耐低溫混合氣體斷路器設計要點

王路平++李炳葉++薛紅濤

摘 要：近年來，SF6/N2和SF6/CF4的混合氣體應用于高壓開關設備中。混合氣體斷路器在低溫條件下容易出現局部液化，采用加熱器、耐低溫材料以及準確的氣體混合工藝，可以確保混合氣體斷路器可在北方寒冷氣溫下穩定運行。

關鍵詞：斷路器設計；低溫；混合氣體

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.192

我國地域遼闊，東西南北氣候差異巨大，在我國的新疆、內蒙部分地區及東北地區，由于冬季氣候非常寒冷，混合氣體斷路器在這些溫度條件下使用時會發生六氟化硫氣體液化而無法正常工作，同時由于環境溫度太低，導致斷路器操動機構特性發生變化，特別是液壓機構的閥系統，在低溫環境下嚴重的可能會發生拒動，嚴重威脅著斷路器的安全運行。為適應這些特殊環境的需要，需對斷路器采取特殊措施，以適應極端環境下的工作。

1 使用殼體加熱器

為防止在低溫條件下斷路器性能降低，可以使用一個加熱器來避免六氟化硫液化引起氣體密度的降低。當斷路器表面覆蓋一個外絕緣體時，可明顯降低加熱器的功率要求。罐式斷路器和罐式緊湊型斷路器普遍采用加熱帶和絕緣體。通常情況下，如果是罐式斷路器，那么殼體和安裝的套管共用一個氣室，這意味著氣室中的熱量可以經過瓷套表面或復合套管表面散發。加熱器的功率必須增加上這部分的熱耗。

2 六氟化硫和氮氣或四氟化碳的混合氣體的使用

添加氮氣或四氟化碳可使最低操作溫度降低到-60℃。兩種氣體在相當低的溫度液化。當使用含有氮氣或四氟化碳的六氟化硫混合物時，如果六氟化硫的局部要壓力達到液化極限時，僅六氟化硫部分液化。六氟化硫的局部壓力越低，在相同的充氣壓力，斷路器的最低操作壓力越低。在低溫使用混合氣體時，就沒必要使用加熱帶。

表1規定了混合氣體斷路器氣體不同比率下的各氣體分壓（額定充氣壓力0.85MPa）。

3 混合氣體的處理及其特性

給斷路器充混合氣體有三個不同的確定過程：

（1）從制造廠作為最終產品得到混合氣體，這個混合氣體用于充到斷路器單元內。必須規定氣體容器內的氣體混合壓力，以確保在整個處理過程中（包括運輸和充氣過程）六氟化硫不會出現局部液化。液化會導致氣體混合物發生變化和斷路器絕緣性能下降。（2）可以從獨立的氣體容器按順序向斷路器內充氣，每個氣體容器包含混合氣體成分。在這個過程中，在相對應的分壓值充六氟化硫氣體，然后添加其它成分氣體（氮氣或四氟化碳）直至達到規定的充氣壓力。經驗證明，甚至斷路器在較長的時間沒有動作，混合物也保持充分混合。一般在充氣三天后檢查混合物比例，以防斷路器性能受到影響。（3）使用商用混合設備，在充氣過程中控制氣體成分和流速，斷路器內的混合氣體滿足目標密度關系，這個充氣過程非常準確，因而沒有必要進行控制測量。

如果斷路器在裝配安裝或運行中出現漏氣，斷路器內的混合氣體就會發生變化，這種情況下，要使用六氟化硫比例測量儀測量混合物氣體成分，根據測量結果，添加單個成分氣體。

4 作為滅弧介質的六氟化硫和六氟化硫混合氣體

對于斷路器的滅弧和開合能力來說，在熱和絕緣滅弧能力之間有所區別。在氣體密度降低情況下，兩個方面都有所劣化，這用于兩種情況，即短路開合能力和容性電流開合能力。

當與最低溫度為-30℃的標準斷路器比較時，充有混合氣體的低溫斷路器的滅弧和操作能力也有所降低。當使用N2作為最低溫度為-50℃的混合氣體斷路器中的第二種氣體成分時，根據IEC標準，下降接近額定短路電流的一個額定值水平；然而，如果使用CF4，預計最大下降僅為電流水平的一半。如果保持滿短路電流水平，那么根據IEC標準，額定電壓水平必須下降一個額定值水平。

5 耐低溫斷路器的設計

5.1 操動機構和控制元件用輔助加熱器

彈簧操動機構和控制元件安裝在一個柜內。每個柜包含一個冷凝加熱器和通風系統。冷凝加熱器經常操作來模擬通風。對于-40℃或更低的環境溫度，連接一個經過恒溫器控制的輔助加熱器，這可防止彈簧操動機構緩沖器中出現較高的液體粘度。

5.2 特殊材料

將低溫不脆化的耐低溫鋼用于斷路器的支撐結構，比如斷路器支架、底架和支柱。凹口桿構件要足以承受斷路器的重力。用在低溫保持足夠彈性的橡膠材料制造的襯墊用于密封氣室和拐角齒輪上。用在溫度范圍從-60℃到130℃使用的潤滑脂對彈簧操動機構中的所有軸承、運動環節和拐角齒輪進行潤滑。滅弧室單元與標準設計中的相同。

6 型式試驗

所有耐低溫混合氣體斷路器和其它斷路器一樣，都要進行整套型式試驗。這個型式試驗包括相關標準中規定的絕緣試驗、短路電流開斷試驗和負載電流開合試驗。正如要求那樣，根據IEC標準進行M1或M2機械壽命試驗。試驗的焦點是所謂的氣候試驗，這個試驗中，在最低和最高操作溫度的溫度循環中檢查機械操作特性。

7 結語

耐低溫混合氣體斷路器包括良好的和經過試驗測試過的元件，通過使用氣體混合物，提高了這些元件和其他密封材料、潤滑劑和附件加熱器（如要求）的性能。這意味著對每種應用都有一個良好的解決方案。

參考文獻：

[1]黎斌.SF6高壓電器設計[M].機械工業出版社，2015.

[2]徐國政等.高壓斷路器原理和應用[M].清華大學出版社，2000.

作者簡介：王路平（1983-），男，河南新野人，主要從事高壓開關制造工藝研究工作。