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      敞開式SF6 斷路器氣室保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      2020-12-11 08:43:30
      山東電力技術(shù) 2020年11期
      關(guān)鍵詞:滅弧保溫箱氣室

      (錫林郭勒電業(yè)局,內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000)

      0 引言

      在我國北方,尤其是新疆西北部、內(nèi)蒙古北部及東北部、哈爾濱北部等地區(qū),冬季最低冬季氣溫可達(dá)-30 ℃以下,極端天氣情況下最低氣溫可達(dá)-40 ℃。目前,在超、特高壓電力系統(tǒng)中,以SF6作為絕緣介質(zhì)的GIS 設(shè)備應(yīng)用廣泛[1],SF6氣體具有良好的絕緣性、滅弧性,被廣泛推廣和應(yīng)用在各種氣體絕緣電氣設(shè)備中[2]。然而,常規(guī)SF6斷路器滅弧室內(nèi)SF6氣體的液化溫度一般為-30 ℃,冬季極寒天氣下SF6氣室氣壓已經(jīng)低于正常工作閉鎖壓力,高壓斷路器的正常絕緣及開斷特性受到極大威脅[3],根據(jù)最新《國家電網(wǎng)公司十八項(xiàng)電網(wǎng)重大反事故措施》,日溫差大和低溫地區(qū)應(yīng)采取戶內(nèi)布置,而目前寒冷地區(qū)的220 kV變電站大多采用戶外布置,運(yùn)行時(shí)若不采取應(yīng)對措施,絕緣介質(zhì)的液化以及操作機(jī)構(gòu)的低溫劣化將導(dǎo)致斷路設(shè)備無法正常運(yùn)行,嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[4]。

      目前,針對GIS 設(shè)備低溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行的保護(hù)措施主要有以下幾類:降低SF6氣室氣壓、加注其他氣體混合、安裝加熱裝置等。通過減少SF6氣體的壓力來降低SF6氣體的液化臨界溫度,使電路斷路器操作能力在低溫環(huán)境中得到很大提升,但這將降低其滅弧能力及絕緣斷路器的性能[5];為降低SF6氣體的液化臨界溫度,可在純SF6氣體添加N2、CF4或CO2氣體,然而該方法加速了氣體絕緣性能的劣化,應(yīng)用范圍也非常有限[6];解決斷路器低溫報(bào)警閉鎖異?,F(xiàn)象的另一種方法就是直熱式或外包伴熱式對設(shè)備本體SF6氣體進(jìn)行加熱,罐式SF6斷路器普遍使用此方法,因?yàn)槠渫鈿そ拥?,且金屬外殼的?dǎo)熱性好[7],而對于SF6瓷柱斷路器來說存在一定難度,因其散熱面積大,瓷套外表面不能增加加熱裝置,只能加裝在滅弧室的拐臂箱上,加熱效果受限[8]。針對敞開式SF6斷路器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和性能參數(shù),設(shè)計(jì)智能控溫的保溫系統(tǒng)來防止氣室內(nèi)SF6氣體液化,提升氣體壓力,保障SF6斷路器在極低溫環(huán)境狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行是非常必要的。

      1 敞開式SF6 斷路器

      1.1 主要結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)

      SF6高壓斷路器是利用SF6氣體作為滅弧和絕緣介質(zhì)的斷路器,SF6高壓斷路器在結(jié)構(gòu)上可分為支柱式和罐式兩種,根據(jù)電壓等級的不同支柱瓷柱式結(jié)構(gòu)又可分為單斷口和雙端口兩種。針對瓷柱敞開式SF6斷路器進(jìn)行研究,該斷路器的滅弧室采用自能式滅弧結(jié)構(gòu),分閘時(shí),壓氣缸內(nèi)的SF6氣體在壓力的作用下通過噴口噴向燃弧區(qū)域,使電弧熄滅。

