱，當環境溫度上升到上限設定溫度時，加熱裝置電源被自動切斷，從而解決了罐式SF6斷路器在低溫環境下的可靠使用問題。

圖2 罐式SF6斷路器外形圖（機構側置）

2.3 瓷柱式SF6開關設備的加熱方案

瓷柱式SF6開關設備的氣體加熱裝置，一般裝設在支柱瓷套的下端，由于支柱瓷套及滅弧室瓷套均為細長型結構，散熱面積較大，而結構設計又不允許在瓷套外側加裝保溫層，為確保滅弧、絕緣介質在低溫下不液化， 所需加熱器的功率一般都比較大；但加熱器功率過大后，又會產生局部過熱，影響產品運行的可靠性。因此，必須選擇合理的加熱器功率。下面以某型號的252kV 單柱單斷口SF6斷路器為例，介紹其電加熱器結構及加熱器功率的確定。

圖3為電加熱器座的局部放大圖，它主要由支撐座、屏蔽筒、散熱器、電加熱器等部件組成，在拉桿四周均勻分布2～4 只500W 的電加熱器，由于所需加熱器功率較大，選用了棒式電加熱器；在加熱器座內部裝設屏蔽筒和散熱器的目的，是為了保證熱場均勻、有利于向上熱輻射。

圖4為252kV 單柱單斷口SF6斷路器的低溫試驗測量點示意圖。試品內SF6氣體額定壓力為0.6MPa（20℃時，表壓）。為了對產品樣機進行低溫試驗，在斷路器內部裝設了11 支熱電偶，熱電偶主要用于測量斷路器內部的SF6氣體溫度分布情況。11 支熱電偶的測溫端在裝設時，盡量接近設備中心線附近。測溫點1 在試驗樣機上蓋板的內側，距金屬蓋板約5mm；測溫點11 在加熱器座中心點附近；其他9 個測溫點均勻分布（每兩個測溫點的距離約為0.5m）。

圖3 加熱器座局部放大圖

圖4 低溫試驗測量點示意圖

表1為試驗樣機內的溫度試驗數據，試驗數據分析發現：①測溫點1 的溫度值最低，這是因為該測溫點距加熱源最遠，并且距上面的金屬蓋板只有5mm 的距離；② 測溫點5 與測溫點6 之間的溫差約為10℃，而測溫點5 與測溫點4、測溫點3、測溫點2 的溫差確非常小（約為1℃）。這是因為測溫點1 到測溫點5，均處在滅弧室瓷套內，SF6氣體流動比較暢通；而測溫點6 處于支柱瓷套內，支柱瓷套與滅弧室瓷套之間的SF6氣體，只有通過幾個小孔相通，造成熱對流通道不暢通：③測溫點11 的溫度值最高，這是因為該測溫點距加熱源最近。同時，從表1中的試驗數據分析可知：當環境溫度達到-40℃時，產品內裝設1000W 的加熱器就可滿足使用要求；當環境溫度達到-50℃時，產品內裝設1500W 的加熱器就可滿足使用要求。

表1 試驗樣機內的溫度試驗數據

3 低溫環境下的其他解決方案

3.1 采用混合氣體作為滅弧、絕緣介質

由于純SF6氣體存在著價格昂貴且不適用于嚴寒地區等問題，近年來已有用SF6混合氣體來取代純SF6氣體的趨勢，其中SF6/N2混合氣體已在工業中獲得初步應用。但是，采用SF6/N2混合氣體作為開關設備的滅弧、絕緣介質也存在一些問題：①當保持產品結構不變時，采用SF6/N2混合氣體替代純SF6氣體后，設備的開斷能力要下降，如：ELF SL4-1型斷路器中采用了SF6/N2混合氣體作為滅弧、絕緣介質后，額定短路開斷電流從40kA 降低到31.5kA；②采用SF6/N2混合氣體作為斷路器的滅弧、絕緣介質后，若要維持斷路器的開斷能力不變，就要對滅弧室及操動機構的結構進行修改，同時要提高混合氣體的額定氣壓。這些變化都給產品的設計和試驗帶來很大工作量。

3.2 采用降低SF6氣體壓力的方案

降低SF6開關設備內SF6氣體的額定壓力，可以達到降低SF6氣體的液化點。因此國內有些廠家在原有開關設備的基礎上，充入低壓力SF6氣體以滿足低溫環境的需要。由于在低壓力、低溫度的條件下，SF6氣體密度亦降低，影響了設備的絕緣性能和開斷性能。國內用此方法按標準GB1984 進行全部開斷試驗項目的產品很少。據報道，國內亦有部分廠家采取降低SF6氣體壓力的方法用在126kV 產品上，但是僅做了T100s(b)單項試驗，并沒有進行降低SF6氣壓后的其他試驗項目。設備能否滿足可靠使用要求，尚待驗證。

4 結論

為解決高壓SF6斷路器在超低溫下可靠運行的問題，可以采用電加熱裝置對SF6開關設備中的SF6氣體進行加熱；也可以采用SF6/N2混合氣體作為開關設備的滅弧、絕緣介質；另外，也可以采用降低SF6開關設備內SF6氣體的額定壓力，達到降低SF6氣體液化點的方案。然而，無論采取那種方法，都存在其優點和不足之處。采用降低SF6氣體壓力或采用SF6/N2混合氣體的方法，會導致設備的開斷性能下降，往往滿足不了招標書中對設備短路開斷能力的要求，同時需要按標準GB1984 進行相關的型式試驗，試驗周期長、費用高。電加熱方式，需要對設備的現有結構進行變更，材料費增加。綜合分析認為，電加熱方式是一種最為經濟有效的解決方案。除此之外，低溫產品在設計上還應注意：選用耐低溫的密封圈、選用耐低溫的潤滑脂、操作機構箱內宜進行加熱以確保分合閘特性不變、能夠跨越較大溫度范圍使用的瓷套等。

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