電加熱方式在SF6開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用

李松琴

（河南平高電氣股份有限公司，河南 平頂山 467001)

我國幅員遼闊，各地氣候差異巨大。在新疆、內(nèi)蒙古及東北地區(qū)，冬季氣溫較低，戶外環(huán)境溫度會(huì)降到-40℃以下，部分地區(qū)甚至達(dá)到-50℃，SF6氣體在這種溫度下會(huì)產(chǎn)生部分液化，導(dǎo)致SF6氣體壓力及密度下降。根據(jù)內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院統(tǒng)計(jì)報(bào)告，在冬季嚴(yán)寒情況下，SF6開關(guān)設(shè)備因氣體密度下降，報(bào)警和閉鎖情況經(jīng)常發(fā)生。在這種情況下，運(yùn)行部門通常的做法是用保溫材料將SF6開關(guān)設(shè)備局部包裹起來，有時(shí)也起到一定作用，但效果不好。對(duì)瓷柱式SF6開關(guān)設(shè)備，由于瓷套外側(cè)無法加裝保溫層，只好采取降低SF6氣壓的辦法運(yùn)行，至使SF6開關(guān)設(shè)備存在安全運(yùn)行隱患。

由于SF6氣體具有優(yōu)良的絕緣性能和開斷性能，而被廣泛應(yīng)用于輸配電設(shè)備領(lǐng)域，如變壓器、組合電器、斷路器、輸電管道、互感器、避雷器等。目前，SF6氣體絕緣設(shè)備已經(jīng)占有了絕對(duì)優(yōu)勢而且還有進(jìn)一步擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的趨勢。當(dāng)SF6開關(guān)設(shè)備用于嚴(yán)寒地區(qū)時(shí)，若發(fā)生SF6氣體的低溫液化，SF6氣體壓力降低到閉鎖壓力值時(shí)，將閉鎖斷路器的跳閘回路，如果這時(shí)線路發(fā)生故障，保護(hù)啟動(dòng)后，而斷路器不能可靠動(dòng)作，將會(huì)引起事故擴(kuò)大，造成保護(hù)越級(jí)動(dòng)作，或者是設(shè)備損壞事故的發(fā)生。為解決SF6開關(guān)設(shè)備在嚴(yán)寒地區(qū)能夠可靠運(yùn)行的問題，國內(nèi)外相關(guān)的研究院（所）和開關(guān)制造廠家對(duì)此進(jìn)行了大量的分析、試驗(yàn)及研制工作，取得了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)和研究成果。其中，采取對(duì)SF6開關(guān)設(shè)備中的SF6氣體進(jìn)行電加熱，使SF6氣體的溫度可以始終高于SF6氣體的液化溫度，就是一種有效的技術(shù)解決方案。

1 SF6氣體的基本特性

SF6氣體是一種無色、無嗅、無毒、不可燃的惰性氣體，同時(shí)是一種分子量很大的重氣體，容易液化，因此與理想氣體模型差異較大，不能采用理想氣體的狀態(tài)方程式進(jìn)行計(jì)算。SF6氣體的3 個(gè)狀態(tài)參數(shù)之間可以用下列經(jīng)驗(yàn)公式表示：

式中，γ為密度（kg/m3），T為溫度（K），P為壓力（MPa）。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，也可利用SF6氣體的狀態(tài)參數(shù)曲線進(jìn)行查找。目前運(yùn)行的SF6開關(guān)設(shè)備的額定SF6氣體壓力，一般設(shè)定為：斷路器氣室0.4～0.6MPa（20℃時(shí)，表壓）；隔離開關(guān)、母線、套管等氣室0.3～0.5MPa(20℃時(shí)，表壓)。這是由SF6氣體特有的物理特性、化學(xué)特性及電特性等所決定的。SF6氣體的臨界溫度很高（約：45.64℃），在常溫下施加2MPa 的氣壓即可液化。根據(jù)已有的研究表明，額定壓力0.6MPa（20℃時(shí)，表壓）， 設(shè)備可以用在-27℃左右；額定壓力0.5MPa（20℃時(shí)，表壓），設(shè)備可以用在-32℃左右；額定壓力0.4MPa（20℃時(shí)，表壓），設(shè)備可以用在-38℃左右。例如：某SF6開關(guān)設(shè)備的額定壓力為0.6MPa（20℃時(shí)，表壓），對(duì)應(yīng)的氣體密度為 46kg/m3，當(dāng)溫度逐漸下降至-27℃時(shí)，SF6氣體開始部分液化，氣體壓力和密度將降低。當(dāng)溫度下降至-50℃時(shí)，密度只有20 kg/m3，對(duì)應(yīng)此密度值，在20℃時(shí)的表壓為0.21MPa。由此可見，由于SF6氣體的低溫液化，造成氣體密度的下降，必然導(dǎo)致SF6開關(guān)設(shè)備的滅弧性能和絕緣性能的降低。

