氣體絕緣開關(guān)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)研究及其在糖業(yè)中的應(yīng)用

張 茹，楊津聽，湯晏文，周 川，楊彩玲，劉海田，周崇興

0 引言

隨著制糖工業(yè)規(guī)?；⒋笮蜕踔辆扌突陌l(fā)展，對(duì)制糖過程電力系統(tǒng)也提出了高電壓大電流、高功率、高功率密度的要求。大型糖廠目前的撕裂機(jī)、鍋爐鼓風(fēng)機(jī)、引風(fēng)機(jī)均采用10 kV啟動(dòng)設(shè)備，也就是將原傳統(tǒng)供電電壓從 400 V提高到萬伏級(jí)別(10 kV)，根據(jù)發(fā)電機(jī)供電中心范圍與直接使用電氣設(shè)備就地原則?？梢詼p少輸電線路損耗 60%，故障率降低60%，同時(shí)可以減少銅消耗量及總投資額52%，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^[1]。開關(guān)設(shè)備制造業(yè)隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，取得了一定的發(fā)展，也面臨著一定的問題。部分中壓開關(guān)設(shè)備制造企業(yè)生產(chǎn)工藝落后。部分中小企業(yè)還在使用國(guó)內(nèi)外已接近淘汰的工藝，生產(chǎn)能耗較大，產(chǎn)品附加值較低，產(chǎn)品質(zhì)量較差，雖然國(guó)家尚未強(qiáng)制淘汰，但新的工藝、優(yōu)良的品質(zhì)是確保用電安全、提高供電可靠性、降低設(shè)備成本必備手段。部分中壓開關(guān)設(shè)備制造企業(yè)產(chǎn)品種類單一，抗市場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)能力較差，生產(chǎn)協(xié)作性差，是國(guó)內(nèi)中壓開關(guān)設(shè)備制造行業(yè)長(zhǎng)期存在的問題。因此，積極采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝、制造技術(shù)，形成一定規(guī)模的成套中壓開關(guān)設(shè)備能力勢(shì)在必行。本文研究了FBX型N2或SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備及其在糖廠的應(yīng)用效果，以期為糖廠應(yīng)用提供指導(dǎo)和參考。

1 FBX型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

FBX氣體絕緣開關(guān)設(shè)備是二次配電用的氣體絕緣三級(jí)封裝開關(guān)設(shè)備，其絕緣氣體采用N2或SF6，設(shè)備安裝在充滿N2或SF6氣體的金屬封閉氣室內(nèi)，不受潮濕、灰塵、污染和鼠蟲害等惡劣環(huán)境的影響，具有巨大的操作安全性、運(yùn)行安全性，同時(shí)延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。FBX氣體絕緣開關(guān)設(shè)備包含如下功能單元：帶負(fù)荷開關(guān)的電纜進(jìn)線或出線饋電單元、帶負(fù)荷開關(guān)熔斷器組的變壓器保護(hù)單元、帶真空斷路器的變壓器保護(hù)單元、無接地開關(guān)的直接進(jìn)線單元、帶接地開關(guān)的直接進(jìn)線單元、用負(fù)荷開關(guān)的母線分?jǐn)鄦卧?、用斷路器的母線分?jǐn)鄦卧?、?jì)量單元(空氣絕緣)。FBX氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)為：密封氣室：設(shè)備中的高壓導(dǎo)電部件安裝在無毒穩(wěn)定的惰性絕緣氣體中；控制面板與操作面板：控制面板界面設(shè)計(jì)了清晰的模擬圖和組合功能圖，確保了操作的安全和可靠；熔斷器室：熔斷器裝入絕緣的熔斷器座，熔斷器座組裝在充氣室內(nèi)；電纜室：電纜連接室適用于全絕緣連接系統(tǒng)、金屬封閉的連接系統(tǒng)和部分絕緣的連接系統(tǒng)；真空斷路器：三相變壓器保護(hù)包含一個(gè)真空斷路器和一個(gè)三工位隔離開關(guān)進(jìn)行線路分段和接地。

2 FBX型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)的研究

2.1 充氣箱體組裝與后蓋焊接技術(shù)