      SF6氣體屬于穩(wěn)定性較高的負(fù)電性氣體[9],是一種無色無味、無毒阻燃、導(dǎo)熱性強(qiáng)的惰性氣體,其本身具備良好的絕緣和滅弧能力,弧間隙的高溫致使SF6氣體分解為氟原子、硫原子和少量氟化物,可吸附大量空間中的電子并集聚于SF6氣體分解產(chǎn)物周圍,起到了隔絕的效果,且其絕緣和滅弧的能力隨氣體壓力逐漸增大而不斷增強(qiáng)。

      1.2 存在的問題

      SF6高壓斷路器雖然具備絕緣能力強(qiáng)、開斷能力好等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn),但在實(shí)際應(yīng)用過程中,仍存在許多問題,給設(shè)備安全運(yùn)行和維護(hù)帶來隱患,具體為:1)設(shè)備安裝、連接過程中留有空隙,導(dǎo)致氣室氣體泄漏;2)SF6氣體中含有雜質(zhì)或水分,降低絕緣、滅弧能力;3)氣室溫度過高導(dǎo)致SF6氣體分解反應(yīng)產(chǎn)生腐蝕性物質(zhì),破壞密封材料;4)氣室氣壓不足,絕緣、滅弧能力減弱。

      然而,SF6斷路器的絕緣和開斷滅弧性能的優(yōu)良,主要取決于氣室SF6氣體壓力的大小,而極寒天氣將導(dǎo)致環(huán)境溫度逐漸下降,SF6氣室氣壓隨之逐漸減小,內(nèi)部氣體出現(xiàn)液化,SF6斷路器的機(jī)械特性和動作速度逐漸滯后,SF6氣體的滅弧反應(yīng)時(shí)間增加、分解反應(yīng)效率削弱,斷路器吹弧絕緣能力降低,進(jìn)一步給設(shè)備運(yùn)維帶來安全隱患;在極端天氣的狀況下SF6氣體的液化給電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來巨大的威脅,頻繁的故障也將給電網(wǎng)系統(tǒng)帶來巨大損失。表1所示為氣溫對SF6氣室壓力的影響[4]。

      表1 氣溫對SF6 氣室壓力的影響

      由表1 可知,隨著環(huán)境溫度的逐漸降低,SF6氣體的絕對壓力呈下降趨勢,正常的SF6氣體在-30~-25 ℃時(shí),其液化的壓力一般在0.60 MPa 左右,由于溫度對氣室氣壓的影響,在-30 ℃的狀態(tài)下SF6氣體即出現(xiàn)液化情況。然而,在我國北方多數(shù)地區(qū),冬季溫度出現(xiàn)多次-30 ℃,甚至部分地區(qū)氣溫能夠達(dá)到-40 ℃,電網(wǎng)系統(tǒng)SF6斷路器的穩(wěn)定運(yùn)行環(huán)境將受到破壞,頻繁出現(xiàn)斷路系統(tǒng)告警和閉鎖的現(xiàn)象。

      2 加熱保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

      該保溫系統(tǒng)利用2 mm 厚不銹鋼外殼將SF6氣室及機(jī)構(gòu)整體密封包裹,敞開式斷路器的氣室整體由機(jī)構(gòu)箱包裹,在保溫箱前端不銹鋼殼體設(shè)有透明有機(jī)玻璃觀測窗便于對內(nèi)部壓力表、溫控儀及加熱裝置進(jìn)行外部觀測,保證在內(nèi)部溫度場環(huán)境不被破壞的情況下進(jìn)行現(xiàn)場運(yùn)行勘查;不銹鋼保護(hù)殼體內(nèi)層包裹高密度橡塑防火保溫棉,具有良好的延展性和柔韌性,便于保溫箱內(nèi)壁無縫隙貼合安裝,能夠有效減弱外部冷空氣與內(nèi)部保溫環(huán)境的對流換熱,達(dá)到了保護(hù)和內(nèi)外隔絕的效果。同時(shí),在箱體內(nèi)安有溫控儀、伴熱帶及3 組JRD2-3 鋁合金加熱器,實(shí)現(xiàn)保溫箱體內(nèi)溫度智能控制。該保溫系統(tǒng)在不破壞斷路器本體的情況下,在氣室外層加裝保溫防護(hù)殼體,通過智能溫控儀調(diào)控保溫箱內(nèi)的溫度,保證氣室SF6氣體的壓力穩(wěn)定。220 kV 瓷柱式敞開式SF6斷路器加裝保溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示,其現(xiàn)場安裝效果如圖1(b)所示。

