環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備綜述

于婷 胡文廣

摘 要：本文首先介紹環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備中常用到的氣體種類(lèi)，包括N2/SF6混合氣體、氮?dú)夂腿饧淄?，?duì)比不同環(huán)保氣體的各項(xiàng)性能。同時(shí)闡述了環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備的相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，以供參考。

關(guān)鍵詞：氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備;環(huán)保氣體;關(guān)鍵技術(shù)：發(fā)展趨勢(shì)

1.概述

氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備是堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)中不可或缺的產(chǎn)品，其大量應(yīng)用于電網(wǎng)的配電系統(tǒng)中，直接關(guān)系到電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。SF6氣體由于優(yōu)良的絕緣性能，被廣泛應(yīng)用于氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備領(lǐng)域，但是SF6氣體是一種很強(qiáng)的溫室氣體，N2/SF6混合氣體、氮?dú)夂腿饧淄榈葰怏w都作為SF6的替代氣體被研究。

環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備以環(huán)保氣體（如少量SF6與N2混合氣體，干燥空氣，N2等）為主要絕緣介質(zhì)，使用真空滅弧室作為開(kāi)滅弧元件，并將真空滅弧室及一次導(dǎo)電回路固封在環(huán)氧樹(shù)脂殼體的不銹鋼氣箱中。國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)設(shè)備企業(yè)從2004年開(kāi)始研制環(huán)保氣體開(kāi)關(guān)設(shè)備，經(jīng)過(guò)十幾年的努力，已經(jīng)有不少公司研制的產(chǎn)品通過(guò)型式試驗(yàn)和掛網(wǎng)運(yùn)行，目前主要用于中壓領(lǐng)域，2014年8月21日，ABB宣布開(kāi)發(fā)出新型絕緣氣體混合物用于替代SF6，在開(kāi)關(guān)技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了突破。2020年7月由平高集團(tuán)與西安交通大學(xué)聯(lián)合自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的國(guó)內(nèi)首臺(tái)126kV無(wú)氟環(huán)保型氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備宣告研制成功。下面將傳統(tǒng)的空氣絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備與SF6氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備以及環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備的各項(xiàng)性進(jìn)行對(duì)比，將其總結(jié)如下，如表1所示。

2.氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)用環(huán)保氣體的種類(lèi)

通過(guò)表1可以看出，傳統(tǒng)的空氣絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備由于采用空氣作為絕緣介質(zhì)，極易受外部環(huán)境的影響，潮濕、臟污、海拔等情況將對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備產(chǎn)生較大的影響，而且開(kāi)關(guān)設(shè)備體積較大，占地面積較大，不符合小型化的趨勢(shì)。SF6 氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備由于采用 SF6 氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)，使開(kāi)關(guān)設(shè)備的體積減少，且不易受環(huán)境的影響，但由于SF6 氣體為溫室氣體，且使用過(guò)程中極易產(chǎn)生有毒物質(zhì)，在設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行泄漏檢測(cè)與防護(hù)。環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備與前兩者相比，將主回路安裝在充滿(mǎn)環(huán)保氣體氣箱內(nèi)，并通過(guò)真空滅弧室進(jìn)行滅弧，使設(shè)備體積小，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng);取消 SF6 氣體的檢漏設(shè)備和回收裝置，簡(jiǎn)化了檢測(cè)項(xiàng)目，不需對(duì)有毒分解物進(jìn)行檢測(cè);同時(shí)，環(huán)保氣體開(kāi)關(guān)設(shè)備安全可靠，免維護(hù)，規(guī)模化生產(chǎn)后成本較低。下面分別對(duì)目前市場(chǎng)上環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備產(chǎn)品中的SF6混合氣體、干燥空氣、氮?dú)饨^緣開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)特點(diǎn)的介紹。

2.1 N2/SF6混合氣體

已經(jīng)有研究表明在SF6中加入N2，CO2或空氣等普通氣體構(gòu)成的二元混合氣體展現(xiàn)出更多方面的優(yōu)越性。即使在SF6氣體很低的含量下，N2/SF6混合氣體便具有良好的絕緣性能。綜合技術(shù)、生態(tài)和環(huán)境可靠性等方面的考慮，10%～20%SF6氣體含量的混合氣體是較為優(yōu)選的氣體絕緣封閉金屬開(kāi)關(guān)的選配氣體方案。為了達(dá)到純SF6氣體的絕緣強(qiáng)度，只需提高氣體壓力45%～70%，且SF6氣體的用量和漏氣率將減少約為70%～85%。但這種混合氣體的擊穿電壓略低于具有同等絕緣強(qiáng)度的純SF6氣體。因而，即使是80%N2和20%SF6氣體只能用作絕緣介質(zhì)，而不能作為斷路器中的滅弧介質(zhì)，即N2/SF6混合氣體可用于氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)中承擔(dān)絕緣任務(wù)的所有部件，但是不能用于需要滅弧的氣室。