FBX氣體絕緣開關(guān)設(shè)備生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)之一是需要將三工位開關(guān)、套管、母線等部件，安裝進(jìn)充氣箱體。由于N2或SF6充氣柜為終身免維護(hù)柜，在安裝過程中需要嚴(yán)格控制各部件的安裝位置，同時(shí)，考慮到安裝的復(fù)雜度，需設(shè)計(jì)特殊工裝方便使用。為防止柜體在運(yùn)輸和使用過程中震動(dòng)造成的內(nèi)部故障，需要在箱體焊接以及零件安裝過程中保證機(jī)械強(qiáng)度，在生產(chǎn)過程中記錄和標(biāo)記做到防護(hù)處理，以保證安裝質(zhì)量。充氣箱采用2.5 mm不銹鋼板材料制作，綜合各種焊接工藝技術(shù)特點(diǎn)，氣箱采用熔化極氬弧焊進(jìn)行焊接。

采用熔化極氬弧焊焊接不銹鋼時(shí)，若使用純氬氣作為保護(hù)氣體，奧氏體會(huì)使液體金屬的粘度及表面張力較大，產(chǎn)生氣孔；焊縫金屬潤(rùn)濕性差，焊縫兩側(cè)易產(chǎn)生咬邊；電弧陰極斑點(diǎn)不穩(wěn)定，產(chǎn)生所謂陰極飄移現(xiàn)象，使焊縫的成形很差。為解決上述問題，采用氧化性混合氣體作保護(hù)氣體，即在純氬氣中加入少量氧氣或CO2氣體。焊接厚板時(shí)以射流過渡焊接，保護(hù)氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 98%Ar+2%O2。由于射流過渡采用較高的電壓和電流值，熔池流動(dòng)性好，故只適于平焊和橫焊；焊接薄板時(shí)以短路過渡焊接，保護(hù)氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為97.5%Ar+2.5%CO2。短路過渡時(shí)電壓和電流值均較低，熔滴短路時(shí)會(huì)熄弧，熔池溫度較低容易控制成形，因此適用于任意位置的焊接。同時(shí)，為了保證氣箱的焊接質(zhì)量，避免由于焊接習(xí)慣和水平的不同造成焊接質(zhì)量問題，采用機(jī)器人焊接和人工焊接共同完成。

2.2 充氣和檢漏技術(shù)

FBX氣體絕緣開關(guān)設(shè)備是充分利用絕緣氣體的絕緣和滅弧性質(zhì)的電氣設(shè)備。充氣、密封和撿漏技術(shù)是FBX氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)[2]。高性能FBX氣體絕緣開關(guān)設(shè)備對(duì)漏氣率具有極高的要求。漏氣率一直是各生產(chǎn)廠家和用戶關(guān)注的焦點(diǎn)。N2或SF6充氣柜年漏氣率都在 0.5%以下。開關(guān)或斷路器使用壽命一般都在30年左右。密封要考慮到密封元件的壓縮量、壽命、老化、可靠性方面的因素。當(dāng)箱體內(nèi)N2或SF6氣體壓力下降到大氣壓力時(shí)，似乎內(nèi)外壓力相等，氣體不存在泄漏。但從滲透角度考慮，箱體內(nèi) N2或 SF6氣體濃度顯然高于柜外，SF6氣體仍向外滲出，反之箱體外空氣濃度高于箱體內(nèi)，空氣又將通過縫隙進(jìn)入箱體內(nèi)。時(shí)間一長(zhǎng)，雖然箱體內(nèi)氣體壓力仍為大氣壓強(qiáng)，但氣體成分發(fā)生變化。N2或SF6氣體所占百分比減少，待N2或SF6比例降到40%時(shí)，有可能由于絕緣性能下降而導(dǎo)致事故，因此密封問題必須重視。N2或SF6負(fù)荷開關(guān)普遍采用密封圈來實(shí)現(xiàn)氣體的動(dòng)靜密封，也有極個(gè)別采用不銹鋼焊接和密封圈相結(jié)合的密封形式；充氣柜的密封方式有焊接密封、密封圈密封及金屬波紋管密封等。采用了焊接密封，要保證焊縫的氣密性，一般焊接設(shè)備和焊接技術(shù)達(dá)不到要求，至少要用氬弧焊或激光焊接設(shè)備進(jìn)行焊接，以保證焊接質(zhì)量。常用的N2或SF6氣體檢漏方法有2種：一是定性檢漏即查漏點(diǎn)：二是定量檢漏即密封24 h后測(cè)量密封容積內(nèi)的氣體濃度來推算年泄漏率。另外還要考慮環(huán)境因素對(duì)密封性能的影響，如高溫或低溫條件下密封性能是否滿足要求。

