敞開式SF6 斷路器氣室保溫系統設計

（錫林郭勒電業局，內蒙古 錫林浩特 026000）

0 引言

在我國北方，尤其是新疆西北部、內蒙古北部及東北部、哈爾濱北部等地區，冬季最低冬季氣溫可達-30 ℃以下，極端天氣情況下最低氣溫可達-40 ℃。目前，在超、特高壓電力系統中，以SF6作為絕緣介質的GIS 設備應用廣泛［1］，SF6氣體具有良好的絕緣性、滅弧性，被廣泛推廣和應用在各種氣體絕緣電氣設備中［2］。然而，常規SF6斷路器滅弧室內SF6氣體的液化溫度一般為-30 ℃，冬季極寒天氣下SF6氣室氣壓已經低于正常工作閉鎖壓力，高壓斷路器的正常絕緣及開斷特性受到極大威脅［3］，根據最新《國家電網公司十八項電網重大反事故措施》，日溫差大和低溫地區應采取戶內布置，而目前寒冷地區的220 kV變電站大多采用戶外布置，運行時若不采取應對措施，絕緣介質的液化以及操作機構的低溫劣化將導致斷路設備無法正常運行，嚴重影響電網的安全穩定運行［4］。

目前，針對GIS 設備低溫環境下穩定運行的保護措施主要有以下幾類：降低SF6氣室氣壓、加注其他氣體混合、安裝加熱裝置等。通過減少SF6氣體的壓力來降低SF6氣體的液化臨界溫度，使電路斷路器操作能力在低溫環境中得到很大提升，但這將降低其滅弧能力及絕緣斷路器的性能［5］；為降低SF6氣體的液化臨界溫度，可在純SF6氣體添加N2、CF4或CO2氣體，然而該方法加速了氣體絕緣性能的劣化，應用范圍也非常有限［6］；解決斷路器低溫報警閉鎖異常現象的另一種方法就是直熱式或外包伴熱式對設備本體SF6氣體進行加熱，罐式SF6斷路器普遍使用此方法，因為其外殼接地，且金屬外殼的導熱性好［7］，而對于SF6瓷柱斷路器來說存在一定難度，因其散熱面積大，瓷套外表面不能增加加熱裝置，只能加裝在滅弧室的拐臂箱上，加熱效果受限［8］。針對敞開式SF6斷路器的結構特點和性能參數，設計智能控溫的保溫系統來防止氣室內SF6氣體液化，提升氣體壓力，保障SF6斷路器在極低溫環境狀態下穩定運行是非常必要的。

1 敞開式SF6 斷路器

1.1 主要結構及性能特點

SF6高壓斷路器是利用SF6氣體作為滅弧和絕緣介質的斷路器，SF6高壓斷路器在結構上可分為支柱式和罐式兩種，根據電壓等級的不同支柱瓷柱式結構又可分為單斷口和雙端口兩種。針對瓷柱敞開式SF6斷路器進行研究，該斷路器的滅弧室采用自能式滅弧結構，分閘時，壓氣缸內的SF6氣體在壓力的作用下通過噴口噴向燃弧區域，使電弧熄滅。

SF6氣體屬于穩定性較高的負電性氣體［9］，是一種無色無味、無毒阻燃、導熱性強的惰性氣體，其本身具備良好的絕緣和滅弧能力，弧間隙的高溫致使SF6氣體分解為氟原子、硫原子和少量氟化物，可吸附大量空間中的電子并集聚于SF6氣體分解產物周圍，起到了隔絕的效果，且其絕緣和滅弧的能力隨氣體壓力逐漸增大而不斷增強。

1.2 存在的問題

SF6高壓斷路器雖然具備絕緣能力強、開斷能力好等多項優點，但在實際應用過程中，仍存在許多問題，給設備安全運行和維護帶來隱患，具體為：1）設備安裝、連接過程中留有空隙，導致氣室氣體泄漏；2）SF6氣體中含有雜質或水分，降低絕緣、滅弧能力；3）氣室溫度過高導致SF6氣體分解反應產生腐蝕性物質，破壞密封材料；4）氣室氣壓不足，絕緣、滅弧能力減弱。

