雙壓氣室結(jié)構(gòu)及其在GIS開關(guān)柜中的應(yīng)用

許昌許繼德理施爾電氣有限公司 白維正 徐慧強(qiáng) 周 行 李 克

雙壓氣室結(jié)構(gòu)及其在GIS開關(guān)柜中的應(yīng)用

許昌許繼德理施爾電氣有限公司 白維正 徐慧強(qiáng) 周 行 李 克

由于空氣的絕緣能力限制，使得采用空氣絕緣的開關(guān)設(shè)備體積較大，加之由于母線及開關(guān)等裸露在大氣中，很容易受到外界環(huán)境的影響，在惡劣的氣候和環(huán)境條件下需要維護(hù)。采用有絕緣的開關(guān)設(shè)備盡管可以在一定程度上減少外界的影響，但是在發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)卻存在很大的安全隱患。較空氣絕緣介質(zhì)而言，SF6氣體作為一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、不燃的氣體，擁有優(yōu)越的理化特性及電氣特性。自20世紀(jì)60年代起，SF6氣體作為滅弧和絕緣介質(zhì)被廣泛應(yīng)用于各種開關(guān)設(shè)備中。

現(xiàn)階段電力部門采用的開關(guān)柜多數(shù)為SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備。但是，SF6氣體作為一種溫室效應(yīng)氣體對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響也日趨嚴(yán)重。為了保護(hù)環(huán)境，國(guó)家開始嚴(yán)格控制SF6氣體的使用和排放。本文，筆者介紹了一種新穎的開關(guān)柜結(jié)構(gòu)布局方式——雙壓氣室結(jié)構(gòu)，可以大大減少GIS開關(guān)柜SF6氣體的用量，更加環(huán)保、節(jié)約。此外，該結(jié)構(gòu)還具有安全可靠、體積小等優(yōu)點(diǎn)。本文，筆者主要針對(duì)這種雙壓氣室結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及其在GIS開關(guān)柜中的應(yīng)用進(jìn)行探討。

一、國(guó)內(nèi)中壓領(lǐng)域各類開關(guān)柜使用現(xiàn)狀分析

1.中壓開關(guān)柜發(fā)展現(xiàn)狀。早在30年前，空氣絕緣開關(guān)柜還是國(guó)內(nèi)開關(guān)柜的主流，主要是固定柜與手車柜兩種類型。但是由于母線外露易造成母線短路事故，不符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，而且其體積尺寸偏大、占地面積偏大，不符合當(dāng)今開關(guān)柜發(fā)展趨勢(shì)。所以近幾十年來(lái)，各大廠家都在發(fā)展中壓GIS開關(guān)柜，它是把GIS的SF6氣體絕緣技術(shù)、密封技術(shù)與普通中壓開關(guān)柜的制造技術(shù)相結(jié)合的一種開關(guān)設(shè)備。這種開關(guān)柜的特點(diǎn)是將高壓帶電部分封閉在金屬箱體中，內(nèi)部充以SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，使整個(gè)高壓系統(tǒng)處于完全封閉的狀態(tài)，殼體采用不銹鋼鋼板全密封焊接而成，防護(hù)等級(jí)達(dá)到了IP67，因而不受外界環(huán)境條件的影響，大大提高了運(yùn)行的可靠性，實(shí)現(xiàn)了免維護(hù)和少維護(hù)?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，近些年中壓充氣柜得到了長(zhǎng)足發(fā)展，其市場(chǎng)占有份額也逐年攀升，截至2009年8月，在我國(guó)中壓領(lǐng)域使用的開關(guān)柜中，有70%為SF6氣體全絕緣開關(guān)柜。目前，包括ABB、施奈德、西門子、歐馬嘉寶等廠家均在大力發(fā)展SF6全絕緣開關(guān)柜。

2.中壓開關(guān)柜的缺點(diǎn)和不足。雖然中壓GIS開關(guān)柜擁有不受外界環(huán)境影響、體積小、運(yùn)行安全性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是也存在一些缺點(diǎn)與不足。

（1）在GIS開關(guān)柜中，SF6氣體充當(dāng)了滅弧和絕緣氣體，氣箱內(nèi)部要充大量的SF6氣體，以保證足夠的壓力，從而保證滅弧能力。

（2）基于GIS自身的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，在長(zhǎng)期運(yùn)行中，氣體泄漏是在所難免的。一旦發(fā)生氣體泄漏事故，氣箱內(nèi)部氣體壓力降低，開關(guān)的滅弧能力勢(shì)必受到影響，也就很難保證開關(guān)的正常分?jǐn)唷?/p>