2.3 局部放電檢測(cè)技術(shù)

在有氣體或液體的固體電介質(zhì)中，當(dāng)擊穿場(chǎng)強(qiáng)的氣體或液體的局部場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到其擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，這部分氣體或液體開始放電。局部放電一般是由于絕緣體內(nèi)部或絕緣表面局部電場(chǎng)特別集中引起的。通常這種放電表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間小于l μs的脈沖[3]。

這種放電以僅造成導(dǎo)體間的絕緣局部短路橋接而不形成導(dǎo)電通道為限。每一次局部放電對(duì)絕緣介質(zhì)都會(huì)有一定的影響，輕微的局部放電對(duì)電力設(shè)備絕緣的影響較小，絕緣強(qiáng)度的下降較慢；而強(qiáng)烈的局部放電，則會(huì)使絕緣強(qiáng)度很快下降。這是使高壓電力設(shè)備絕緣損壞的一個(gè)重要因素。因此，設(shè)計(jì)高壓電力設(shè)備絕緣時(shí)，要考慮在長(zhǎng)期工作電壓的作用下，不允許絕緣結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生較強(qiáng)烈的局部放電。對(duì)運(yùn)行中的設(shè)備要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，當(dāng)局部放電超過一定程度時(shí)，應(yīng)將設(shè)備退出運(yùn)行，進(jìn)行檢修或更換。

局部放電測(cè)試主要是為了確定氣體絕緣開關(guān)設(shè)備是否存在放電及放電是否超標(biāo)，確定局部放電起始和熄滅電壓。發(fā)現(xiàn)其它絕緣試驗(yàn)不能檢查出來的絕緣局部隱形缺陷及故障。局部放電的主要電參量有：局部放電的視在電荷、局部放電試驗(yàn)電壓、規(guī)定的局部放電量值、局部放電起始電壓、局部放電熄滅電壓。

當(dāng)高壓電氣設(shè)備中絕緣體內(nèi)(如電纜絕緣內(nèi)部)或高壓導(dǎo)體附近在高電壓作用下，如果存在缺陷，在缺陷處出現(xiàn)局部放電，也就是在缺陷處會(huì)有瞬時(shí)的微小電壓變化，那么在電氣回路中會(huì)出現(xiàn)微小的脈沖信號(hào)(電壓或電流)，此脈沖信號(hào)叫放電脈沖信號(hào)。放電信號(hào)的頻譜非常寬，大約從數(shù)百赫茲到數(shù)百兆赫，放電信號(hào)波形很陡、很尖[4]。

一般情況下當(dāng)電氣設(shè)備絕緣體內(nèi)局部區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度到達(dá)擊穿場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，該區(qū)域就發(fā)生放電。局部區(qū)域是指類似于氣泡、微孔、氣隙和不同介質(zhì)的界面等，在放電理論中用氣體放電機(jī)理去分析，氣體放電機(jī)理分為電子碰撞電離理論和流注理論。在大氣中當(dāng)電極的距離比較大、氣壓比較高時(shí)或絕緣體的表面電阻很高、放電產(chǎn)生的空間電荷累積在氣隙兩端的介質(zhì)表面上，使電場(chǎng)集中從而可能產(chǎn)生流注放電；在絕緣內(nèi)部的氣隙，一般都是很薄的，通常都是電子碰撞電離放電，無論是流注放電還是電子碰撞電離放電，其放電脈沖的上升時(shí)間都小于 100 ns。

圖1 氣隙放電等值電路圖

氣體絕緣開關(guān)設(shè)備內(nèi)部氣隙發(fā)生局部放電時(shí)，在放電的瞬間，其等值回路如圖1所示。

圖中各點(diǎn)電壓可用此時(shí)工頻電壓的瞬時(shí)值為幅值的直流電壓來代替。氣體絕緣開關(guān)設(shè)備測(cè)點(diǎn)兩端在工頻電壓作用下，當(dāng)其兩端電壓上升到Us(瞬時(shí)值)時(shí)，絕緣內(nèi)部氣隙發(fā)生放電，此時(shí)氣隙兩端的引燃電壓為Us。當(dāng)氣隙放電終止，其兩端電壓下降到熄滅電壓Ur，在此放電過程中，氣隙兩端的電壓變化為ΔUc，ΔUc=Us-Ur。由于這個(gè)電壓變化，使測(cè)點(diǎn)兩端的電壓降低，也就是說Ca要給Cc和Cb補(bǔ)充電荷(在此瞬間，電源還來不及向極板充電)。因 ΔUc所引起測(cè)點(diǎn)兩端的電壓變化 ΔUs可由圖 1(c)算得。由圖 1(c)可知，r上的電壓降應(yīng)等于氣隙 Cc兩端的電壓Uc，即：

