環網開關柜絕緣氣體環保化的研究

汪開龍，陳建新，傅智君，洪亮，汪興旺，劉憲明，楊健標

（1.浙江冠源電氣有限公司，浙江 建德 311600；2.國家電網浙江建德市供電公司，浙江 建德 311600 ；3.浙江開盛電氣有限公司，浙江 杭州 310000 ）

環網開關柜絕緣氣體環保化的研究

汪開龍1，陳建新1，傅智君1，洪亮2，汪興旺3，劉憲明3，楊健標3

（1.浙江冠源電氣有限公司，浙江 建德 311600；2.國家電網浙江建德市供電公司，浙江 建德 311600 ；3.浙江開盛電氣有限公司，浙江 杭州 310000 ）

六氟化硫氣體（SF6）一直用作中高壓開關和環網開關柜的滅弧和絕緣介質。但由于六氟化硫氣體被定為受限制的溫室氣體，因而在高壓開關行業，應盡量減少六氟化硫氣體的用量和排放量。開發一種環保型的氣體，用以替代六氟化硫，是十分必要的。本文針對環網柜中絕緣氣體環保化進行了探討，對存在的問題進行認定和分析，最終針對相應的問題提出有效的解決方案和解決措施。

六氟化硫；氮氣；絕緣氣體；環保；環網柜

中高壓環網開關設備的需求和發展趨勢主要體現在高可靠性、小型化、免維護、智能化等方面。然而對于常規的空氣絕緣金屬封閉開關設備而言，高可靠性和小型化是相對矛盾的。

為合理解決這一矛盾，需要考慮將裸露的空氣絕緣改為封閉空間的內絕緣，這是一種很好的思路,既能兼顧高可靠性，又可以實現小型化。基于這一理念,很多企業推出了以六氟化硫氣體（SF6）作為封閉氣箱絕緣介質的六氟化硫氣體絕緣開關設備。該設備一經推廣，立即受到了廣泛應用和認可。但由于六氟化硫氣體被定為受限制的溫室氣體，因而在高壓開關行業應盡量減少六氟化硫氣體的用量和排放量。此，開發一種環保型的氣體，用以替代六氟化硫是十分必要的。

1 氣體環保化的研究

1.1 各類氣體的比較

在可選擇的環保型氣體中,主要是氮氣（N2）和空氣。空氣的成分包含氮氣、氧氣和水分，其中氧氣、水分對電氣設備的電接觸絕緣具有氧化和腐蝕作用，對電弧具有無法隔離和熄滅的隱患，如果將空氣中的氧氣、水蒸氣等成分去除，剩下的就是氮氣，因此選擇氮氣作為環網開關柜的環保型絕緣氣體是一個不錯的選擇，表1是幾種氣體的物理特性比較。

由表1可以看出，氮氣在熱傳導、絕緣性方面比六氟化硫略差，因此使用氮氣作為絕緣氣體時，應綜合考慮環網柜結構的合理布局和優化設計。

1.2 氮氣的擊穿強度研究

在一些不是很均勻的電場中，六氟化硫的耐電強度相對要高很多，比干燥的空氣和氮氣的耐電強度要高出1.5～2倍。因為這一特性，六氟化硫氣體的擊穿電場得到很好的模擬，并廣泛應用于很多低壓力和高壓力氣體的設計中。

氮氣和空氣的耐電強度相比基本一樣。在進行擊穿試驗時，一般采用的都是棒—棒或者是棒—板電極，在特定的大氣壓強度下進行。氮氣的強度相對于空氣有以下偏差：進行試驗的電極棒的直徑相差10～60mm，兩電極間的凈距偏差為10～100mm。根據實驗的結果，氮氣和空氣的相對強度偏差在0.85～1.25左右。所以在進行氮氣絕緣環網柜的設計時，所達到的擊穿電場強度就可以按照空氣擊穿電場強度，根據經驗式進行大致的計算，并把0.85作為絕緣裕度系數。這樣可以估算出空氣在絕緣的條件下，常見的開關柜中所遇到的圓柱間以及圓柱對板的擊穿電場強度，這就是經驗式：

表1

式中：Eb表示擊穿電場強度，國際單位是kV／m；r表示電極的半徑，國際單位是m；δ表示一個標準大氣壓下的相對氣體的密度。

將相關參數帶入計算公式：

由于氮氣和空氣之間具有相對電氣強度，取最小偏差0.85作為絕緣裕度系數，通過計算公式可得，擊穿電場強度為：0.85×3840kV/m=3264kV/m，這個結果滿足氮氣的絕緣條件。

1.3 氮氣的耐電強度研究

在均勻或稍不均勻的場中,氮氣的擊穿強度與電氣間隙距離有關，電氣間隙距離越大，耐電強度越好,經過試驗分析,如圖1所示。

圖1

1.4 氣壓對氮氣電性能的影響

在一些特定的沖擊電壓的作用下，比如工頻、直流以及雷電。在均勻的或者是不太均勻的電場中，在一定的范圍內，氮氣的耐電強度和氣壓基本上呈線性關系。這個規律在不均勻的電場中卻不適用，氮氣在極不均勻場中，在直流或者是工頻電壓的作用下會出現駝峰現象；但是在沖擊或者是快速而短暫的電壓作用下，氮氣的擊穿電壓與氣壓也呈基本的線性關系。在設計環網柜時，一般采用的都是均勻場，或者是稍不均勻的電場，所以我們可以認為氮氣和氣壓基本上呈現線性關系。再依據前面所提到的計算式，我們就可以大致估算，在環網柜結構合理的情況下，用氮氣取代純六氟化硫需要的氣壓值。試驗分析表明，在真空的內部滅弧結構中，可以很好地減少對氮氣的氣壓值限制，只要采用微正壓就可以實現結果。

2 結語

通過特定的結構設計以及合理的充注氮氣，在12～24 kV的電壓等級下，我們通常采用低壓力下的氮氣絕緣作為主要部分，局部采用的是復合絕緣，這樣就可以實現環網柜絕緣氣體的環保化，即采用環保綠色無污染的氮氣替代難分解溫室效應顯著的六氟化硫氣體。

（1）把氮氣當做絕緣的介質，絕緣的設計是環網柜研制的重點環節。我們需要優化電極形態，合理布局來實現這一要求。考慮到不同部位絕緣可能失效的方式不同，因此絕緣結構的優化設計需要因結構而異。

（2）采用復合絕緣是降低氮氣介質內電場強度的有效方法，但是要想有效降低把氮氣作為介質的電場強度，需要有一定厚度以及強度的復合絕緣層。

（3）在絕緣的純氮氣中，我們需要特別注意如何選擇母線的直徑。相對較大的直徑，可以使得絕緣幾何特性的系數之間的間距得到降低，這樣可以得到相對比較低電場的不均勻系數。所以氮氣絕緣柜需要保證電場的不均勻系數為2～3，這樣獲得的絕緣距離較小，柜體尺寸得到較低。

（4） 采用真空和屏蔽環的方式是降低氮氣介質內電場強度，實現斷口絕緣水平的有效途徑。由于斷路器特有的結構特點，所以當開關在分閘的位置，氣室中的高壓導體可以中斷隔離的斷口，這就導致了斷口處的電場比較集中，絕緣也就很薄弱。在12kV的電壓等級之下，氮氣在絕緣中，如果采用的是傳統的六氟化硫氣體，絕緣環網柜的斷口處的閘刀形式，就會需要比六氟化硫大很多的氣體絕緣的空間尺寸，這樣就不能實現使得六氟化硫氣體絕緣環網柜具有相似的尺寸。

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