基于SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的研究應(yīng)用

孫明福 蘇文瑞

摘 要：高壓交流六氟化硫斷路器（GCB）具有較高的可靠性能、合理經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行維護(hù)成本，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。本文通過(guò)對(duì)高壓交流六氟化硫斷路器的特點(diǎn)及類型介紹，對(duì)高壓交流六氟化硫斷路器設(shè)備中斷路器、盆式絕緣子、三相共箱主母線等元件進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)SF6 絕緣電氣設(shè)備分解產(chǎn)物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究以及對(duì)SF6 氣體絕緣件的設(shè)計(jì)研究三方面來(lái)具體介紹基于SF6 氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的優(yōu)化研究情況。

關(guān)鍵詞：高壓交流六氟化硫斷路器；特點(diǎn)；SF6 氣體

中圖分類號(hào)：TM595 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

高壓交流六氟化硫斷路器（又稱為GCB）是一種以SF6氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)，在高壓輸電線路中能夠承載、關(guān)合、開斷運(yùn)行回路正常電流，也能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)承載、關(guān)合及開斷規(guī)定故障電流的開關(guān)設(shè)備。隨著我國(guó)電力事業(yè)的發(fā)展，對(duì)可靠性高、少維護(hù)、小型化高壓開關(guān)設(shè)備提出更高的要求。

1 高壓交流六氟化硫斷路器的特點(diǎn)及類型

1.1 高壓交流六氟化硫斷路器的特點(diǎn)

高壓交流六氟化硫斷路器（GCB）具有良好的絕緣和滅弧性能。此外，高壓交流六氟化硫斷路器與油斷路器、壓縮空氣斷路器相比，具有開斷性能優(yōu)良、滅弧室結(jié)構(gòu)多樣化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、少維護(hù)、成本低等特點(diǎn)，可以避免發(fā)生油斷路器噴火、噴油等現(xiàn)象。

1.2 高壓交流六氟化硫斷路器（GCB）類型

（1）瓷柱式SF6斷路器。瓷柱式SF6斷路器是滅弧室處在一個(gè)絕緣瓷套或復(fù)合套管內(nèi)的斷路器。系列性強(qiáng)，它是由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的開斷單元通過(guò)積木式的方式派生出多個(gè)額定電壓等級(jí)的產(chǎn)品。瓷柱式斷路器使用液壓操作機(jī)構(gòu)，其相關(guān)元件以及線路均設(shè)于控制柜內(nèi)。滅弧室由液壓工作缸直接操動(dòng)。支柱瓷套內(nèi)裝有絕緣操作桿，操作桿與液壓工作缸相連接。瓷柱式SF6斷路器價(jià)格比罐式SF6斷路器低，在高中壓領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。（2）罐式SF6斷路器。罐式SF6斷路器是滅弧室處在一個(gè)接地金屬外殼中的斷路器，它由滅弧室、絕緣拉桿、電流互感器、出線套管、操動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。可配用液壓操動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)操作系統(tǒng)和彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行操作，同時(shí)匯控柜裝有對(duì)斷路器執(zhí)行控制的二次元件。它具有箱式多油斷路器的優(yōu)點(diǎn)，便于加裝電流互感器，結(jié)構(gòu)緊湊、重心低、抗震性能好，但系列性較差，造價(jià)昂貴。

2 基于高壓交流六氟化硫斷路器設(shè)備的研究

2.1 基于高壓交流六氟化硫斷路器設(shè)備元件的優(yōu)化

（1）斷路器。斷路器作為電力系統(tǒng)中重要的電器設(shè)備，主要用于開斷故障電流。六氟化硫斷路器為三相分立的落地式結(jié)構(gòu)，三相氣體通過(guò)銅管連接，具有獨(dú)立的壓氣式滅弧室。高壓交流六氟化硫斷路器中以SF6氣體作為斷路器中的絕緣和滅弧介質(zhì)，由于電弧的電離作用使得斷口間的SF6氣體絕緣強(qiáng)度低于周圍的SF6氣體。通過(guò)利用仿真軟件和數(shù)值分析來(lái)對(duì)高壓交流六氟化硫斷路器的靜電場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，減小其尺寸，提高其開斷性能。（2）盆式絕緣子。盆式絕緣子在高壓交流六氟化硫斷路器設(shè)備中起著隔離氣室、支撐導(dǎo)體以及絕緣的作用。盆式絕緣子絕緣強(qiáng)度不但與環(huán)氧樹脂自身的性能有關(guān)，還與支撐絕緣子殼體內(nèi)的SF6氣體壓力相關(guān)。可通過(guò)利用高低電位電極形狀來(lái)對(duì)電極、SF6氣體、絕緣件的介質(zhì)交界面進(jìn)行優(yōu)化處理，從而保證盆式絕緣子場(chǎng)強(qiáng)分布均勻性。（3）三相共箱主母線。三相共箱主母線作為連接間隔的元件，通過(guò)電場(chǎng)優(yōu)化，增大導(dǎo)體直徑、減小回路電阻等方式來(lái)增大母線的額定電流。

