空氣絕緣的優(yōu)化設(shè)計

摘要：本文以72.5 kV HGIS空氣絕緣設(shè)備為例，深入研究了空氣絕緣的優(yōu)化設(shè)計。本文通過對CO2、N2、干燥空氣的絕緣特性進行比較分析，設(shè)計出一種新型72.5 kV單斷口真空斷路器和HGIS樣機。本設(shè)備不會產(chǎn)生溫室效應(yīng)氣體或者無毒污染氣體，促使高壓開關(guān)設(shè)備具有了環(huán)保性能，有助于環(huán)境的綠色可持續(xù)發(fā)展，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：72.5 kV；HGIS；空氣絕緣；優(yōu)化設(shè)計

當(dāng)前我國輸變電設(shè)備行業(yè)亟待解決的一大重要問題，就是對SF6的利用和排放進行有效減少或者杜絕。針對SF6，德國電力企業(yè)對其深入評估了它在開關(guān)設(shè)備全壽命過程的情況，即便嚴格根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)來有效管理SF6，在實際生產(chǎn)和運用過程中，還是至少會有20%的SF6排放在大氣中，嚴重污染環(huán)境。尤其是部分安裝工作人員在現(xiàn)場進行檢修過程中，因自身缺乏環(huán)保意識，常常會忽略回收SF6，導(dǎo)致出現(xiàn)向大氣中隨意排放SF6，對周邊環(huán)境造成極為嚴重的污染后果。因此，當(dāng)前我國電力設(shè)備制造企業(yè)的一大研發(fā)熱點，就是無SF6環(huán)保氣體充氣絕緣開關(guān)設(shè)備。為對SF6避免使用，中壓配電開關(guān)設(shè)備制造領(lǐng)域可以選擇以下兩種方法，即：其一，選用N2、干燥清潔空氣等環(huán)保氣體，或者選用其他類型的環(huán)保型絕緣氣體，以取代SF6，相應(yīng)地，電流開斷主要對真空熄弧技術(shù)進行利用，常將其稱為環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備；其二，將氣體絕緣介質(zhì)被替換為固體絕緣，電流開斷主要對真空熄弧技術(shù)進行利用。常將其稱為固體絕緣開關(guān)設(shè)備。針對以上兩種技術(shù)，它們均具有自身的獨特優(yōu)勢。因為固體絕緣開關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)非常緊湊，無需監(jiān)測氣壓，所以當(dāng)一些場合中的額定電流等級、環(huán)網(wǎng)柜不太高時，選用固體絕緣開關(guān)設(shè)備是比較合適的，當(dāng)一些場合中額定電流等級較高時，選用環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備是比較合適的。本文以空氣絕緣的72.5 kV HGIS設(shè)備為例，深入研究了空氣絕緣的優(yōu)化設(shè)計，具有重要意義。

1 環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)

迄今為止，在我國開關(guān)柜系統(tǒng)中廣泛使用了SF6絕緣氣體。不過SF6這種氣體在使用過程中，常常會導(dǎo)致全球變暖現(xiàn)象的發(fā)生。為能夠?qū)F6絕緣氣體的使用量進行有效降低，在最近幾年中，很多專家均對其進行了大量的深入研究。不過到目前為止，仍未找到在高壓領(lǐng)域中可以取代SF6的一種絕緣氣體，特別是能夠用作開斷介質(zhì)的一種絕緣氣體。而在中壓領(lǐng)域中，隨著真空開斷技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，促使絕緣氣體用于開關(guān)設(shè)備的絕緣介質(zhì)變成了一種可能。在當(dāng)前發(fā)展背景下，本文深入研究了N2、CO2、干燥空氣在各種氣壓條件中的絕緣性能，同時成功將N2、干燥空氣作為中壓開關(guān)設(shè)備的絕緣氣體，并將其投入到72.5 kV HGIS產(chǎn)品中進行使用，獲取比較好的效果。