化簡(jiǎn)得：

這時(shí)，電容 Ca對(duì) Cc和 Cb補(bǔ)充電荷時(shí)引起 Ca測(cè)點(diǎn)兩端的電壓變化ΔUa為：

Qa=Ca·ΔUa，即為 Ca對(duì) Cc和 Cb所補(bǔ)充的電荷，其等效作用回路可準(zhǔn)確地用圖1(d)來表示。

由式7可知，氣隙在放電過程中，反應(yīng)在測(cè)點(diǎn)兩端的電壓變化并不是個(gè)理想的方波脈沖波，而是一個(gè)有一定上升時(shí)間(氣隙放電時(shí)間在 0.01～0.1 μs之間，油隙放電時(shí)間或沿面爬電的放電時(shí)間為數(shù)微秒)的指數(shù)脈沖波。這對(duì)判斷用多大的方波陡度來校正測(cè)量系統(tǒng)的刻度系數(shù)是很重要。若校正用的方波陡度與ΔUa的陡度相差很大，將引起較大測(cè)量誤差。

圖1是假定在整個(gè)氣隙內(nèi)放電的一個(gè)理想等值回路。與實(shí)際情況會(huì)有一定的差距，事實(shí)上可能只在氣隙內(nèi)某個(gè)局部的位置放電；氣隙表面電阻不可能是無窮大，是一個(gè)有限數(shù)值的電阻；在放電過程中，由于空間電荷的存在，使得放電過程復(fù)雜化。由于這些復(fù)雜情況的存在，不可能用一個(gè)簡(jiǎn)單的等值回路來詳盡地描述出這種微觀現(xiàn)象以及產(chǎn)生這些現(xiàn)象的本質(zhì)。但圖1是分析研究局部放電的基本物理模型。

目前，工程上普遍采用脈沖電流法測(cè)量局部放電，脈沖電流法測(cè)量局部放電的依據(jù)是：

式中：ΔU：局部放電產(chǎn)生的電壓變化；Cx測(cè)點(diǎn)兩端電容；Ck：測(cè)試回路中的耦合電容；Cd：檢測(cè)阻抗電容；q：視在放電量。

式中：ΔUd：檢測(cè)阻抗兩端放電電壓變化。由式9、式10可以得出視在放電量與檢測(cè)阻抗兩端放電電壓變化量的關(guān)系，如果能測(cè)出 ΔUd，就可以獲得放電的視在放電量。從以上2個(gè)公式中可以看出，ΔUd的大小與測(cè)點(diǎn)兩端電容、耦合電容和檢測(cè)阻抗電容的大小有關(guān)。測(cè)點(diǎn)兩端電容愈大，ΔUd愈小，測(cè)得的視在放電量就愈小；耦合電容愈大，ΔUd愈大，測(cè)得的視在放電量就愈大；檢測(cè)阻抗電容愈小，ΔUd愈大，測(cè)得的視在放電量就愈大。

2.4 工頻耐壓測(cè)試技術(shù)

工頻交流耐壓試驗(yàn)是考驗(yàn)氣體絕緣開關(guān)設(shè)備承受各種過電壓能力最嚴(yán)格有效的方法，通過實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，能夠保證安全運(yùn)行。交流耐壓試驗(yàn)的電壓形式、波形、頻率和在氣體絕緣開關(guān)設(shè)備內(nèi)部電壓的分布，均符合實(shí)際運(yùn)行情況，試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У匕l(fā)現(xiàn)絕緣缺陷。交流耐壓試驗(yàn)在氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的絕緣電阻及吸收比測(cè)量、直流泄漏電流測(cè)量及介質(zhì)損失角正切值 tgδ測(cè)量均合格后進(jìn)行。如在這些試驗(yàn)中己查明絕緣有缺陷，則應(yīng)設(shè)法消除，并重新試驗(yàn)合格后才能進(jìn)行交流耐壓試驗(yàn)，以免造成損壞。交流耐壓試驗(yàn)對(duì)于固體有機(jī)絕緣來說，會(huì)使原來存在的絕緣弱點(diǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大，使絕緣強(qiáng)度逐漸衰減，形成絕緣劣化的積累。必須正確地選擇試驗(yàn)電壓的標(biāo)準(zhǔn)和時(shí)間。試驗(yàn)電壓越高，發(fā)現(xiàn)絕緣缺陷的有效性越高，但被試品被擊穿的可能性越大，積累效應(yīng)越嚴(yán)重。試驗(yàn)電壓低，使設(shè)備在運(yùn)行中被擊穿的可能性增加。