      2.2 主要控溫裝置

      控溫系統(tǒng)選用PY-SM5 型LCD 高精度智能溫控器(溫控精準(zhǔn)度0.1 ℃,實(shí)測溫度、啟停溫度同時(shí)液晶顯示)作為溫度智能監(jiān)控裝置,具體參數(shù)如表2 所示,能夠?qū)崟r(shí)高精度檢測保溫箱內(nèi)的環(huán)境溫度,同時(shí),能夠及時(shí)做出溫度調(diào)節(jié)反饋動作,控制加熱裝置進(jìn)行升溫,保溫箱內(nèi)共安裝有3 組JRD2-3 鋁合金加熱器,氣室外壁、固定鋼筋上均纏繞伴熱帶,增加換熱面積,實(shí)現(xiàn)快速升溫的效果。

      圖1 220 kV 瓷柱敞開式SF6 斷路器加裝保溫系統(tǒng)

      表2 LCD 高精度智能溫控器參數(shù)

      JRD2-3 鋁合金加熱器(電壓為AC220 V,功率為100 W)因其加熱效率高、控制方法簡單等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于高壓開關(guān)柜、端子箱、箱式變電站等電力設(shè)備祛濕,防凝露,提高電器元件工作環(huán)境溫度,避免由于開關(guān)設(shè)備內(nèi)部發(fā)生凝露而產(chǎn)生的爬電及閃爍事故。

      功率較大的3 組JRD2-3 鋁合金加熱器呈三角狀排列布置于SF6氣室下端約300 mm 位置,低功率電加熱伴熱帶緊貼均勻纏繞于氣室及四組固定鋼筋外圍,增加了換熱面積,且受熱范圍均勻。當(dāng)環(huán)境溫度極低時(shí),加熱器通電使周圍局部空間內(nèi)空氣快速受熱膨脹,箱體內(nèi)冷氣流被熱氣流擠壓向箱體四周擴(kuò)散,受擠壓擴(kuò)散的冷空氣在箱體四周伴熱帶的作用下繼續(xù)受熱膨脹和再循環(huán),整個(gè)箱體內(nèi)部的熱氣流由SF6氣室中央向箱體四周不斷往復(fù)循環(huán),實(shí)現(xiàn)箱內(nèi)快速升溫;當(dāng)箱體內(nèi)溫度逐漸接近預(yù)設(shè)溫度時(shí),加熱模式轉(zhuǎn)化為低功率伴熱帶單獨(dú)加熱,使溫度逐漸維持在預(yù)設(shè)溫度±2 ℃范圍內(nèi)波動,保障SF6斷路器氣室氣壓穩(wěn)定。

      2.3 控溫效果測試

      現(xiàn)場安裝測試前進(jìn)行控溫效果測試實(shí)驗(yàn)。將設(shè)計(jì)好的保溫箱體,模擬現(xiàn)場安裝方式布置加熱器和伴熱帶,首先將整個(gè)箱體通電置于室內(nèi)環(huán)境下(20 ℃左右),待溫度示數(shù)逐漸穩(wěn)定時(shí),將機(jī)構(gòu)整體置于室外寒冷環(huán)境狀態(tài)下(最低氣溫-32 ℃左右),記錄箱體內(nèi)、外部環(huán)境溫度動態(tài)變化情況,記錄結(jié)果如圖2所示。

