防止126kVGIS斷路器SF6氣體液化加熱結構的設計

摘 要：本文通過對SF6氣體的液化溫度的計算，分析比較不同額定氣壓下SF6氣體的液化溫度，并通過試驗得出不同氣溫下防止126kVGIS斷路器液化的加熱功率，提出斷路器加熱結構的新型設計，討論新型設計對GIS運行可靠性的影響。

關鍵詞：組合電器；防止液化；電加熱結構

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.176

1 引言

氣體絕緣金屬封閉開關設備（以下簡稱GIS組合電器）對于電網而言，是重要的輸變電設備之一，其安全可靠性對電網的安全運行至關重要。

現在國內日趨發展的城市化建設，對輸變電設備的小型化設計尤為突出。尤其體現在GIS組合電器上，如上海、江蘇等電網公司，由于GIS室面積小，間隔間距普遍要求在1米以內，更有甚要求做到0.8米。這對GIS組合電器來說，要有更小型化的設計，突出的設計要求就是GIS組合電器內部的導體絕緣距離縮小。絕緣距離的縮小，就要連帶SF6氣體氣壓盡可能的高。但是高壓力SF6氣體在極寒地區使用易液化，這對設備的絕緣是致命的，嚴重的會影響GIS組合電器的安全運行。

基于此原因，現亟需設計一款新型的加熱裝置安裝于斷路器內，具有結構簡單、安裝方便、成本低廉以及較高的運行穩定性特點，并滿足于戶外不同低溫氣候設備的運行要求。

2 SF6氣體的絕緣性能

SF6氣體無色、無味、無毒，化學性質穩定，不易分解，熱穩定性極高。SF6氣體是優良的絕緣介質，其分為氣態、液態及固態。液態、固態時，絕緣滅弧性能幾乎為零。在均勻電場中，SF6氣體絕緣性能極高，其氣體間隙越大，壓力越大，絕緣性能越好，在均勻電場中，他的擊穿場強是空氣的3倍[1]。但SF6氣體壓力增加到0.6MPa以后，壓力增高，絕緣性能增加量減小，即超過0.6MPa后，再增加SF6氣體壓力，不利于GIS組合電器廠精益化生產。本文以某GIS廠126kVGIS組合電器額定氣壓為0.6MPa為例。

3 SF6氣體的液化溫度

現典型的計算SF6氣體壓力與溫度的關系，可使用Beattie-Bridgman經驗公式[2]：

P=0.58×10-3γT（1+B）+γ2A

A=0.764×10-3（1-0.727×10-3γ）

B=2.51×10-3γ（1-0.846×10-3γ）

式中 P—壓力，kgf/cm2（絕對壓力）；

γ—密度，kg/m3；

T—溫度，K。

由此可計算出SF6氣體在0.6MPa時的液化溫度為-26℃，0.5MPa時的液化溫度為-31℃，0.4MPa時的液化溫度為-36℃。

4 極寒地區防止SF6氣體液化的設計與分析

目前用于高海拔地區的126kVGIS組合電器設備，各生產廠家的設計方案主要采用以下三種措施防止氣體液化：

（1）降低氣壓。由上可知，SF6氣體氣壓每降低0.1MPa，其液化溫度會降低5攝氏度。GIS組合電器，斷路器SF6氣體壓力一般不能低于0.3MPa，按照極端情況，采用SF6氣體降壓的方式，最多能做到-41℃運行。不能滿足更極端寒冷地區對GIS組合電器的安全使用要求。SF6氣體氣壓的降低，設備的絕緣性能也會降低，這對生產廠家設備的絕緣裕度有一定關系。對部分變電站的小型化設計要求不利。

（2）在SF6氣體中混合N2等氣體。目前有部分生產廠家也采用這個方式進行設計。由于混入了N2氣體，由于N2氣體是有極分子，混合氣體的絕緣性能大概為純SF6氣體的85%，而為了保證絕緣性能不變，需對混合氣體的氣壓提高，一般需提高15至20個百分點[1]。這種方式效果較好，但是其混合比例不容易掌握，滅弧室結構也相對純SF6氣體的GIS組合電器更加復雜。而增加的額外的其他，對斷路器動端阻力也最值增加，其斷路器機構能量要求更高，對GIS組合電器生產廠家來說，按此方式設計要付出高額的研發、試驗等費用，經濟成本較高。

（3）采用外部加熱裝置。結構為板裝結構的伴熱帶、測溫裝置，包裹在斷路器殼體的外端。此技術在早期的GIS設備上已經使用多年。效果明顯。但是由于其完全暴露在戶外，伴熱帶容易產生腐蝕、短路等損壞現象，導致伴熱帶頻繁的維修更換，增加了維護成本；暴露在外，會使大量的熱氣量發到空氣中，造成熱能的浪費，加熱效率不高；影響美觀；安裝位置不固定，需要過多的使用連接板、搭扣等設備連接，增加了安裝難度，安裝工作量過大；成本較高。