2 SF6開關(guān)設(shè)備中的電加熱方案

采用電加熱裝置對(duì)SF6開關(guān)設(shè)備中的SF6氣體進(jìn)行加熱，可以有效的解決超低溫下SF6氣體的低溫液化問題。電加熱設(shè)計(jì)方案的技術(shù)關(guān)鍵為：在SF6開關(guān)設(shè)備上，增加了SF6氣體電加熱裝置，當(dāng)環(huán)境溫度下降到一定數(shù)值時(shí)（如-25℃），加熱器能夠自動(dòng)投入運(yùn)行，對(duì)SF6開關(guān)設(shè)備內(nèi)的滅弧、絕緣介質(zhì)進(jìn)行加熱；無論環(huán)境溫度如何低（如-50℃），SF6開關(guān)設(shè)備內(nèi)的氣體溫度始終高于SF6氣體液化所需要的溫度，從而很好地解決了嚴(yán)寒地區(qū)SF6氣體低溫液化的問題。

SF6開關(guān)設(shè)備的電加熱設(shè)計(jì)方案中，加熱裝置的熱傳遞方式，包含了熱傳導(dǎo)、熱輻射及熱對(duì)流。針對(duì)SF6開關(guān)設(shè)備的不同結(jié)構(gòu)形式，采取的電加熱方式也略有差別，常用的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有：①在設(shè)備罐體外壁纏繞電加熱帶的加熱方式；②將加熱器插入SF6氣室內(nèi)部，對(duì)SF6氣體直接進(jìn)行加熱。

2.1 罐體外纏繞電加熱帶的加熱方案

圖1為罐式SF6斷路器的典型外形圖，它主要由氣體套管、CT 裝配、斷路器部分、操動(dòng)機(jī)構(gòu)等幾部分組成。針對(duì)罐式SF6斷路器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可采用在罐體外側(cè)加裝加熱裝置，當(dāng)環(huán)境溫度下降到一定數(shù)值時(shí)（如-25℃），加熱器能夠自動(dòng)投入運(yùn)行，人為地向設(shè)備內(nèi)輸入熱量，加熱后的熱氣向上流動(dòng)，套管內(nèi)的冷氣向下流動(dòng)，從而通過SF6氣體的熱對(duì)流、熱傳導(dǎo)、熱輻射進(jìn)行能量傳遞，確保設(shè)備內(nèi)的SF6氣體溫度始終高于SF6氣體液化溫度。

這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)已被國內(nèi)外部分開關(guān)制造廠家所采用，并取得了寶貴地使用經(jīng)驗(yàn)。如：國內(nèi)某公司生產(chǎn)的LW13—550 型罐式SF6斷路器，為解決產(chǎn)品在低溫下可靠運(yùn)行的問題，在罐體外殼上裝了兩個(gè)加熱保溫套，加熱套的熱元件是線繞板式SP 型加熱器。試驗(yàn)結(jié)果表明，加熱功率4800W 時(shí)，罐體內(nèi)SF6氣體溫升為13.5～17.5K，當(dāng)加熱功率7200W 時(shí)，罐體內(nèi)SF6氣體溫升為15～21K。據(jù)報(bào)道，俄聯(lián)邦核中心高壓電器研究所研制的126kV 罐式SF6斷路器，額定短路開斷電流40kA，SF6氣體額定壓力為0.55MPa（20℃），產(chǎn)品可以在-50℃的環(huán)境下正常工作，其技術(shù)關(guān)鍵就是在罐體外側(cè)加裝了兩個(gè)300W的電加熱帶。

2.2 罐體內(nèi)裝入加熱棒的加熱方案

圖2為另一種常見的罐式SF6斷路器外形圖，它與圖1最大的不同點(diǎn)是，操作機(jī)構(gòu)安裝在斷路器筒體端部，可以在筒體下部（靠近中間位置）加裝電加熱裝置。為提高電加熱效率，將加熱器插入SF6氣室內(nèi)部，對(duì)SF6氣體直接進(jìn)行加熱。為驗(yàn)證這種結(jié)構(gòu)的加熱效果，河南省高壓電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站曾在某220kV 罐式SF6斷路器上進(jìn)行過低溫試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)罐體內(nèi)充入0.6MPa（20℃時(shí)，表壓）的SF6氣體，加熱器的總功率約900W，當(dāng)試驗(yàn)室內(nèi)的溫度降為-40℃時(shí)，罐體中心部位的SF6氣體溫度約-26.5℃。