      圖2 保溫箱控溫效果溫度曲線

      測試結(jié)果顯示:環(huán)境溫度突然驟降時(shí),由于保溫箱具備一定的保溫能力,在一段時(shí)間內(nèi)保溫箱內(nèi)的溫度緩慢下降,但在沒有發(fā)熱源的情況下,箱體內(nèi)溫度難以持續(xù)維持長久;受外界冷空氣影響,箱內(nèi)溫度快速下降至-10 ℃以下后,箱內(nèi)加熱裝置快速啟動提升溫度,可在10 min 之內(nèi)快速遏制箱內(nèi)溫度繼續(xù)下滑,并在伴熱帶的控溫調(diào)節(jié)下逐漸趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定后的箱內(nèi)溫度在設(shè)定溫度±2 ℃范圍內(nèi)波動,可滿足現(xiàn)場斷路設(shè)備的正常運(yùn)行所需溫度。

      3 現(xiàn)場試驗(yàn)

      保溫箱試驗(yàn)運(yùn)行及數(shù)據(jù)監(jiān)測安排在錫林郭勒盟地區(qū)某一電網(wǎng)現(xiàn)場進(jìn)行,試驗(yàn)共選取了該廠區(qū)位置相對靠近的兩組(1 號、2 號)220 kV 瓷柱敞開式SF6斷路器分別進(jìn)行,該兩組斷路器各類工作參數(shù)均相同,由同一廠家統(tǒng)一安裝,運(yùn)行時(shí)間相同,日常運(yùn)行維護(hù)狀態(tài)相同。

      保溫箱體安裝在2 號斷路器上,1 號機(jī)組未做任何處理,選取事故多發(fā)時(shí)間段連續(xù)觀測多天斷路器運(yùn)行狀態(tài),分別對1、2 號機(jī)組的各項(xiàng)參數(shù)統(tǒng)計(jì)匯總,其中部分試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如表3 所示。對1、2 號機(jī)組斷路器氣室外層溫度監(jiān)測記錄對比分析的結(jié)果如圖3 所示。

      表3 部分現(xiàn)場試驗(yàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

      圖3 1 號、2 號監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果曲線

      結(jié)果顯示:SF6斷路器外部加裝保溫箱設(shè)備具有良好的保溫效果,通過現(xiàn)場對比試驗(yàn)驗(yàn)證,該保溫裝置能夠使斷路器氣室壓力保持在0.56 MPa 及以上,2 號加裝保溫箱的斷路器氣室外層溫度較未加裝保溫箱的1 號機(jī)組平均溫度高出25 ℃左右;且13 天對比試驗(yàn)過程中,1 號斷路器共發(fā)生告警和閉鎖現(xiàn)象各10 次,2 號斷路器未發(fā)生任何現(xiàn)場事故;該保溫能夠根據(jù)外界環(huán)境溫度情況快速做出反應(yīng),控制加熱器和伴熱帶的協(xié)調(diào)加熱,保證斷路器氣室周圍溫度在極寒狀態(tài)下仍能維持箱體內(nèi)溫度在較小的范圍波動,有效解決了SF6斷路器在低溫狀態(tài)下的不穩(wěn)定運(yùn)行狀況。

      4 結(jié)語

      敞開式SF6斷路器氣室保溫系統(tǒng)的優(yōu)勢包括:安裝、拆卸方便,加熱、保溫效果良好,非常適用于極寒地區(qū)敞開式SF6斷路器的使用;自適應(yīng)能力強(qiáng),智能化程度高,能夠根據(jù)環(huán)境溫度變化,快速調(diào)節(jié)保護(hù)體內(nèi)部的溫度;整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,適合外部巡檢人員檢修、操作及調(diào)試;適應(yīng)范圍廣、應(yīng)用成本低,具有很強(qiáng)的推廣和應(yīng)用價(jià)值。

      該系統(tǒng)對解決SF6斷路器極端環(huán)境存在的告警、閉鎖問題具有重要意義,是高電壓GIS 設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的有力保障,對電網(wǎng)的高效運(yùn)行帶來了收益,有效減少經(jīng)濟(jì)損失和人員不必要的勞動量。

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