（3）作為滅弧介質(zhì)，當(dāng)開關(guān)在開斷過程中產(chǎn)生高溫電弧時(shí)，SF6氣體在電弧作用下會(huì)分解或者與電極、絕緣材料、氧氣等反應(yīng)產(chǎn)生有毒產(chǎn)物，致使氣箱內(nèi)SF6氣體純度降低，不易回收和凈化處理。

（4）在高溫電弧作用下，SF6氣體產(chǎn)生的分解物很容易與銅排等金屬材料和絕緣材料發(fā)生反應(yīng)，對(duì)柜內(nèi)元器件造成不同程度的腐蝕。對(duì)于合分閘比較頻繁的地區(qū)，柜內(nèi)元器件長(zhǎng)時(shí)間受到腐蝕，將成為電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的巨大隱患。

二、雙壓氣室結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

針對(duì)上述問題，本文，筆者介紹一種新穎的開關(guān)柜結(jié)構(gòu)布局方式，即雙壓氣室結(jié)構(gòu)。這種雙壓氣室結(jié)構(gòu)有兩部分構(gòu)成：絕緣氣室和滅弧室。滅弧室獨(dú)立在絕緣氣室內(nèi)。滅弧室采用直動(dòng)式結(jié)構(gòu)，極大地減小了滅弧室的體積；進(jìn)而縮小了整個(gè)氣室的體積，實(shí)現(xiàn)了GIS開關(guān)柜的小型化。這種結(jié)構(gòu)有以下幾個(gè)特點(diǎn)。

1.精巧的滅弧室。滅弧室采用了“吸氣活塞＋去離子?xùn)拧睖缁≡砗椭眲?dòng)式，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

滅弧室內(nèi)部設(shè)有吸氣活塞，活塞將滅弧室分成兩個(gè)小的氣室，采用了直動(dòng)式結(jié)構(gòu)的活塞在運(yùn)動(dòng)過程中，會(huì)擠壓其中一個(gè)氣室的SF6氣體，使其SF6氣體壓力高于另一個(gè)小氣室，從而實(shí)現(xiàn)了在活塞運(yùn)動(dòng)過程中利用SF6氣體吹弧的目的。通過吹弧拉長(zhǎng)電弧加強(qiáng)帶電粒子的復(fù)合和擴(kuò)散，同時(shí)把弧隙中的帶電粒子吹散，迅速恢復(fù)介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度。此外在動(dòng)觸頭還設(shè)有去離子?xùn)?，可以起到很好的輔助滅弧。將吸氣活塞和去離子?xùn)艤缁〖夹g(shù)融合為一體的設(shè)計(jì)，提高了滅弧的效果，使開關(guān)具有較強(qiáng)的開斷和關(guān)合短路電流的能力，分?jǐn)嗫蛰d變壓器和分?jǐn)嚯娙萜鹘M都不易產(chǎn)生重燃。能夠快速恢復(fù)介質(zhì)絕緣強(qiáng)度，使其在頻繁操作中依然能夠保持有效的滅弧能力。同時(shí)，由于滅弧室外部采用了全絕緣材料，可以有效地減小絕緣氣室的體積。直動(dòng)式結(jié)構(gòu)既有力保證了滅弧室可靠的滅弧動(dòng)作，又最大程度地節(jié)省了空間。

2.滅弧能力不受絕緣氣室氣體壓力的影響。由于GIS開關(guān)柜自身的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，其對(duì)于焊接及其他工藝要求非常嚴(yán)格，雖然各大廠商都在使用機(jī)械手進(jìn)行操作，但是仍然無(wú)法杜絕漏氣的現(xiàn)象。采用雙壓氣室結(jié)構(gòu)，滅弧室是獨(dú)立密封于氣箱內(nèi)部，其滅弧能力只與滅弧室內(nèi)氣體壓力有關(guān)，并不受氣箱內(nèi)部壓力的限制。所以即使氣箱在發(fā)生泄漏的情況下，由于滅弧室內(nèi)部的氣體壓力并沒有降低，確保了設(shè)備在絕緣氣體泄漏后仍能夠正常的開斷，保證了高可靠的滅弧能力，同時(shí)也保證了斷口的絕緣，能夠有效地降低因SF6泄露引起電力事故的發(fā)生。

3.降低氣箱充氣壓力，減少SF6的用量，更加環(huán)保。采用雙壓氣室結(jié)構(gòu)后，箱體內(nèi)的SF6氣體只作為絕緣介質(zhì)，可以大大降低柜內(nèi)的充氣壓力。以采用此種雙壓氣室結(jié)構(gòu)的某國(guó)際知名品牌GIS型10kV中壓開關(guān)柜為例，其內(nèi)部充氣壓力僅為0.017 MPa，而市場(chǎng)上同類共箱式產(chǎn)品的充氣壓力大約為0.030 MPa，同體積下其SF6使用量?jī)H為同類產(chǎn)品的56%。