2.2 SF6絕緣電氣設(shè)備分解產(chǎn)物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

SF6電氣設(shè)備的穩(wěn)定性及可靠性取決于SF6氣體的純度，如果SF6氣體中混有雜質(zhì)而達(dá)不到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，那么它的滅弧和絕緣特性就會(huì)大大下降。為長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)和記錄SF6絕緣電氣設(shè)備中SF6純度、SO2含量、壓力和溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)，及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，快速判斷SF6絕緣電氣設(shè)備當(dāng)前的絕緣狀況，迫切需要加強(qiáng)對(duì)SF6絕緣電氣設(shè)備分解產(chǎn)物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究。SF6絕緣電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：將一臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元同時(shí)與多個(gè)變送器單元通訊，同時(shí)后臺(tái)機(jī)也可以與多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)單元進(jìn)行通訊，最后將各后臺(tái)機(jī)的通訊所得數(shù)據(jù)一并傳送到位于局方監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程維護(hù)中心進(jìn)行綜合分析。后臺(tái)機(jī)預(yù)留以太網(wǎng)口和串口和遠(yuǎn)程維護(hù)中心通訊，最終實(shí)現(xiàn)全部變電設(shè)備的狀態(tài)評(píng)估。設(shè)計(jì)的SF6絕緣電氣設(shè)備分解產(chǎn)物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為適應(yīng)高壓強(qiáng)電場(chǎng)的環(huán)境，增加設(shè)備的可靠性能，需對(duì)設(shè)備的硬件和軟件抗干擾技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以此來(lái)消除電磁脈沖、電磁輻射、靜電感應(yīng)等干擾產(chǎn)生的影響。

2.3 加強(qiáng)SF6氣體絕緣件的設(shè)計(jì)研究

絕緣件聯(lián)系高電位部件與地電位外殼，起著支撐與對(duì)地絕緣的作用。高壓交流六氟化硫斷路器中SF6氣體絕緣件設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：有足夠的絕緣強(qiáng)度、有足夠的機(jī)械強(qiáng)度等要求。由于SF6氣體絕緣特性與電場(chǎng)的不均勻度有很大關(guān)系。此外，SF6氣體絕緣具有的極性效應(yīng)、電極表面狀態(tài)效應(yīng)等對(duì)SF6氣體間隙擊穿電壓均有影響。在稍不均勻電場(chǎng)結(jié)構(gòu)中，當(dāng)SF6間隙中的最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到某一數(shù)值Eb時(shí)，間隙擊穿電壓為

Ub = η × Eb × d

Ub- 擊穿電壓，kV；

η-絕緣利用系數(shù)，為間隙中平均場(chǎng)強(qiáng)Eav與最大場(chǎng)強(qiáng)Emax之比；

d- SF6間隙距離，cm；

Eb- 擊穿場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，kV·cm-1；

當(dāng)SF6沿面絕緣結(jié)構(gòu)中的最大場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到某一數(shù)值Ef時(shí)會(huì)發(fā)生閃絡(luò)。閃絡(luò)電壓可估算為Uf = η × Ef× d。

加強(qiáng)SF6氣體絕緣件的設(shè)計(jì)研究，主要考慮電場(chǎng)分布的均勻性，設(shè)計(jì)SF6電器中的絕緣件時(shí)多采用“矮胖”結(jié)構(gòu)，使絕緣件各處最大場(chǎng)強(qiáng)限制在允許值范圍之內(nèi)。使用的絕緣類型包括氣體絕緣、沿面絕緣、固體絕緣、界面絕緣四種。在設(shè)計(jì)穿墻套管時(shí)，通過(guò)將高的場(chǎng)強(qiáng)作用于固體絕緣介質(zhì)，從而使沿面的場(chǎng)強(qiáng)降低，改變了電場(chǎng)分布。對(duì)絕緣子的設(shè)計(jì)一般通過(guò)對(duì)電場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析并優(yōu)化來(lái)完成，兼顧澆注工藝和機(jī)械強(qiáng)度，確保絕緣子電場(chǎng)分布的合理性、安全可靠性。插接件設(shè)計(jì)時(shí)，為使高壓交流六氟化硫斷路器中的高壓元件避免受外界影響，需將其暴露于空氣部分的外表面做成帶屏蔽的結(jié)構(gòu)。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)基于SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的優(yōu)化研究，以期制造出性能更好、應(yīng)用更廣的高壓開關(guān)設(shè)備，從而適應(yīng)未來(lái)變電站設(shè)備高電壓、大容量、小型化的發(fā)展趨勢(shì)。

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