小型化SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的設計與研發(fā)

王彬翰　郭云鵬　楊升

摘 要：SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備又被稱為SF6氣體封閉式組合電器，它被廣泛應用于72.5 kV以上的電力系統(tǒng)中。從SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的基本內容出發(fā)，分析了采用數(shù)值分析和仿真軟件實現(xiàn)小型化SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備設計的優(yōu)化措施，以期為相關研究提供一定的參考。

關鍵詞：SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備；設計；優(yōu)化措施；電氣配電裝置

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.107

SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備是一種高可靠性、高經(jīng)濟性的設備，它被廣泛應用于電力系統(tǒng)中。在設計、研發(fā)小型化SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備時，采用數(shù)值分析和仿真軟件能極大地提高SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的設計質量。這樣做是因為SF6氣體在均勻的電場中有良好的絕緣性能，如果絕緣支撐件、電極等設置不合理，或者微小粒子會對電場造成影響時，SF6氣體的絕緣能力就會降低，從而引發(fā)設備絕緣故障。而應用數(shù)值分析和仿真軟件能有效地解決這個問題，進而提高小型化SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的可靠性。

1 概述

SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備大多采用的是圓筒式結構，將斷路器、隔離開關、接地開關、絕緣子和互感器等裝置包裹住，以SF6氣體為絕緣介質。SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備每一功能單元都是由多個隔室組成的，例如母線隔室、斷路器隔室，在分割隔室時，既要確保開關設備正常運行，又要保證開關設備發(fā)生故障時，能夠限制電弧效應。一般情況下，在分割隔室時，要采用絕緣隔板，同時，不同的隔室允許的氣體壓力也不相同。對于斷路器隔室的SF6氣體，需要考慮到滅弧效果，所以，其壓力也要比其他隔室的氣體壓力高。

與常規(guī)的電氣配電裝置相比，SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備具有以下特點：①體積小。由SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備組成的變電站，其占地面積很小，電壓等級越高效果越明顯。②運行安全、可靠。SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的帶電部分會封閉在金屬筒外殼中，所以，不會發(fā)生短路事故和接地事故，并且其介質為SF6氣體，不會引發(fā)火災。由此可見，SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備運行的安全性很高。③維護量小，使用周期長。SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的使用壽命比較長，并且其檢修周期為10～20年，能極大地減少維護量。

2 小型化開關設備的設計研發(fā)

2.1 斷路器

斷路器是SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的開斷故障電流原件，其設計效果對整個SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備有很大的影響。在斷路器中，SF6氣體既是絕緣介質又是滅弧介質，在電弧的電離作用下，斷口SF6氣體的絕緣強度會比其他位置SF6氣體的絕緣強度低。在執(zhí)行開斷動作時，利用電場的屏蔽效應，能有效地減少金屬粒子的存在，同時，還能減少熱氣體的存在。通過數(shù)值分析和仿真軟件優(yōu)化斷路器靜端電場，使得斷路器尺寸更小和開斷能力更強。

2.2 隔離開關和接地開關

在設計SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的過程中，可以將隔離開關和接地開關設計成組合式結構，這樣就能保證其尺寸最小化。在SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備中，隔離斷口最大電場強度處于斷口品比中心開孔，當降低了隔離斷口電場后，就能處理屏蔽面的形狀與邊緣形狀的相互關系。在設計過程中，可以采用多段圓弧相接的方式優(yōu)化屏蔽結構。

2.3 油氣套管

油氣套管是SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備和變壓器連接的重要部分，在設計時，要保證油氣套管能分離SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備和變壓器，并能獨自完成各項工作。因此，要在油氣套管的高壓電極中間設置1個可拆卸的斷口，同時，還要保證這個斷口和隔離開關斷口的場強一致。

2.4 出現(xiàn)套管

在計算瓷套模型時，由于瓷套是SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備高電壓的引出位置，因此，需要考慮到空氣、SF6氣體這2種絕緣介質。對于出現(xiàn)套管的內屏蔽表面，其電場強度要滿足SF6氣體的絕緣性能需求，同時，套管外的法拉表面強度要滿足空氣的無暈需求。因為法蘭的自身形狀、高度、內屏蔽直徑和高等都會影響法蘭表面電場強度，所以，在設計時，要注意優(yōu)化外法蘭形狀。

2.5 盆式絕緣子

在SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備中，盆式絕緣子的應用十分廣泛。在SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備運行過程中，盆式絕緣子是最容易發(fā)生故障的。高壓端的屏蔽電極、絕緣材料等都會對盆式絕緣子的絕緣性能造成影響，在設計時，可以利用高電位的電極形狀和低電位的電極形狀將SF6氣體、絕緣件、電極的介質交界面處理好，從而確保絕緣子沿面場強均勻分布。

2.6 三相共箱主母線及其他元件

主母線是連接間隔的重要元件，其可靠性對SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的穩(wěn)定運行有十分重要的意義。當外殼直徑不變時，優(yōu)化電場，通過增加導體直徑來減小主回路的電阻，使母線的額定電流達到4 000 A。在設計SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備時，還可以利用電場數(shù)值分析和仿真軟件優(yōu)化三通、分支母線和電流互感器等，能獲得良好的設計效果。

3 結束語

SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的小型化設計，能有效降低產(chǎn)品的原材料成本，提高產(chǎn)品的技術水平。在設計、研發(fā)SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備時，利用數(shù)值分析和仿真軟件進行優(yōu)化，能有效地減少導體連接數(shù)，縮短間隔母線導體的長度，減小主回路電阻，提高產(chǎn)品設計研發(fā)效率，為SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的可靠性提供保障。

參考文獻

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〔編輯：白潔〕