然而，SF6斷路器的絕緣和開斷滅弧性能的優良，主要取決于氣室SF6氣體壓力的大小，而極寒天氣將導致環境溫度逐漸下降，SF6氣室氣壓隨之逐漸減小，內部氣體出現液化，SF6斷路器的機械特性和動作速度逐漸滯后，SF6氣體的滅弧反應時間增加、分解反應效率削弱，斷路器吹弧絕緣能力降低，進一步給設備運維帶來安全隱患；在極端天氣的狀況下SF6氣體的液化給電網系統安全運行帶來巨大的威脅，頻繁的故障也將給電網系統帶來巨大損失。表1所示為氣溫對SF6氣室壓力的影響［4］。

表1 氣溫對SF6 氣室壓力的影響

由表1 可知，隨著環境溫度的逐漸降低，SF6氣體的絕對壓力呈下降趨勢，正常的SF6氣體在-30～-25 ℃時，其液化的壓力一般在0.60 MPa 左右，由于溫度對氣室氣壓的影響，在-30 ℃的狀態下SF6氣體即出現液化情況。然而，在我國北方多數地區，冬季溫度出現多次-30 ℃，甚至部分地區氣溫能夠達到-40 ℃，電網系統SF6斷路器的穩定運行環境將受到破壞，頻繁出現斷路系統告警和閉鎖的現象。

2 加熱保溫系統設計

2.1 系統結構設計

該保溫系統利用2 mm 厚不銹鋼外殼將SF6氣室及機構整體密封包裹，敞開式斷路器的氣室整體由機構箱包裹，在保溫箱前端不銹鋼殼體設有透明有機玻璃觀測窗便于對內部壓力表、溫控儀及加熱裝置進行外部觀測，保證在內部溫度場環境不被破壞的情況下進行現場運行勘查；不銹鋼保護殼體內層包裹高密度橡塑防火保溫棉，具有良好的延展性和柔韌性，便于保溫箱內壁無縫隙貼合安裝，能夠有效減弱外部冷空氣與內部保溫環境的對流換熱，達到了保護和內外隔絕的效果。同時，在箱體內安有溫控儀、伴熱帶及3 組JRD2-3 鋁合金加熱器，實現保溫箱體內溫度智能控制。該保溫系統在不破壞斷路器本體的情況下，在氣室外層加裝保溫防護殼體，通過智能溫控儀調控保溫箱內的溫度，保證氣室SF6氣體的壓力穩定。220 kV 瓷柱式敞開式SF6斷路器加裝保溫系統結構如圖1（a）所示，其現場安裝效果如圖1（b）所示。

2.2 主要控溫裝置

控溫系統選用PY-SM5 型LCD 高精度智能溫控器（溫控精準度0.1 ℃，實測溫度、啟停溫度同時液晶顯示）作為溫度智能監控裝置，具體參數如表2 所示，能夠實時高精度檢測保溫箱內的環境溫度，同時，能夠及時做出溫度調節反饋動作，控制加熱裝置進行升溫，保溫箱內共安裝有3 組JRD2-3 鋁合金加熱器，氣室外壁、固定鋼筋上均纏繞伴熱帶，增加換熱面積，實現快速升溫的效果。

圖1 220 kV 瓷柱敞開式SF6 斷路器加裝保溫系統

表2 LCD 高精度智能溫控器參數

JRD2-3 鋁合金加熱器（電壓為AC220 V，功率為100 W）因其加熱效率高、控制方法簡單等優點，廣泛用于高壓開關柜、端子箱、箱式變電站等電力設備祛濕，防凝露，提高電器元件工作環境溫度，避免由于開關設備內部發生凝露而產生的爬電及閃爍事故。