5 極寒地區防止SF6氣體液化的新型設計

基于以上原因，考慮采用一種新型加熱裝置，即電加熱管，安裝于斷路器下底板內，避免裸露在外。

（1）設計要求。安裝到126kVGIS組合電器斷路器下底板內，設計簡單，維護方便。由于SF6氣體在0.60MPa時液化溫度為-26℃，為確定加熱棒功率以及數量，需做一系列試驗，保證設備在極端氣候下，斷路器內溫度不低于-26℃。即環境溫度為-35℃時，安裝加熱棒后溫升要不小于10K。境溫度為-40℃時，安裝加熱棒后溫升要不小于15K。

（2）制定對策。為考慮加熱效果，需確認涂導熱脂、加保溫層，電加熱管功率及數量納入試驗項目。

（3）對策實施。考慮加熱功率、加熱棒數量以及導熱脂、保溫層對GIS組合電器斷路器內SF6氣體溫升的影響。分別做六組試驗，試驗一和試驗二不加保溫層，不涂導熱脂，試驗三至試驗六加保溫層，涂導熱脂。具體試驗細目如下：試驗一使用300W電加熱管（3根）、試驗二使用300W電加熱管（6根）、試驗三使用300W電加熱管（3根）、試驗四使用400W電加熱管（3根）、試驗五使用300W電加熱管（4根）、試驗六使用300W電加熱管（5根）。

并按照圖1的7個測量點測量溫升。

（4）效果及效益分析。由于加熱8小時后，試驗各個溫升點溫升基本保持恒定，以8小時后試驗數據為例，并取測溫點4（臨近下底板附近SF6氣體溫升）、測溫點5（斷路器遠端SF6氣體溫升）、測溫點6（電流互感器最遠端SF6氣體溫升）數據，數據如下：

試驗一：測溫點4溫升為8K，測溫點5溫升為10.8K，測溫點6溫升為8.9K； 試驗二：測溫點4溫升為20K，測溫點5溫升為18.7K，測溫點6溫升為15.1K； 試驗三：測溫點4溫升為14.8K，測溫點5溫升為13.7K，測溫點6溫升為11.5K； 試驗四：測溫點4溫升為12.5K，測溫點5溫升為13K，測溫點6溫升為10.8K； 試驗五：測溫點4溫升為13.3K，測溫點5溫升為13.1K，測溫點6溫升為10.8K； 試驗六：測溫點4溫升為20.6K，測溫點5溫升為17.7K，測溫點6溫升為14.8K；

數據分析：

1）關于導熱脂、保溫層對加熱溫升的影響，試驗一加熱8個小時，斷路器氣室最近端氣體溫升不到10K，試驗三3小時可達到13.2K。

結論：涂導熱脂、加保溫層對斷路器加熱有利。

2）試驗三與試驗六對比：

分析：試驗三與試驗五效果相差不大，都滿足溫升要求；試驗六效果更好，與加熱面積大、加熱功率高有關。

結論：根據試驗效果及經濟性，可將3*300W用于-35℃低溫戶外工程；5*300W用于-40℃戶外工程。

設計過程需考慮下底板尺寸，電加熱管過長，下底板安裝孔不易加工；電加熱管過短，會影響加熱效果。同時要考慮GIS組合電器斷路器外筒壁尺寸，如電加熱管分布不均勻，有效斷路器伸入尺寸過小均會影響加熱效果。

6 結束語

隨著GIS組合電器在電力系統中得到越來越廣泛的應用。電力系統多樣化的需求要求GIS組合電器廠家不得不考慮極寒地區GIS組合電器運行安全的經濟性。本電加熱管加熱結構同現有技術相比，將加熱結構從組合電器的外部移入了組合電器的內部，完全避免了因為暴露在外從而造成損壞和浪費的現象，同時在設計中使加熱器進行交叉排布，使得加熱結構在工作中所散發的熱量更加均勻，使組合電器中的氣體得到充分的加熱，避免液化的產生；在位置上將原本包圍一圈的伴熱帶改為了鋪設在底部的加熱結構，利用了熱氣上升蒸騰的原理，充分利用了電熱器散發出來的熱能，避免了能量的損耗，同時本裝置結構簡易，拆卸也極為方便，只要將電熱器引出線與組合電器中的斷路器相斷開就可完成電熱結構的拆出，既方便快捷又不會損壞裝置，同時維護方便，維護成本也隨之降低。本文對極寒地區GIS組合電器防止液化提供了新的設計思路。目前此結構已經申請專利（專利號：ZL201520460050.8）

參考文獻：

[1]黎斌.SF6高壓電器設計[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2]張宗九，陳少波.SF6氣體壓力和溫度的關系[J].華東電力，2002（09）.

作者簡介：王凱（1989-），男，黑龍江哈爾濱人，本科，助理工程師，主要研究方向：電氣工程及其自動化。