10 kV柜式環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜的關(guān)鍵技術(shù)研究

周桂平，魯旭臣，洪 鶴，謝 誠，李險(xiǎn)峰，張交鎖

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；

2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；

3.國網(wǎng)撫順供電公司，遼寧 撫順 113008；4.沈陽華利電器集團(tuán)，遼寧 沈陽 110027）

10 kV柜式環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜的關(guān)鍵技術(shù)研究

周桂平1，魯旭臣1，洪 鶴2，謝 誠2，李險(xiǎn)峰3，張交鎖4

（1.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006；

2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；

3.國網(wǎng)撫順供電公司，遼寧 撫順 113008；4.沈陽華利電器集團(tuán)，遼寧 沈陽 110027）

重點(diǎn)分析了10 kV柜式開關(guān)柜的技術(shù)難點(diǎn)，提出了保證設(shè)備開斷能力的新型開關(guān)結(jié)構(gòu)，對(duì)電場進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在檢漏補(bǔ)氣及焊接工藝方面進(jìn)行了研究。根據(jù)研究成果生產(chǎn)了10 kV環(huán)保氣體絕緣金屬封閉式開關(guān)設(shè)備，并應(yīng)用于現(xiàn)場，運(yùn)行效果良好。

環(huán)保氣體；開關(guān)設(shè)備；氣體絕緣；開斷能力

近年來，國內(nèi)外涌現(xiàn)了以SF6氣體為絕緣介質(zhì)的10 kV柜式開關(guān)設(shè)備，以較小的占地面積和高可靠性迅速得到推廣使用，但眾所周知，SF6氣體是典型的溫室氣體，大量使用SF6氣體對(duì)保護(hù)地球環(huán)境產(chǎn)生了巨大威脅，因?yàn)镾F6的1個(gè)分子對(duì)溫室效應(yīng)的影響是1個(gè)CO2分子的23 900倍。全球生產(chǎn)的SF6約50%用于電力行業(yè)［1］，其中80%用于開關(guān)設(shè)備。

有試驗(yàn)表明干燥空氣和氮?dú)庠谙嗤沫h(huán)境下，同樣具有較好的絕緣性能，可以作為10 kV柜式開關(guān)設(shè)備的絕緣介質(zhì)。本文重點(diǎn)分析了10 kV柜式開關(guān)柜的技術(shù)難點(diǎn)，提出了新型的開關(guān)結(jié)構(gòu)，保證設(shè)備的開斷能力，對(duì)電場進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在檢漏補(bǔ)氣以及焊接工藝方面進(jìn)行了研究。

1 性能與特點(diǎn)

環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備規(guī)模化生產(chǎn)制造成本比起SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜預(yù)計(jì)持平，或根據(jù)不同規(guī)格僅高出10%～15%。少量的成本升高換來的是優(yōu)異的環(huán)境適應(yīng)性和高可靠性、高安全性及免維護(hù)性等方面大的提升，性價(jià)比高，設(shè)備LCC全生命周期成本大大降低，考慮到未來可能發(fā)生的碳排放稅，無SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備更加經(jīng)濟(jì)。因此，環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的規(guī)?；a(chǎn)既可以提高設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性，又可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)備優(yōu)異的性能穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)輕量化，就像高壓GIS最終取代敞開式高壓設(shè)備一樣，無／低SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備取代空氣絕緣設(shè)備，是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

將環(huán)保氣體金屬封閉開關(guān)設(shè)備與現(xiàn)有大量運(yùn)行的空氣絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備以及SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行歸納總結(jié)及對(duì)比分析，如表1所示。

表1 各項(xiàng)性能比較

傳統(tǒng)的空氣絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備無溫室氣體排放，成本低，但體積大、占地大，且易受周圍環(huán)境的影響，為非免維護(hù)型產(chǎn)品；SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備雖然體積小、節(jié)約占地，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，但是其溫室氣體的排放對(duì)環(huán)境有危害，并且在設(shè)備的運(yùn)行中需要對(duì) SF6氣體進(jìn)行泄漏檢測(cè)與防護(hù)。

環(huán)保氣體金屬封閉開關(guān)設(shè)備與前兩者相比較，綠色環(huán)保，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，體積小、節(jié)約占地，無需SF6氣體檢測(cè)與防護(hù)，安全可靠，免維護(hù)，并且規(guī)?；a(chǎn)后成本較低，是現(xiàn)階段比較理想的中壓金屬封閉開關(guān)設(shè)備。