功率較大的3 組JRD2-3 鋁合金加熱器呈三角狀排列布置于SF6氣室下端約300 mm 位置，低功率電加熱伴熱帶緊貼均勻纏繞于氣室及四組固定鋼筋外圍，增加了換熱面積，且受熱范圍均勻。當環境溫度極低時，加熱器通電使周圍局部空間內空氣快速受熱膨脹，箱體內冷氣流被熱氣流擠壓向箱體四周擴散，受擠壓擴散的冷空氣在箱體四周伴熱帶的作用下繼續受熱膨脹和再循環，整個箱體內部的熱氣流由SF6氣室中央向箱體四周不斷往復循環，實現箱內快速升溫；當箱體內溫度逐漸接近預設溫度時，加熱模式轉化為低功率伴熱帶單獨加熱，使溫度逐漸維持在預設溫度±2 ℃范圍內波動，保障SF6斷路器氣室氣壓穩定。

2.3 控溫效果測試

現場安裝測試前進行控溫效果測試實驗。將設計好的保溫箱體，模擬現場安裝方式布置加熱器和伴熱帶，首先將整個箱體通電置于室內環境下（20 ℃左右），待溫度示數逐漸穩定時，將機構整體置于室外寒冷環境狀態下（最低氣溫-32 ℃左右），記錄箱體內、外部環境溫度動態變化情況，記錄結果如圖2所示。

圖2 保溫箱控溫效果溫度曲線

測試結果顯示：環境溫度突然驟降時，由于保溫箱具備一定的保溫能力，在一段時間內保溫箱內的溫度緩慢下降，但在沒有發熱源的情況下，箱體內溫度難以持續維持長久；受外界冷空氣影響，箱內溫度快速下降至-10 ℃以下后，箱內加熱裝置快速啟動提升溫度，可在10 min 之內快速遏制箱內溫度繼續下滑，并在伴熱帶的控溫調節下逐漸趨于穩定，穩定后的箱內溫度在設定溫度±2 ℃范圍內波動，可滿足現場斷路設備的正常運行所需溫度。

3 現場試驗

保溫箱試驗運行及數據監測安排在錫林郭勒盟地區某一電網現場進行，試驗共選取了該廠區位置相對靠近的兩組（1 號、2 號）220 kV 瓷柱敞開式SF6斷路器分別進行，該兩組斷路器各類工作參數均相同，由同一廠家統一安裝，運行時間相同，日常運行維護狀態相同。

保溫箱體安裝在2 號斷路器上，1 號機組未做任何處理，選取事故多發時間段連續觀測多天斷路器運行狀態，分別對1、2 號機組的各項參數統計匯總，其中部分試驗結果數據如表3 所示。對1、2 號機組斷路器氣室外層溫度監測記錄對比分析的結果如圖3 所示。

表3 部分現場試驗監測數據統計

圖3 1 號、2 號監測數據結果曲線

結果顯示：SF6斷路器外部加裝保溫箱設備具有良好的保溫效果，通過現場對比試驗驗證，該保溫裝置能夠使斷路器氣室壓力保持在0.56 MPa 及以上，2 號加裝保溫箱的斷路器氣室外層溫度較未加裝保溫箱的1 號機組平均溫度高出25 ℃左右；且13 天對比試驗過程中，1 號斷路器共發生告警和閉鎖現象各10 次，2 號斷路器未發生任何現場事故；該保溫能夠根據外界環境溫度情況快速做出反應，控制加熱器和伴熱帶的協調加熱，保證斷路器氣室周圍溫度在極寒狀態下仍能維持箱體內溫度在較小的范圍波動，有效解決了SF6斷路器在低溫狀態下的不穩定運行狀況。

4 結語

敞開式SF6斷路器氣室保溫系統的優勢包括：安裝、拆卸方便，加熱、保溫效果良好，非常適用于極寒地區敞開式SF6斷路器的使用；自適應能力強，智能化程度高，能夠根據環境溫度變化，快速調節保護體內部的溫度；整體系統結構設計合理，適合外部巡檢人員檢修、操作及調試；適應范圍廣、應用成本低，具有很強的推廣和應用價值。

該系統對解決SF6斷路器極端環境存在的告警、閉鎖問題具有重要意義，是高電壓GIS 設備安全穩定運行的有力保障，對電網的高效運行帶來了收益，有效減少經濟損失和人員不必要的勞動量。