空氣絕緣的優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘要：本文以72.5 kV HGIS空氣絕緣設(shè)備為例，深入研究了空氣絕緣的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文通過(guò)對(duì)CO2、N2、干燥空氣的絕緣特性進(jìn)行比較分析，設(shè)計(jì)出一種新型72.5 kV單斷口真空斷路器和HGIS樣機(jī)。本設(shè)備不會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)氣體或者無(wú)毒污染氣體，促使高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備具有了環(huán)保性能，有助于環(huán)境的綠色可持續(xù)發(fā)展，具有重要意義。

關(guān)鍵詞：72.5 kV；HGIS；空氣絕緣；優(yōu)化設(shè)計(jì)

當(dāng)前我國(guó)輸變電設(shè)備行業(yè)亟待解決的一大重要問(wèn)題，就是對(duì)SF6的利用和排放進(jìn)行有效減少或者杜絕。針對(duì)SF6，德國(guó)電力企業(yè)對(duì)其深入評(píng)估了它在開(kāi)關(guān)設(shè)備全壽命過(guò)程的情況，即便嚴(yán)格根據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)來(lái)有效管理SF6，在實(shí)際生產(chǎn)和運(yùn)用過(guò)程中，還是至少會(huì)有20%的SF6排放在大氣中，嚴(yán)重污染環(huán)境。尤其是部分安裝工作人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢修過(guò)程中，因自身缺乏環(huán)保意識(shí)，常常會(huì)忽略回收SF6，導(dǎo)致出現(xiàn)向大氣中隨意排放SF6，對(duì)周邊環(huán)境造成極為嚴(yán)重的污染后果。因此，當(dāng)前我國(guó)電力設(shè)備制造企業(yè)的一大研發(fā)熱點(diǎn)，就是無(wú)SF6環(huán)保氣體充氣絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備。為對(duì)SF6避免使用，中壓配電開(kāi)關(guān)設(shè)備制造領(lǐng)域可以選擇以下兩種方法，即：其一，選用N2、干燥清潔空氣等環(huán)保氣體，或者選用其他類(lèi)型的環(huán)保型絕緣氣體，以取代SF6，相應(yīng)地，電流開(kāi)斷主要對(duì)真空熄弧技術(shù)進(jìn)行利用，常將其稱(chēng)為環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備；其二，將氣體絕緣介質(zhì)被替換為固體絕緣，電流開(kāi)斷主要對(duì)真空熄弧技術(shù)進(jìn)行利用。常將其稱(chēng)為固體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備。針對(duì)以上兩種技術(shù)，它們均具有自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。因?yàn)楣腆w絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)非常緊湊，無(wú)需監(jiān)測(cè)氣壓，所以當(dāng)一些場(chǎng)合中的額定電流等級(jí)、環(huán)網(wǎng)柜不太高時(shí)，選用固體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備是比較合適的，當(dāng)一些場(chǎng)合中額定電流等級(jí)較高時(shí)，選用環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備是比較合適的。本文以空氣絕緣的72.5 kV HGIS設(shè)備為例，深入研究了空氣絕緣的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有重要意義。

1 環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)

迄今為止，在我國(guó)開(kāi)關(guān)柜系統(tǒng)中廣泛使用了SF6絕緣氣體。不過(guò)SF6這種氣體在使用過(guò)程中，常常會(huì)導(dǎo)致全球變暖現(xiàn)象的發(fā)生。為能夠?qū)F6絕緣氣體的使用量進(jìn)行有效降低，在最近幾年中，很多專(zhuān)家均對(duì)其進(jìn)行了大量的深入研究。不過(guò)到目前為止，仍未找到在高壓領(lǐng)域中可以取代SF6的一種絕緣氣體，特別是能夠用作開(kāi)斷介質(zhì)的一種絕緣氣體。而在中壓領(lǐng)域中，隨著真空開(kāi)斷技術(shù)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，促使絕緣氣體用于開(kāi)關(guān)設(shè)備的絕緣介質(zhì)變成了一種可能。在當(dāng)前發(fā)展背景下，本文深入研究了N2、CO2、干燥空氣在各種氣壓條件中的絕緣性能，同時(shí)成功將N2、干燥空氣作為中壓開(kāi)關(guān)設(shè)備的絕緣氣體，并將其投入到72.5 kV HGIS產(chǎn)品中進(jìn)行使用，獲取比較好的效果。