2.2氮?dú)猓∟2）

氮?dú)饨^緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備以氮?dú)庾鳛橹饕^緣介質(zhì)，利用真空滅弧室進(jìn)行開(kāi)斷。氮?dú)饨^緣性能不如SF6氣體，因此其體積相對(duì)較大。目前氮?dú)獾纳a(chǎn)工藝是將壓縮空氣經(jīng)過(guò)冷凍式干燥機(jī)進(jìn)行干燥，通過(guò)精密過(guò)濾器組濾除較大的固體和液態(tài)顆粒及油份，然后進(jìn)入活性炭吸附器，利用碳分子篩在不同壓力下對(duì)氮和氧及其他氣體的吸附量的不同，吸附除氮?dú)庵獾目諝夥肿?，從而獲得純度大于99% 的氮?dú)?，該?xiàng)制作工藝在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成熟。氮?dú)饨^緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備，固體絕緣材料較少，減小局部放電的風(fēng)險(xiǎn);同時(shí)，氮?dú)鉃榄h(huán)保型氣體，采用微正壓力氮?dú)饨^緣，降低了氣體泄漏的概率，且?guī)щ婓w均密封在氣箱中，提高了環(huán)境適應(yīng)能力，能夠承受高海拔、嚴(yán)寒、潮濕、污穢等惡劣環(huán)境。但是同N2/SF6混合氣體一樣，氮?dú)饨^緣性能不如 SF6 氣體、固體絕緣材料，導(dǎo)致氮?dú)饨^緣開(kāi)關(guān)設(shè)備體積相對(duì)較大。

2.3三氟碘甲烷（CF3I）

三氟碘甲烷作為制冷劑，已在制冷行業(yè)中有所應(yīng)用。其具有良好的導(dǎo)熱性能，又具有較好的電負(fù)性，所以也是作為SF6替代氣體的重要研究對(duì)象。日本某高校分別對(duì)比SF6氣體和三氟碘甲烷開(kāi)斷不同大小的電流，計(jì)算出其電弧時(shí)間常數(shù)和電弧能量損失系數(shù)來(lái)判斷氣體的開(kāi)斷能力的好壞。最終他們得出結(jié)論是：三氟碘甲烷和SF6的電弧時(shí)間常數(shù)相接近，但三氟碘甲烷的損失系數(shù)為SF6的一半，因而三氟碘甲烷也是SF6氣體的理想替代氣體。但是對(duì)應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品的研究并沒(méi)有大力推行，主要原因是因?yàn)槿饧淄橄鄬?duì)于SF6較低的沸點(diǎn)，為提高其沸點(diǎn)需添加其他氣體，針對(duì)這一混合氣體的組合方式也會(huì)成為較好的研究方向。

3.環(huán)保型氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備的技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)

首先是絕緣性能的優(yōu)化，正如上節(jié)文字提到的，N2的絕緣性能僅為SF6氣體的三分之一，因此要對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的絕緣進(jìn)行重新研制。為確保絕緣強(qiáng)度要加強(qiáng)研究罐體的焊接工藝及檢漏補(bǔ)氣技術(shù);同時(shí)考慮優(yōu)化電場(chǎng)設(shè)計(jì)，采用降低電場(chǎng)的元器件以使電場(chǎng)的分布盡量均勻。

其次是溫升與散熱問(wèn)題，金屬封閉開(kāi)關(guān)的主回路產(chǎn)生的熱量只能通過(guò)有限的對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射的方式進(jìn)行散熱，使開(kāi)關(guān)設(shè)備的升溫達(dá)到批量生產(chǎn)和安全使用的條件，但不同氣體在相同的設(shè)計(jì)條件下，其溫升裕度有很大的差別，同樣條件下SF6與N2 或干燥空氣相差10K以上。

最后是混合氣體的回收問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)不同比例的混合氣體回收裝置的研發(fā)，漏氣發(fā)生時(shí)如何補(bǔ)氣措施，產(chǎn)品維護(hù)維修措施，產(chǎn)品廢棄后的有害物質(zhì)的處理等都應(yīng)在理論上加強(qiáng)研究。

4.發(fā)展前景

與傳統(tǒng)SF6氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)相比，環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備具有巨大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也有許多難點(diǎn)，因此未來(lái)的發(fā)展動(dòng)向先要解決絕緣強(qiáng)度、溫升、和環(huán)保氣體工業(yè)化生產(chǎn)等的問(wèn)題;此外，開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能化將是發(fā)展的方向，如何實(shí)現(xiàn)一二次融合，減少配電自動(dòng)化安裝調(diào)試和維護(hù)的工作量，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性和自動(dòng)化水平將是開(kāi)關(guān)設(shè)備完善需要考慮的問(wèn)題。積極研究上述兩點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)我國(guó)的電力設(shè)備的發(fā)展具有重要意義。

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