采用雙壓氣室結(jié)構(gòu)后，開關(guān)柜的體積可以進(jìn)一步減小，加上精巧緊湊的設(shè)計(jì)，氣箱容積僅是國(guó)際同參數(shù)等級(jí)產(chǎn)品的66.9%，單個(gè)單元平均使用SF6氣體僅為市場(chǎng)上同參數(shù)等級(jí)產(chǎn)品使用量的37.46%。對(duì)于24 kV中壓GIS開關(guān)柜而言，采用這種結(jié)構(gòu)的GIS型開關(guān)柜優(yōu)勢(shì)更為明顯，其內(nèi)部充氣壓力不足市場(chǎng)上同參數(shù)等級(jí)產(chǎn)品的40%左右，SF6氣體的用量不到國(guó)際同參數(shù)等級(jí)產(chǎn)品的1/3，極大地減少了SF6的用量，更加經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

4.隔離了電弧分解物，95%氣體可循環(huán)使用。SF6在高壓電弧的作用下會(huì)發(fā)生部分分解，其分解物為硫黃氧氟化物、硫氧化物、氟化氫、二氧化硫等含有劇毒和強(qiáng)腐蝕性的氣體，即使微量泄漏也能造成人身及設(shè)備的傷害。采用雙壓氣室結(jié)構(gòu)以后，95%的氣體做絕緣介質(zhì)并不參與滅弧，故并沒有被分解，可以直接回收再利用。僅需將滅弧室內(nèi)的少量SF6氣體進(jìn)行回收處理即可，極大地減少了對(duì)于使用后SF6氣體的回收工作，降低了處理費(fèi)用。

5.較寬的電壓等級(jí)適應(yīng)能力。我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，加快了用電負(fù)荷的迅速增長(zhǎng)。國(guó)家電網(wǎng)公司于2007年下達(dá)了《關(guān)于推廣24 kV電壓等級(jí)的通知》。24 kV電壓等級(jí)具有電能損耗低、容量大、占地小、投資省等優(yōu)勢(shì)，2009年以來(lái)，全國(guó)各省市電力部門已相繼開展建設(shè)推廣24 kV電壓等級(jí)電網(wǎng)。這就對(duì)原有10 kV線路上運(yùn)行的開關(guān)柜的更新?lián)Q代提出了問題。由于電壓等級(jí)的差異，勢(shì)必導(dǎo)致原有10 kV開關(guān)柜的退役，造成了資源浪費(fèi)。而雙壓氣室結(jié)構(gòu)的GIS開關(guān)柜本身是按照24 kV電壓等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以當(dāng)輸電線路改為24 kV等級(jí)時(shí)，仍然可以使用，不會(huì)造成任何的資源閑置。

三、基于雙壓氣室結(jié)構(gòu)的G I S開關(guān)柜的應(yīng)用及市場(chǎng)前景

這種雙壓氣室結(jié)構(gòu)便于統(tǒng)一的模塊化設(shè)計(jì)——每個(gè)功能單元為一個(gè)獨(dú)立的模塊，它們之間采用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)接口，可以根據(jù)需求方便靈活地將其組裝到一起，滿足各種設(shè)計(jì)方案的需求。而且只需在電纜室內(nèi)安裝電纜即可，無(wú)需涉及任何氣體處理，安裝簡(jiǎn)單快捷。所以，基于這種雙壓氣室結(jié)構(gòu)的GIS型開關(guān)柜受到許多用戶的青睞。

1.電力市場(chǎng)。在電力系統(tǒng)中10 kV高壓開關(guān)柜應(yīng)用極為廣泛，但是我國(guó)城市人口十分密集，在城網(wǎng)建設(shè)和改造中面臨著建筑用地十分緊張的問題，減小電力設(shè)備的占地面積有著十分重要的意義?，F(xiàn)階段，各大廠商為電力系統(tǒng)提供的10kV GIS開關(guān)柜的體積基本為325 mm×1 650 mm×850 mm，而采用了雙壓氣室結(jié)構(gòu)的同參數(shù)等級(jí)的GIS開關(guān)柜尺寸僅為315 mm×1 300 mm× 518 mm，相比之下，占地面積僅為前者的46.54%。由于這種開關(guān)柜采用全絕緣、全密封式結(jié)構(gòu)，所帶電部件以及開關(guān)均封閉在不銹鋼的殼體內(nèi)，耐受短時(shí)間水下浸泡，能夠安全可靠地運(yùn)行，故已廣泛應(yīng)用于城市配網(wǎng)、小區(qū)供電及各種大中型配網(wǎng)工程中，如，奧運(yùn)場(chǎng)館、世博場(chǎng)館、北京城網(wǎng)等重大工程項(xiàng)目中均有這種GIS系列的開關(guān)柜在運(yùn)行。隨著城市人口的不斷增多、電網(wǎng)的日益擴(kuò)大，小型化的開關(guān)柜將會(huì)越來(lái)越多的應(yīng)用于電力系統(tǒng)。

