N2 絕緣技術(shù)在40.5 kV C- GIS 中的應(yīng)用研究

李炎光

（河南工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453003）

C-GIS 是箱式氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Cubicle type Gas Insulated Switchgear）的英文簡稱，它具有體積小、不受外界環(huán)境影響、維護(hù)量少、檢修周期長、智能化等優(yōu)點(diǎn)。此外，由于技術(shù)的日趨完善、生產(chǎn)成本的不斷降低，高性能的C-GIS 開關(guān)設(shè)備近年來倍受國內(nèi)外市場的青睞，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于社會的各個(gè)領(lǐng)域，尤其在城市軌道交通建設(shè)方面，40.5 kV C-GIS 開關(guān)設(shè)備已經(jīng)成為其首選設(shè)備，并將成為今后中壓開關(guān)領(lǐng)域的一個(gè)主流發(fā)展方向。

目前在網(wǎng)運(yùn)行的中壓氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備中絕大多數(shù)都采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，這是因?yàn)镾F6氣體具有優(yōu)良的電氣滅弧和絕緣性能，使其在電力設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。但SF6氣體具有嚴(yán)重的溫室效應(yīng)，據(jù)研究SF6氣體溫室效應(yīng)大約是CO2氣體的23900 倍，排放到大氣后SF6氣體的壽命可達(dá)3200 年，環(huán)保性能極差[1-3]。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展以及人類環(huán)保意識的增強(qiáng)，人們對環(huán)境質(zhì)量的要求也越來越高，環(huán)境問題已經(jīng)受到人類的密切關(guān)注，從而直接導(dǎo)致SF6開關(guān)設(shè)備的應(yīng)用受到國際和國內(nèi)環(huán)境的影響。此外，SF6氣體在應(yīng)用中還存在一些不足。如：高寒地區(qū)易液化，價(jià)格昂貴不適于大型充氣開關(guān)設(shè)備，耐電強(qiáng)度受外部環(huán)境影響較大，在電弧作用下易分解出有毒氣體等缺點(diǎn)[4-6]。針對SF6氣體的不足，人們迫切希望使用環(huán)保型氣體來替代SF6氣體，以減少生產(chǎn)成本和環(huán)境的污染，因此，探索少用和不用SF6氣體的可行性成為今后高壓電器制造行業(yè)的發(fā)展方向。

圖2 三工位電極最優(yōu)結(jié)構(gòu)的電場分布云圖

N2是空氣的主要組成成分之一，資源豐富、價(jià)格低廉，采用N2作為絕緣氣體，不會對環(huán)境造成任何影響，而且能降低絕緣氣體的經(jīng)濟(jì)成本等[7-9]。因此，研究利用純N2作為開關(guān)設(shè)備的絕緣介質(zhì)，環(huán)保性能優(yōu)異。盡管N2作為絕緣氣體有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是在同等條件下，N2的絕緣能力僅為SF6氣體絕緣能力的25%～30%，且導(dǎo)熱能力也相對較差。因此，為了滿足開關(guān)設(shè)備絕緣水平和溫升性能要求，文中從主要影響因素進(jìn)行分析探討，研制出一款結(jié)構(gòu)最優(yōu)的開關(guān)設(shè)備，為今后大規(guī)模推廣N2氣體絕緣技術(shù)在中壓開關(guān)設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用奠定一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

1 絕緣性能

影響柜式開關(guān)設(shè)備的絕緣性能的因素有：氣室箱體結(jié)構(gòu)、元器件結(jié)構(gòu)形狀、絕緣氣體水分含量、柜體內(nèi)部清潔程度等，其中箱體結(jié)構(gòu)、元器件結(jié)構(gòu)形狀等對內(nèi)部電場分布的影響最大。因此，為了減少或避免不均勻電場結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，本研究主要從對電場分布影響最大的氣箱結(jié)構(gòu)、元器件結(jié)構(gòu)等因素方面來分析研究其對設(shè)備絕緣性能的影響，從而完成設(shè)備的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和安裝工藝優(yōu)化，進(jìn)而改善設(shè)備的絕緣性能，保證整柜的安全可靠性。

1.1 氣箱殼體結(jié)構(gòu)

C-GIS 的大部分高壓元器件都安裝在氣箱內(nèi)，這就要求氣箱具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，保證柜體的變形量在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，以滿足絕緣性能要求。本研究的C-GIS 的所有氣箱外殼均采用304 不銹鋼薄板，氣箱間通過螺栓連接而成，為了使氣箱能夠承受絕緣氣體在不同狀況下的壓力，且在相同條件下做到質(zhì)量最輕化。為此，通過大型的商用仿真軟件Solidworks 的仿真模塊對采用不同板厚、加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)和位置布置的氣箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析計(jì)算，其最優(yōu)的仿真結(jié)果如圖1 所示。

圖1 最優(yōu)氣箱結(jié)構(gòu)的最大形變量圖

從圖1 可以看出，氣箱在設(shè)計(jì)壓力條件下的最大形變量在2mm 以下。相對于純SF6氣體絕緣的開關(guān)設(shè)備，在不改變柜體的長、寬、高條件下，其質(zhì)量增加了約5%，生產(chǎn)成本和安裝難度幾乎未增加。

根據(jù)N2氣體絕緣的特點(diǎn)，還需要考慮氣箱的氣密性，本研究的C-GIS 的氣箱殼體采用激光焊接工藝，這不僅保證了氣室極低的泄露率，而且還保證了氣箱殼體焊接的美觀性。

1.2 電極結(jié)構(gòu)