2 技術(shù)研究

環(huán)保氣體金屬封閉開關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

“校企一體”教學(xué)模式由以往的學(xué)校和企業(yè)“三明治”式的培養(yǎng)學(xué)生的方式變?yōu)楝F(xiàn)在的學(xué)校和企業(yè)一體式的培養(yǎng)學(xué)生方式。校企雙方根據(jù)崗位需求和工作能力要求，共同制訂人才培養(yǎng)方案，開發(fā)課程，共同建設(shè)專兼職教師隊(duì)伍，共同授課，共同制定人才培養(yǎng)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。在培養(yǎng)過程中，采取職業(yè)素質(zhì)與崗位能力并重，校訓(xùn)精神和企業(yè)文化相互滲透的培養(yǎng)方式，學(xué)生從入學(xué)開始，不僅編入學(xué)院專業(yè)建制班級(jí)，而且根據(jù)培養(yǎng)方向編入高爾夫俱樂部，參加俱樂部活動(dòng)。學(xué)生在校其間，實(shí)行階段培養(yǎng)、分組管理、崗位情境模擬教學(xué)，提高學(xué)生實(shí)操能力，達(dá)到崗位需求標(biāo)準(zhǔn)。俱樂部管理人員與學(xué)院教師相互兼職，由俱樂部高管對(duì)學(xué)院人才培養(yǎng)全過程進(jìn)行監(jiān)控、指導(dǎo)并驗(yàn)收。

環(huán)保氣體絕緣開關(guān)柜采用的是環(huán)保氣體，如干燥空氣或N2作為絕緣介質(zhì)而不是采用SF6氣體，由于干燥空氣或N2的絕緣性能低于SF6，尤其是N2，絕緣性能只有SF6氣體的1／3，同時(shí)，為了保持與使用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)的開關(guān)柜外形尺寸一致，針對(duì)環(huán)保氣體絕緣開關(guān)柜的絕緣性能進(jìn)行了研究，在檢漏補(bǔ)氣方面采用了自動(dòng)檢漏和充放氣設(shè)備，在焊接工藝方面采用了先進(jìn)的激光焊接設(shè)備，保證設(shè)備的密封性。

由于環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備為緊湊型，整個(gè)開關(guān)柜是將高壓元件密封于不銹鋼氣箱內(nèi)，密閉的氣箱空間對(duì)于負(fù)載電流產(chǎn)生的熱量只能通過有限的對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射方式進(jìn)行散熱［1］，因此它的設(shè)計(jì)電流密度相對(duì)于傳統(tǒng)式 （或敞開式）空氣絕緣需要適當(dāng)降低。不同氣體相同的設(shè)計(jì)，其溫升裕度有很大差別，同樣條件下SF6與N2或干燥空氣相差10 K以上［2］，所以溫升的控制是設(shè)計(jì)中必須要解決的一個(gè)難點(diǎn)。

對(duì)于環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜中的負(fù)荷單位，如果采用環(huán)保氣體開斷，其壽命將遠(yuǎn)低于真空開斷。因此在研究中采用成熟的替代方案，即真空滅弧室來保證開關(guān)的開斷能力。但是如果采用真空滅弧室作為隔離斷口，由于真空斷口在高電壓作用下可能會(huì)存在重?fù)舸┖头潜Ｗo(hù)特性擊穿放電（NSSD）的可能［3］，直接威脅人身安全。所以為了保證足夠的開斷能力，整個(gè)環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜還是采用真空負(fù)荷斷路器與氣體絕緣兩工位或者三工位開關(guān)配合［4］。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

10 kV柜式環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

開關(guān)設(shè)備的斷路器、母線及三工位開關(guān)處于同一充氣隔室， 充氣隔室為無磁不銹鋼板經(jīng)激光切割、激光焊接而成，非焊接密封連接面均采用O型橡膠圈密封［5］。

圖1 10 kV柜式環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)結(jié)構(gòu)

高壓元件采用復(fù)合化設(shè)計(jì)，隔離開關(guān)與接地開關(guān)復(fù)合為1個(gè)三工位開關(guān)，共用1個(gè)動(dòng)觸頭，設(shè)于母線側(cè)。

斷路器及三工位開關(guān)操作機(jī)構(gòu)位于產(chǎn)品中部，機(jī)構(gòu)同時(shí)具備手動(dòng)及電動(dòng)操作功能。

充氣隔室安裝有外錐電纜連接套管，可并聯(lián)插接多根電纜，也可連接避雷器。

設(shè)備為三相共箱式、模塊化設(shè)計(jì)，由斷路器功能單元和三工位開關(guān)及母線單元組成的充氣隔室、低壓室 （儀表室、操作機(jī)構(gòu)室）、電纜間隔室等組成。