2.鐵路市場(chǎng)。鑒于這種開關(guān)柜具有運(yùn)行安全穩(wěn)定、技術(shù)參數(shù)高、體積小，重量輕、安裝簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在鐵路市場(chǎng)上也已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。在京津城際高鐵、京滬客運(yùn)專線、武廣高鐵、鄭西客運(yùn)專線、哈大線、甬臺(tái)溫客運(yùn)專線等重點(diǎn)項(xiàng)目中運(yùn)行的GIS型開關(guān)柜也頗受好評(píng)。目前，包括京滬高鐵等在建鐵路重點(diǎn)工程有277項(xiàng)，開工建設(shè)的客運(yùn)專線及城際鐵路項(xiàng)目已超過40項(xiàng)，建設(shè)規(guī)模超過1萬(wàn)km。根據(jù)中國(guó)高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃，從2010年起至2040年，用30年的時(shí)間，將全國(guó)主要省市區(qū)連接起來(lái)，形成國(guó)家網(wǎng)絡(luò)大框架。近期國(guó)家要發(fā)展“五縱六橫七連線”工程。包括京滬、京港、哈滬在內(nèi)的18條高鐵線路的規(guī)劃和建設(shè)將在未來(lái)30年內(nèi)完成。如此繁多的高鐵線路，所需開關(guān)柜的數(shù)量之大，可見一斑。

四、雙壓氣室結(jié)構(gòu)的發(fā)展方向

1.采用混合氣體作為絕緣介質(zhì)。SF6之所以被廣泛應(yīng)用于與電氣設(shè)備，依賴于其優(yōu)越的理化特性及電氣特性。但是隨著世界各國(guó)越來(lái)越重視環(huán)境保護(hù)，其巨大溫室效應(yīng)成了人們考慮使用替代品的主要緣故?，F(xiàn)今，有諸多研究所、高等學(xué)府及電力行業(yè)都在考慮SF6的替代品。據(jù)了解，使用N2和SF6的混合氣體作為絕緣介質(zhì)的研究已經(jīng)有了結(jié)果。雙壓氣室結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)為混合氣體的使用提供了條件?；旌蠚怏w可以作為絕緣介質(zhì)，滅弧室內(nèi)仍使用電氣特性較好的SF6氣體，這樣既可以保證滅弧的安全可靠，又可以降低SF6氣體的用量。

2.采用固體絕緣。為了減少溫室氣體排放，在未來(lái)的幾十年內(nèi)，國(guó)內(nèi)SF6氣體的使用會(huì)受到越來(lái)越多的限制。為了彌補(bǔ)SF6充氣柜的缺點(diǎn)，近幾年在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上出現(xiàn)了固體絕緣開關(guān)柜。所謂固體絕緣就是將數(shù)組開關(guān)和相關(guān)帶電部件整體采用環(huán)氧樹脂進(jìn)行澆注，通過自動(dòng)壓力凝膠技術(shù)設(shè)計(jì)制造出固體絕緣供電設(shè)備。雙壓氣室結(jié)構(gòu)也可以向固體絕緣方向發(fā)展，一旦固體絕緣技術(shù)成熟，開關(guān)柜內(nèi)部的連接部分可以采用環(huán)氧樹脂澆注，并利用凝膠技術(shù)在銅排與滅弧室的連接處做一些處理，可實(shí)現(xiàn)GIS開關(guān)柜向固體絕緣開關(guān)柜的轉(zhuǎn)變。

綜上，隨著電力部門和鐵路部門對(duì)開關(guān)設(shè)備要求的不斷提高，中壓SF6氣體絕緣開關(guān)柜的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛?；陔p壓氣室結(jié)構(gòu)的GIS開關(guān)柜技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，大大減少了SF6氣體的用量，環(huán)保節(jié)約，以其安全可靠的運(yùn)行、方便簡(jiǎn)潔的安裝方式和小型化、少維護(hù)等特性，將在電力市場(chǎng)和鐵路市場(chǎng)得到更加廣泛的應(yīng)用。