中壓環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的實現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)

林春昭

（廈門顧德益電器有限公司，福建 廈門 361011）

0 引言

國內(nèi)通常普遍使用的N2、干燥空氣兩種介質(zhì)為主要氣體絕緣介質(zhì)，使用真空滅弧室作為開斷滅弧元件，主要一次導(dǎo)電回路直接密封于單層不銹鋼的空氣箱中，具有環(huán)保、小型化、不受潮濕、污穢、海拔等環(huán)境影響，還具備安全可靠、免額外維護(hù)、模塊化且生產(chǎn)成本較低等幾大優(yōu)勢，因此，電力行業(yè)在未來發(fā)展中，需要增加中壓環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的研究力度[1]。

1 中壓環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的主要特點

1.1 綠色環(huán)保，無污染

中壓環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備能夠控制溫室效應(yīng)產(chǎn)生并排放的氣體，這樣便可規(guī)避各種有毒或有害物質(zhì)的含量，增加各種資源在設(shè)備內(nèi)部的循環(huán)利用率，適當(dāng)降低設(shè)備自身的體積重量。

1.2 配置多樣，適用性強(qiáng)

開關(guān)單元采用全模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，滿足多種開關(guān)方案設(shè)計的不同需求。真空滅弧室+三工位下隔離/接地開關(guān)設(shè)計，具有明顯的可見隔離斷口，特別適合當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)需求。線路側(cè)或母線側(cè)不同的進(jìn)、出線均有成熟的配置方式，擴(kuò)展方案有側(cè)擴(kuò)式、頂擴(kuò)式、多單元共箱型等。

1.3 運(yùn)行穩(wěn)定，無需維修

傳統(tǒng)敞開式電力開關(guān)設(shè)備在安裝維修操作過程中，時常需要對開關(guān)元件的拆卸與安裝維護(hù)進(jìn)行檢修，這無疑會直接造成設(shè)備安裝操作過程的巨大差異，可能出現(xiàn)的開關(guān)局部元件過熱及短路故障的風(fēng)險。據(jù)統(tǒng)計，絕大多數(shù)技術(shù)缺陷及主要故障均直接發(fā)生在電力設(shè)備的實際運(yùn)行和日常維護(hù)操作過程中。因此，傳統(tǒng)敞開式高壓開關(guān)設(shè)備并不是一個免費(fèi)的維護(hù)開關(guān)設(shè)備而且比較易于發(fā)生安全故障，而環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備由于系統(tǒng)采用了完全密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，不受惡劣環(huán)境及溫度海拔變化影響，完整的GIS開關(guān)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以廣泛應(yīng)用在任何嚴(yán)苛高溫環(huán)境下，特別是高海拔危險地區(qū)。同時，真空斷路器具有長壽命、高可靠性的特點，也不再需要定期檢修。因此，環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備不僅是免維護(hù)的產(chǎn)品，而且可以具有更長的產(chǎn)品生命周期、更高的安全性和產(chǎn)品可靠性[2]。

2 中壓環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的具體實現(xiàn)

2.1 實現(xiàn)思路

實現(xiàn)思路對于中壓環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備而言屬于靈魂，代表設(shè)備設(shè)計的主要方向。目前，中壓環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)柜的設(shè)計思路應(yīng)從環(huán)保、小型化以及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮:（1）環(huán)保型：除了環(huán)境氣體的絕緣介質(zhì)的使用，也需要充分考慮環(huán)保材料的使用。在產(chǎn)品制造材料上使用可回收及減少或避免有毒有害物質(zhì)摻入的材料代替那些對環(huán)境有害、不可循環(huán)或不易循環(huán)使用的材料。（2）小型化：將產(chǎn)品設(shè)計的尺寸最小化，但不應(yīng)使設(shè)計制造的難度大大增加，且與同類產(chǎn)品相比成本波動過大，失去了小型化降低占用成本的現(xiàn)實意義。通過結(jié)構(gòu)簡化、電場仿真分析、傳動方式優(yōu)化、核心單元尺寸簡化等手段。（3）經(jīng)濟(jì)性：低成本不是目標(biāo)，高性價比才是產(chǎn)品的核心競爭力，是面對市場競爭，創(chuàng)造競爭優(yōu)勢的設(shè)計。通過設(shè)計優(yōu)化，可以減少零件的設(shè)計量，降低零件制造的難度，可以用標(biāo)準(zhǔn)件代替非標(biāo)準(zhǔn)件，可以用通用方案代替高成本的方案[3]。