電極結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)是保證電場分布合理、絕緣性能可靠的關(guān)鍵因素之一，合理的電場分布可減少或避免閃絡(luò)和放電現(xiàn)象的發(fā)生。因此在實(shí)際的電場結(jié)構(gòu)中常要求接觸部分的電極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，表面光滑過渡，從而使得電場分布盡可能均勻。本研究主要通過對電極形狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而改善電場分布，提高設(shè)備絕緣性能。

SF6開關(guān)柜的三工位電極常設(shè)計(jì)成空心圓柱體結(jié)構(gòu)，這與SF6絕緣氣體的絕緣性能有關(guān)。在N2絕緣開關(guān)柜中，該結(jié)構(gòu)形狀的電極電場分布極不均勻，為此進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，如圖1 所示。從圖中可以看出，設(shè)計(jì)成4段大圓弧結(jié)構(gòu)的三工位電極，最大場強(qiáng)滿足設(shè)計(jì)要求，且電極間的電場分布也較為均勻。

1.3 雙排母線結(jié)構(gòu)

在滿足載流量的條件下，斷路器氣室的主回路和母線氣室的主母線處均設(shè)計(jì)成雙排矩形母線結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)的單排母線結(jié)構(gòu)方案相比，雙排母線結(jié)構(gòu)的氣室內(nèi)電場結(jié)構(gòu)分布更為均勻。此外，為了進(jìn)一步優(yōu)化氣室內(nèi)部的電場分布結(jié)構(gòu)，在母線的兩端處均設(shè)計(jì)成半圓頭結(jié)構(gòu)，在其它的“面-面”交匯處設(shè)計(jì)成大圓角過渡結(jié)構(gòu)。

1.4 主母線套管結(jié)構(gòu)

主母線套管的固定方式通常設(shè)計(jì)成氣室內(nèi)部栽螺釘?shù)姆绞竭M(jìn)行安裝固定的結(jié)構(gòu)，如圖3（a）所示，該結(jié)構(gòu)下常在套管絕緣樹脂表面出現(xiàn)閃絡(luò)或放電現(xiàn)象，導(dǎo)致開關(guān)柜絕緣性能較差。

為了改善該處的電場結(jié)構(gòu)，在保證氣箱尺寸不變的前提下，采用改進(jìn)套管結(jié)構(gòu)，同時(shí)把套管固定方式改為氣室外側(cè)固定，其套管結(jié)構(gòu)形式如圖3（b）所示。改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，母線套管處的電場分布較為均勻，絕緣性能良好。

圖3 主母線套管外形結(jié)構(gòu)

1.5 緊固件聯(lián)接工藝

由于N2氣體的絕緣性能相對較低，這就需要對所有可能引起電場分布不均的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在試驗(yàn)過程中，緊固件聯(lián)接處的電場結(jié)構(gòu)易于形成極不均勻電場。為此，氣室內(nèi)部各高壓帶電體連接處的結(jié)構(gòu)均采用“沉頭”設(shè)計(jì)，即開設(shè)階梯孔結(jié)構(gòu)，螺栓、螺母均沉在導(dǎo)體內(nèi)部，不會對電場分布造成不良影響。

2 開關(guān)設(shè)備溫升問題的優(yōu)化

開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)熱現(xiàn)象普遍存在，尤其在開關(guān)柜散熱風(fēng)機(jī)出現(xiàn)故障和季節(jié)性用電高峰期更為明顯[10-12]。該現(xiàn)象在氣體絕緣封閉開關(guān)設(shè)備中尤為突出，這是由于C-GIS 中的高壓元器件密封在充有絕緣氣體的箱體內(nèi)，其散熱條件比較嚴(yán)酷，當(dāng)通過較大額定電流時(shí)，溫升問題愈發(fā)明顯。如果開關(guān)柜發(fā)熱問題得不到有效解決，將會直接引起元器件的機(jī)械性能和電氣性能下降，最后導(dǎo)致故障，甚至造成嚴(yán)重事故。因此，要保證開關(guān)柜的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，在C-GIS 產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中要特別重視開關(guān)柜的溫升問題。

與SF6氣體相比，純N2氣體的導(dǎo)熱能力相對較差。對于溫升問題，本研究的C-GIS 是在保證絕緣性能的前提下，按30%載流裕度設(shè)計(jì)，主要通過增大導(dǎo)體橫截面、減小載流元器件的電阻值來實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)合理。

3 結(jié)論

本文探討了N2氣體絕緣技術(shù)在40.5kV C-GIS 中的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)過程中，本研究根據(jù)氣體絕緣封閉開關(guān)柜研制過程中普遍存在的絕緣和溫升問題出發(fā)，通過優(yōu)化氣箱結(jié)構(gòu)、元器件結(jié)構(gòu)以及安裝工藝等方面進(jìn)行分析研究，得出如下結(jié)論：

3.1 通過氣箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化和激光焊接工藝，保證了氣箱強(qiáng)度和氣密性的要求，保證了設(shè)備絕緣性能。

3.2 采用大圓弧外形結(jié)構(gòu)的電極，改善了局部電場分布結(jié)構(gòu)，使開關(guān)柜電場分布更加均勻，絕緣性能更優(yōu)。

3.3 優(yōu)化元器件結(jié)構(gòu)和安裝工藝，使電場結(jié)構(gòu)分布更均勻，避免了局部場強(qiáng)集中，減少了閃絡(luò)和沿面放電現(xiàn)象。

3.4 在滿足絕緣性能的前提下，通過優(yōu)化母排結(jié)構(gòu)和減小載流元器件的電阻值來改善開關(guān)柜溫升問題。