如圖2所示的自動(dòng)電加熱及保溫裝置，是由加熱裝置、溫度檢測裝置和控制執(zhí)行裝置等3 部分組成。加熱裝置設(shè)置在罐式SF6斷路器的罐體上開設(shè)的拔口里，溫度檢測裝置安裝在罐體外，溫度檢測裝置的輸出端與控制執(zhí)行裝置的輸入端連接，控制執(zhí)行裝置的輸出端與加熱裝置的電源端連接。當(dāng)環(huán)境溫度下降到下限設(shè)定溫度時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)加熱裝置對(duì)罐體內(nèi)的SF6氣體進(jìn)行加熱，當(dāng)環(huán)境溫度上升到上限設(shè)定溫度時(shí)，加熱裝置電源被自動(dòng)切斷，從而解決了罐式SF6斷路器在低溫環(huán)境下的可靠使用問題。

圖2 罐式SF6斷路器外形圖（機(jī)構(gòu)側(cè)置）

2.3 瓷柱式SF6開關(guān)設(shè)備的加熱方案

瓷柱式SF6開關(guān)設(shè)備的氣體加熱裝置，一般裝設(shè)在支柱瓷套的下端，由于支柱瓷套及滅弧室瓷套均為細(xì)長型結(jié)構(gòu)，散熱面積較大，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又不允許在瓷套外側(cè)加裝保溫層，為確保滅弧、絕緣介質(zhì)在低溫下不液化， 所需加熱器的功率一般都比較大；但加熱器功率過大后，又會(huì)產(chǎn)生局部過熱，影響產(chǎn)品運(yùn)行的可靠性。因此，必須選擇合理的加熱器功率。下面以某型號(hào)的252kV 單柱單斷口SF6斷路器為例，介紹其電加熱器結(jié)構(gòu)及加熱器功率的確定。

圖3為電加熱器座的局部放大圖，它主要由支撐座、屏蔽筒、散熱器、電加熱器等部件組成，在拉桿四周均勻分布2～4 只500W 的電加熱器，由于所需加熱器功率較大，選用了棒式電加熱器；在加熱器座內(nèi)部裝設(shè)屏蔽筒和散熱器的目的，是為了保證熱場均勻、有利于向上熱輻射。

圖4為252kV 單柱單斷口SF6斷路器的低溫試驗(yàn)測量點(diǎn)示意圖。試品內(nèi)SF6氣體額定壓力為0.6MPa（20℃時(shí)，表壓）。為了對(duì)產(chǎn)品樣機(jī)進(jìn)行低溫試驗(yàn)，在斷路器內(nèi)部裝設(shè)了11 支熱電偶，熱電偶主要用于測量斷路器內(nèi)部的SF6氣體溫度分布情況。11 支熱電偶的測溫端在裝設(shè)時(shí)，盡量接近設(shè)備中心線附近。測溫點(diǎn)1 在試驗(yàn)樣機(jī)上蓋板的內(nèi)側(cè)，距金屬蓋板約5mm；測溫點(diǎn)11 在加熱器座中心點(diǎn)附近；其他9 個(gè)測溫點(diǎn)均勻分布（每兩個(gè)測溫點(diǎn)的距離約為0.5m）。

圖3 加熱器座局部放大圖

圖4 低溫試驗(yàn)測量點(diǎn)示意圖

表1為試驗(yàn)樣機(jī)內(nèi)的溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：①測溫點(diǎn)1 的溫度值最低，這是因?yàn)樵摐y溫點(diǎn)距加熱源最遠(yuǎn)，并且距上面的金屬蓋板只有5mm 的距離；② 測溫點(diǎn)5 與測溫點(diǎn)6 之間的溫差約為10℃，而測溫點(diǎn)5 與測溫點(diǎn)4、測溫點(diǎn)3、測溫點(diǎn)2 的溫差確非常?。s為1℃）。這是因?yàn)闇y溫點(diǎn)1 到測溫點(diǎn)5，均處在滅弧室瓷套內(nèi)，SF6氣體流動(dòng)比較暢通；而測溫點(diǎn)6 處于支柱瓷套內(nèi)，支柱瓷套與滅弧室瓷套之間的SF6氣體，只有通過幾個(gè)小孔相通，造成熱對(duì)流通道不暢通：③測溫點(diǎn)11 的溫度值最高，這是因?yàn)樵摐y溫點(diǎn)距加熱源最近。同時(shí)，從表1中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知：當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到-40℃時(shí)，產(chǎn)品內(nèi)裝設(shè)1000W 的加熱器就可滿足使用要求；當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到-50℃時(shí)，產(chǎn)品內(nèi)裝設(shè)1500W 的加熱器就可滿足使用要求。