1.1 N2、CO2、干燥空氣的絕緣性能

和N2、CO2相比，干燥空氣的絕緣性能更高一些，特別是當(dāng)氣壓大于0.05MPa時，在N2、CO2、干燥空氣這3種氣體中，絕緣性能最低的就是CO2。針對N2、干燥空氣，二者的絕緣性能在O2的影響作用下有所提高，當(dāng)氣壓小于0.05MPa時，和N2、干燥空氣相比，CO2的雷電沖擊耐受電壓高更高一些。

通過以上深入分析，同時因CO2氣體的溫干燥空氣能夠作為中壓CGIS的絕緣介質(zhì)，所以通過利用電場分析軟件，對其進行進一步優(yōu)化。通過分析和優(yōu)化母線形狀，能夠有效優(yōu)化環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的設(shè)計，對電場設(shè)計進行有效優(yōu)化，以有助于設(shè)備絕緣性能的有效提高。

1.2 絕緣結(jié)構(gòu)模塊化技術(shù)的深度開發(fā)

隨著我國開斷技術(shù)水平、高壓元件插接技術(shù)水平的不斷提高和絕緣結(jié)構(gòu)的不斷改進，空氣絕緣結(jié)構(gòu)變得越來越靈活、統(tǒng)一、簡單化。積木式結(jié)構(gòu)主要組成基本模塊，包括隔離開關(guān)氣室、斷路器氣室。而以上基本模塊在通過有效組合或者派生后，便會形成單母線、雙母線和他柜型。且不同氣室是互相獨立，互不影響的。根據(jù)對上述文中模塊的設(shè)計和開發(fā)，72.5 kV HGIS絕緣設(shè)備的電氣主接線，如下圖所示。

72.5 kV HGIS 絕緣設(shè)備的電氣主接線圖

2 環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的特點和性能

在維修傳統(tǒng)敞開式開關(guān)設(shè)備（AIS）時，一定要對斷路器的維護檢修、拆卸進行全面考慮，因此在整個安裝過程中，便會出現(xiàn)差異現(xiàn)象，出現(xiàn)局部故障問題或者過熱現(xiàn)象。實際上，在維護AIS過程中，危險事故的發(fā)生概率是非常高的。對于傳統(tǒng)AIS設(shè)備，它并非屬于免維護產(chǎn)品，這種產(chǎn)品的可靠性比較小。對于環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備，因為選用了密封設(shè)計，不會影響海拔和周邊環(huán)境，無論在何種環(huán)境中，均可以選用環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備。另外，因為真空斷路器的使用壽命比較長，所以無需對其進行檢修，因此環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備屬于免維護產(chǎn)品，具有很多優(yōu)點，如可靠性較高、操作安全性較高、使用壽命長等。和傳統(tǒng)開關(guān)設(shè)備相比，環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的占地面積偏小，使用的材料不多，具有很多優(yōu)勢，所以環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的發(fā)展趨勢。

3 小結(jié)

本文以72.5 kV HGIS空氣絕緣設(shè)備為例，深入研究了空氣絕緣的優(yōu)化設(shè)計，得出以下結(jié)論：

（1）通過對CO2、N2、干燥空氣進行絕緣性能試驗后發(fā)現(xiàn)，和CO2、N2相比，干燥空氣的絕緣性能更好，能夠作為環(huán)保氣體絕緣。

（2）通過進行進行絕緣優(yōu)化設(shè)計，成功開發(fā)出72.5 kV HGIS絕緣設(shè)備。

（3）環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備不需要運用充氣裝置和SF6，不會產(chǎn)生有毒的電弧分解物，便于維修。

參考文獻：

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[2]漆振俠.我國進口SF6開關(guān)設(shè)備調(diào)查綜述[J].華中電力，2018（S1）.

作者簡介：宋方龍（1988），男，寧夏人，大專，助理工程師，研究方向：工業(yè)電氣。