小型化SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的設計與研發

王彬翰　郭云鵬　楊升

摘 要：SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備又被稱為SF6氣體封閉式組合電器，它被廣泛應用于72.5 kV以上的電力系統中。從SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的基本內容出發，分析了采用數值分析和仿真軟件實現小型化SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備設計的優化措施，以期為相關研究提供一定的參考。

關鍵詞：SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備；設計；優化措施；電氣配電裝置

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.107

SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備是一種高可靠性、高經濟性的設備，它被廣泛應用于電力系統中。在設計、研發小型化SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備時，采用數值分析和仿真軟件能極大地提高SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的設計質量。這樣做是因為SF6氣體在均勻的電場中有良好的絕緣性能，如果絕緣支撐件、電極等設置不合理，或者微小粒子會對電場造成影響時，SF6氣體的絕緣能力就會降低，從而引發設備絕緣故障。而應用數值分析和仿真軟件能有效地解決這個問題，進而提高小型化SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的可靠性。

1 概述

SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備大多采用的是圓筒式結構，將斷路器、隔離開關、接地開關、絕緣子和互感器等裝置包裹住，以SF6氣體為絕緣介質。SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備每一功能單元都是由多個隔室組成的，例如母線隔室、斷路器隔室，在分割隔室時，既要確保開關設備正常運行，又要保證開關設備發生故障時，能夠限制電弧效應。一般情況下，在分割隔室時，要采用絕緣隔板，同時，不同的隔室允許的氣體壓力也不相同。對于斷路器隔室的SF6氣體，需要考慮到滅弧效果，所以，其壓力也要比其他隔室的氣體壓力高。

與常規的電氣配電裝置相比，SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備具有以下特點：①體積小。由SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備組成的變電站，其占地面積很小，電壓等級越高效果越明顯。②運行安全、可靠。SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的帶電部分會封閉在金屬筒外殼中，所以，不會發生短路事故和接地事故，并且其介質為SF6氣體，不會引發火災。由此可見，SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備運行的安全性很高。③維護量小，使用周期長。SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的使用壽命比較長，并且其檢修周期為10～20年，能極大地減少維護量。

2 小型化開關設備的設計研發

2.1 斷路器

斷路器是SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的開斷故障電流原件，其設計效果對整個SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備有很大的影響。在斷路器中，SF6氣體既是絕緣介質又是滅弧介質，在電弧的電離作用下，斷口SF6氣體的絕緣強度會比其他位置SF6氣體的絕緣強度低。在執行開斷動作時，利用電場的屏蔽效應，能有效地減少金屬粒子的存在，同時，還能減少熱氣體的存在。通過數值分析和仿真軟件優化斷路器靜端電場，使得斷路器尺寸更小和開斷能力更強。

2.2 隔離開關和接地開關

在設計SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的過程中，可以將隔離開關和接地開關設計成組合式結構，這樣就能保證其尺寸最小化。在SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備中，隔離斷口最大電場強度處于斷口品比中心開孔，當降低了隔離斷口電場后，就能處理屏蔽面的形狀與邊緣形狀的相互關系。在設計過程中，可以采用多段圓弧相接的方式優化屏蔽結構。

2.3 油氣套管

油氣套管是SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備和變壓器連接的重要部分，在設計時，要保證油氣套管能分離SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備和變壓器，并能獨自完成各項工作。因此，要在油氣套管的高壓電極中間設置1個可拆卸的斷口，同時，還要保證這個斷口和隔離開關斷口的場強一致。

2.4 出現套管

在計算瓷套模型時，由于瓷套是SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備高電壓的引出位置，因此，需要考慮到空氣、SF6氣體這2種絕緣介質。對于出現套管的內屏蔽表面，其電場強度要滿足SF6氣體的絕緣性能需求，同時，套管外的法拉表面強度要滿足空氣的無暈需求。因為法蘭的自身形狀、高度、內屏蔽直徑和高等都會影響法蘭表面電場強度，所以，在設計時，要注意優化外法蘭形狀。

2.5 盆式絕緣子

在SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備中，盆式絕緣子的應用十分廣泛。在SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備運行過程中，盆式絕緣子是最容易發生故障的。高壓端的屏蔽電極、絕緣材料等都會對盆式絕緣子的絕緣性能造成影響，在設計時，可以利用高電位的電極形狀和低電位的電極形狀將SF6氣體、絕緣件、電極的介質交界面處理好，從而確保絕緣子沿面場強均勻分布。

2.6 三相共箱主母線及其他元件

主母線是連接間隔的重要元件，其可靠性對SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的穩定運行有十分重要的意義。當外殼直徑不變時，優化電場，通過增加導體直徑來減小主回路的電阻，使母線的額定電流達到4 000 A。在設計SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備時，還可以利用電場數值分析和仿真軟件優化三通、分支母線和電流互感器等，能獲得良好的設計效果。

3 結束語

SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的小型化設計，能有效降低產品的原材料成本，提高產品的技術水平。在設計、研發SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備時，利用數值分析和仿真軟件進行優化，能有效地減少導體連接數，縮短間隔母線導體的長度，減小主回路電阻，提高產品設計研發效率，為SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的可靠性提供保障。

參考文獻

[1]洪國耀，趙羲英，陳冰.小型化SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的研究開發[J].高壓電器，2012，48（10）：78-80.

[2]鄭曉光，陳俊，王宇，等.基于SF6成分分析的氣體絕緣金屬封閉開關設備潛伏性缺陷判斷的研究及應用[J].廣東電力，2012，25（01）：132-133.

〔編輯：白潔〕