當(dāng)充氣隔室內(nèi)部壓力超過一定限值時(shí)，壓力釋放裝置將自動(dòng)打開，釋放氣體，以確保操作人員和產(chǎn)品的安全。

分支母線采用獨(dú)特的設(shè)計(jì)，有效改善了電場的分布，且具有很高的機(jī)械強(qiáng)度和短路電流耐受能力。

10 kV柜式環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)的技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)的技術(shù)參數(shù)

4 試驗(yàn)與應(yīng)用

通過試驗(yàn)才能證明環(huán)保氣體絕緣開關(guān)柜的設(shè)計(jì)是否合理，開發(fā)是否成功。開關(guān)柜的交接試驗(yàn)由撫順電力發(fā)展公司完成，所有試驗(yàn)項(xiàng)目如表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果證明產(chǎn)品性能和參數(shù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品技術(shù)文件的要求，產(chǎn)品技術(shù)性能達(dá)到了技術(shù)規(guī)范和試制鑒定大綱中的規(guī)定和要求，符合IEC標(biāo)準(zhǔn)和國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 環(huán)保氣體絕緣開關(guān)柜的試驗(yàn)檢驗(yàn)項(xiàng)目

目前10 kV柜式環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)已安裝于撫順供電公司某變電站，如圖2所示，研制后的10 kV柜式環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備已經(jīng)在現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行，效果良好。

圖2 環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜的整體現(xiàn)場應(yīng)用

5 結(jié)束語

10 kV柜式環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備，產(chǎn)品性能和參數(shù)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)品技術(shù)文件的要求，其樣機(jī)按試制鑒定大綱通過了全面的型式試驗(yàn)，產(chǎn)品技術(shù)性能達(dá)到了技術(shù)規(guī)范和試制鑒定大綱中的規(guī)定和要求，符合IEC標(biāo)準(zhǔn)和國家的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

為國內(nèi)首個(gè)針對(duì)該型10 kV開關(guān)柜電場結(jié)構(gòu)優(yōu)化與改進(jìn)，保證了與SF6氣體絕緣產(chǎn)品的外形尺寸和制造成本基本不變。

理論和實(shí)踐均證明了10 kV開關(guān)柜體積小、節(jié)約占地，維護(hù)量小、不易老化。

10 kV環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的使用，能為電網(wǎng)減少SF6氣體充氣，便于設(shè)備維護(hù)，同時(shí)無溫室氣體排放，環(huán)保經(jīng)濟(jì)。為未來國家電網(wǎng)在中壓領(lǐng)域走向綠色電網(wǎng)提供借鑒。

［1］ 李朝順.開關(guān)柜內(nèi)燃弧時(shí)等效強(qiáng)度校驗(yàn)計(jì)算 ［J］.東北電力技術(shù)，2007，28（2）：27-29.

［2］ 孫竹森，蘭 劍.環(huán)保型金屬封閉開關(guān)設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì) ［J］.中國電業(yè)，2014，65（6）：53-56.

［3］ 袁世平.金屬封閉式開關(guān)柜絕緣在線檢測(cè) ［J］.東北電力技術(shù)，2012，33（9）：45-46，49.

［4］ 張交鎖.環(huán)保性氣體絕緣輸配電開關(guān)設(shè)備 ［C］.西安：2013年配電開關(guān)創(chuàng)新應(yīng)用與發(fā)展技術(shù)交流峰會(huì)，2013.

［5］ 張交鎖.中壓環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國電業(yè)，2014，65（6）：35-38.

Key Technology Research on 10 kV Gas Insulated Switch Gear

ZHOU Gui?ping1，LU Xu?chen1，HONG He2，XIE Cheng2，LI Xian?feng3，ZHANG Jiao?suo4
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.State Grid Fushun Power Electric Supply Company，F(xiàn)ushun，Liaoning 113008，China；4.Shenyang Huali Electric Group，Shenyang，Liaoning 110027，China）

This paper studies the technical difficulties of 10 kV switch cabinet，a new switch structure to assure interrupting capability of the equipment is put forward，optimization design of electric field are exerted，air leak and the soldering process are studied.Ac?cording to the research results，insulated metal enclosed switchgear of environmental protection gas is made and used in the field work with good result in operation.

RoHS gas；Switch gear；Gas insulation；Breaking capacity

TM591

A

1004-7913（2015）11-0017-03

周桂平 （1981—），男，博士，工程師，從事高電壓相關(guān)技術(shù)研究。

2015-08-24）