1.1 N2、CO2、干燥空氣的絕緣性能

和N2、CO2相比，干燥空氣的絕緣性能更高一些，特別是當(dāng)氣壓大于0.05MPa時(shí)，在N2、CO2、干燥空氣這3種氣體中，絕緣性能最低的就是CO2。針對(duì)N2、干燥空氣，二者的絕緣性能在O2的影響作用下有所提高，當(dāng)氣壓小于0.05MPa時(shí)，和N2、干燥空氣相比，CO2的雷電沖擊耐受電壓高更高一些。

通過(guò)以上深入分析，同時(shí)因CO2氣體的溫干燥空氣能夠作為中壓CGIS的絕緣介質(zhì)，所以通過(guò)利用電場(chǎng)分析軟件，對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。通過(guò)分析和優(yōu)化母線形狀，能夠有效優(yōu)化環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)，對(duì)電場(chǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行有效優(yōu)化，以有助于設(shè)備絕緣性能的有效提高。

1.2 絕緣結(jié)構(gòu)模塊化技術(shù)的深度開(kāi)發(fā)

隨著我國(guó)開(kāi)斷技術(shù)水平、高壓元件插接技術(shù)水平的不斷提高和絕緣結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，空氣絕緣結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越靈活、統(tǒng)一、簡(jiǎn)單化。積木式結(jié)構(gòu)主要組成基本模塊，包括隔離開(kāi)關(guān)氣室、斷路器氣室。而以上基本模塊在通過(guò)有效組合或者派生后，便會(huì)形成單母線、雙母線和他柜型。且不同氣室是互相獨(dú)立，互不影響的。根據(jù)對(duì)上述文中模塊的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，72.5 kV HGIS絕緣設(shè)備的電氣主接線，如下圖所示。

72.5 kV HGIS 絕緣設(shè)備的電氣主接線圖

2 環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)和性能

在維修傳統(tǒng)敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)設(shè)備（AIS）時(shí)，一定要對(duì)斷路器的維護(hù)檢修、拆卸進(jìn)行全面考慮，因此在整個(gè)安裝過(guò)程中，便會(huì)出現(xiàn)差異現(xiàn)象，出現(xiàn)局部故障問(wèn)題或者過(guò)熱現(xiàn)象。實(shí)際上，在維護(hù)AIS過(guò)程中，危險(xiǎn)事故的發(fā)生概率是非常高的。對(duì)于傳統(tǒng)AIS設(shè)備，它并非屬于免維護(hù)產(chǎn)品，這種產(chǎn)品的可靠性比較小。對(duì)于環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備，因?yàn)檫x用了密封設(shè)計(jì)，不會(huì)影響海拔和周邊環(huán)境，無(wú)論在何種環(huán)境中，均可以選用環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備。另外，因?yàn)檎婵諗嗦菲鞯氖褂脡勖容^長(zhǎng)，所以無(wú)需對(duì)其進(jìn)行檢修，因此環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備屬于免維護(hù)產(chǎn)品，具有很多優(yōu)點(diǎn)，如可靠性較高、操作安全性較高、使用壽命長(zhǎng)等。和傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)設(shè)備相比，環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備的占地面積偏小，使用的材料不多，具有很多優(yōu)勢(shì)，所以環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。

3 小結(jié)

本文以72.5 kV HGIS空氣絕緣設(shè)備為例，深入研究了空氣絕緣的優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論：

（1）通過(guò)對(duì)CO2、N2、干燥空氣進(jìn)行絕緣性能試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，和CO2、N2相比，干燥空氣的絕緣性能更好，能夠作為環(huán)保氣體絕緣。

（2）通過(guò)進(jìn)行進(jìn)行絕緣優(yōu)化設(shè)計(jì)，成功開(kāi)發(fā)出72.5 kV HGIS絕緣設(shè)備。

（3）環(huán)保氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備不需要運(yùn)用充氣裝置和SF6，不會(huì)產(chǎn)生有毒的電弧分解物，便于維修。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：宋方龍（1988），男，寧夏人，大專(zhuān)，助理工程師，研究方向：工業(yè)電氣。