表1 試驗(yàn)樣機(jī)內(nèi)的溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

3 低溫環(huán)境下的其他解決方案

3.1 采用混合氣體作為滅弧、絕緣介質(zhì)

由于純SF6氣體存在著價(jià)格昂貴且不適用于嚴(yán)寒地區(qū)等問題，近年來已有用SF6混合氣體來取代純SF6氣體的趨勢，其中SF6/N2混合氣體已在工業(yè)中獲得初步應(yīng)用。但是，采用SF6/N2混合氣體作為開關(guān)設(shè)備的滅弧、絕緣介質(zhì)也存在一些問題：①當(dāng)保持產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不變時(shí)，采用SF6/N2混合氣體替代純SF6氣體后，設(shè)備的開斷能力要下降，如：ELF SL4-1型斷路器中采用了SF6/N2混合氣體作為滅弧、絕緣介質(zhì)后，額定短路開斷電流從40kA 降低到31.5kA；②采用SF6/N2混合氣體作為斷路器的滅弧、絕緣介質(zhì)后，若要維持?jǐn)嗦菲鞯拈_斷能力不變，就要對(duì)滅弧室及操動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，同時(shí)要提高混合氣體的額定氣壓。這些變化都給產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)帶來很大工作量。

3.2 采用降低SF6氣體壓力的方案

降低SF6開關(guān)設(shè)備內(nèi)SF6氣體的額定壓力，可以達(dá)到降低SF6氣體的液化點(diǎn)。因此國內(nèi)有些廠家在原有開關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上，充入低壓力SF6氣體以滿足低溫環(huán)境的需要。由于在低壓力、低溫度的條件下，SF6氣體密度亦降低，影響了設(shè)備的絕緣性能和開斷性能。國內(nèi)用此方法按標(biāo)準(zhǔn)GB1984 進(jìn)行全部開斷試驗(yàn)項(xiàng)目的產(chǎn)品很少。據(jù)報(bào)道，國內(nèi)亦有部分廠家采取降低SF6氣體壓力的方法用在126kV 產(chǎn)品上，但是僅做了T100s(b)單項(xiàng)試驗(yàn)，并沒有進(jìn)行降低SF6氣壓后的其他試驗(yàn)項(xiàng)目。設(shè)備能否滿足可靠使用要求，尚待驗(yàn)證。

4 結(jié)論

為解決高壓SF6斷路器在超低溫下可靠運(yùn)行的問題，可以采用電加熱裝置對(duì)SF6開關(guān)設(shè)備中的SF6氣體進(jìn)行加熱；也可以采用SF6/N2混合氣體作為開關(guān)設(shè)備的滅弧、絕緣介質(zhì)；另外，也可以采用降低SF6開關(guān)設(shè)備內(nèi)SF6氣體的額定壓力，達(dá)到降低SF6氣體液化點(diǎn)的方案。然而，無論采取那種方法，都存在其優(yōu)點(diǎn)和不足之處。采用降低SF6氣體壓力或采用SF6/N2混合氣體的方法，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的開斷性能下降，往往滿足不了招標(biāo)書中對(duì)設(shè)備短路開斷能力的要求，同時(shí)需要按標(biāo)準(zhǔn)GB1984 進(jìn)行相關(guān)的型式試驗(yàn)，試驗(yàn)周期長、費(fèi)用高。電加熱方式，需要對(duì)設(shè)備的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進(jìn)行變更，材料費(fèi)增加。綜合分析認(rèn)為，電加熱方式是一種最為經(jīng)濟(jì)有效的解決方案。除此之外，低溫產(chǎn)品在設(shè)計(jì)上還應(yīng)注意：選用耐低溫的密封圈、選用耐低溫的潤滑脂、操作機(jī)構(gòu)箱內(nèi)宜進(jìn)行加熱以確保分合閘特性不變、能夠跨越較大溫度范圍使用的瓷套等。

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