3 FBX型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)及在糖業(yè)中的應(yīng)用

糖廠大型電動(dòng)機(jī)普遍使用在相對(duì)惡劣的環(huán)境之中，根據(jù)啟動(dòng)設(shè)備就近原則：撕裂機(jī)環(huán)境潮濕，糖霧易吸附在啟動(dòng)電器設(shè)備上，造成設(shè)備絕緣等級(jí)降低。鼓、引風(fēng)機(jī)易吸入大量煤粉，易產(chǎn)生爆炸和著火，給設(shè)備安全運(yùn)行帶來隱患。另一方面糖廠從 3月份以后氣溫就高達(dá)40℃以上，如果在封閉室內(nèi)氣溫則高達(dá)70℃以上，給設(shè)備運(yùn)行與穩(wěn)定帶來隱患。采用FBX氣體絕緣開關(guān)設(shè)備可幫助解決這些問題。

FBX氣體絕緣開關(guān)設(shè)備是充分利用絕緣氣體的絕緣和滅弧性質(zhì)的電氣設(shè)備。絕緣氣體常用的有N2、SF6、CF4、CF3I、CO2和 C4F7N 等等，以及它們的二元及多元組合，不同的絕緣氣體或絕緣氣體組合其絕緣和滅弧性質(zhì)各有不同[4]，但經(jīng)過精心選擇的絕緣氣體，其各種指標(biāo)均比較理想?；?N2或 SF6的 FBX氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的高電壓承受能力、大電流分?jǐn)嗄芰εc空氣絕緣開關(guān)設(shè)備相比均有大幅的提升，與傳統(tǒng)空氣絕緣開關(guān)設(shè)備相比在空間占用、使用維護(hù)、可靠性、使用壽命、安全性、投資等方面都極具優(yōu)勢(shì)。

對(duì)提高制糖過程電力系統(tǒng)高電壓、大電流、高功率、高功率密度最有效的直接手段。目前，應(yīng)用于制糖行業(yè)的撕裂機(jī)、球磨機(jī)、鍋爐鼓、引風(fēng)機(jī)、排粉風(fēng)機(jī)等的拖動(dòng)電機(jī)，單機(jī)功率普遍達(dá)到和超過0.6 MW；同時(shí)隨著糖業(yè)電力網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜化，還有部份糖廠處在孤網(wǎng)運(yùn)行，電力系統(tǒng)電壓的高壓化發(fā)展，對(duì)開關(guān)設(shè)備的耐壓等級(jí)、滅弧能力、大電流分?jǐn)嗄芰岢隽烁咭?。這些要求與FBX氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的功能性能恰恰吻合，同時(shí)也能給制糖業(yè)帶來可觀的收入。

4 結(jié)論

本文對(duì)基于 N2或 SF6的 FBX氣體絕緣開關(guān)設(shè)備生產(chǎn)制造過程中的生產(chǎn)實(shí)踐、質(zhì)量控制、關(guān)鍵技術(shù)等幾類問題進(jìn)行了研究。研究了FBX型N2或SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的功能和結(jié)構(gòu)；研究了 FBX型N2或 SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)；總結(jié)了FBX型 N2或 SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的功能性能特點(diǎn)；總結(jié)了與傳統(tǒng)空氣絕緣開關(guān)設(shè)備相比較的對(duì)比優(yōu)勢(shì)；分析了 FBX型N2或SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備在糖業(yè)中應(yīng)用的可行性、場(chǎng)景。展望未來，N2或SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備仍將以其多樣性和高增長(zhǎng)速度在我國(guó)各地的糖廠中乃至電網(wǎng)中發(fā)揮著越來越重要的作用。