2.2 挑選氣體

N2、CO2和干燥空氣同樣可以被作為SF6替代通用氣體。通過搜索查找更多有關(guān)它的資料，CO2絕緣體的性能最低，且優(yōu)點是沒有溫室排放氣體。N2和干燥空氣的絕緣性能僅為SF6的1/3。N2及干燥空氣氣體為非極性溫室效應(yīng)惰性氣體，沸點低，正常環(huán)境使用時不用時要考慮其氣體液化性的問題，可在高寒潮濕地區(qū)正常使用。干燥空氣的溫度導(dǎo)熱氧化性能較好，N2的溫度比熱較高。N2是有機(jī)空氣的主要化合成分，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定?？諝庵械腘2含量過高，會直接引起人體缺氧或者窒息。因此在設(shè)備采用N2絕緣時，應(yīng)盡量使用保溫通風(fēng)及排水防護(hù)絕緣設(shè)備。采用干燥空氣進(jìn)行絕緣則不必急于使用干燥通風(fēng)及空氣防護(hù)罩等設(shè)備。研究結(jié)果表明，與SF6相比，干燥空氣的耐壓對大量金屬惰性微粒相對不敏感，故在使用生產(chǎn)設(shè)備過程或者在使用工具過程中，由其產(chǎn)生的大量金屬惰性微粒對于干燥空氣產(chǎn)生絕緣效果影響不大[4]。

2.3 設(shè)計絕緣凈距離

單純以普通空氣作為開關(guān)絕緣介質(zhì)的金屬式非全封閉開關(guān)設(shè)備，當(dāng)額定絕緣電壓為12kV時，最小金屬空氣絕緣間隙約為125mm。但對于全封閉氣體絕緣開關(guān)設(shè)備，通過提高氣體擊穿電壓或改善導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，可適當(dāng)減少氣體絕緣間隙，避免設(shè)備在運(yùn)行過程因間隙產(chǎn)生其他故障。提高空氣氣隙中電離擊穿電壓的方法主要有兩種：（1）通過改善氣隙裂縫中的氣體電場離散分布，均勻電場；（2）可以設(shè)法通過削弱和增強(qiáng)抑制干燥氣體空氣氣隙中的電離擊穿過程。

改善內(nèi)部電場電荷分布的主要方法有以下幾種：（1）通過改善內(nèi)部電極板的形狀；（2）充分利用剩余空間電荷；（3）極不均勻地方在電場中可以增加導(dǎo)電屏障。在極不均勻的靜電場中，放入柔性絕緣板，在一定電場條件下也就可以大大提高電極間隙的絕緣擊穿率和電壓。絕緣板裝置能直接攔住與介于電暈絕緣電極隔離同號的各個空間電荷，這樣就可以能直接使介于電暈絕緣電極與隔離絕緣電路板之間的各個空間負(fù)荷電場大大減小，并以此確保電場分布情況足夠均勻。

3 中壓環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 常壓空氣絕緣技術(shù)

通過對大氣壓下電極絕緣的工頻和雷擊試驗，形成實際對應(yīng)的大氣壓下電極間隙擊穿電壓和電極間隙數(shù)值曲線，為大氣壓下絕緣設(shè)計提供依據(jù)。同時結(jié)合電場仿真基礎(chǔ)，對帶電體和氣箱內(nèi)部電間隙影響的電場進(jìn)行優(yōu)化，使得未密封的開關(guān)單元也能滿足在大氣空氣絕緣環(huán)境下所需絕緣測試要求。

3.2 固體絕緣替代技術(shù)

為了提高材料的可回收性，減少熱固性材料的使用，采用可回收、可降解的熱塑性樹脂基復(fù)合材料作為保溫材料代替固體保溫材料主要支撐，更符合綠色環(huán)保設(shè)備設(shè)計的現(xiàn)實意義[5]。此外，還需選用機(jī)械強(qiáng)度高、耐熱性好的優(yōu)質(zhì)環(huán)保型熱塑性樹脂基復(fù)合材料作為氣室主回路元件的絕緣支撐。在設(shè)備生命周期結(jié)束后可完全回收和降解，減少對環(huán)境的影響。

3.3 均勻電場優(yōu)化技術(shù)

由于設(shè)備小型化的需求，產(chǎn)品尺寸范圍限制，因此，需要在滿足間隙距離的基礎(chǔ)下通常會使用絕緣隔板類似的復(fù)合絕緣進(jìn)行改善，但實際的證明表示效果不明顯，在安裝過程還容易對其造成一定損壞。而且在其中使用復(fù)合絕緣介質(zhì)時，經(jīng)常發(fā)生被電場擊穿后無法恢復(fù)使用等問題，對設(shè)備的可靠性、免維護(hù)帶來影響。若通過采用電場優(yōu)化技術(shù)來改善開關(guān)局部電場強(qiáng)度的集中，減小氣體絕緣間隙，即使發(fā)生氣隙擊穿，也能迅速自恢復(fù)絕緣性能。因此，通過電場仿真分析，對電極表面的多種電場方案進(jìn)行對比分析，可以選擇最適合制造的方案。

3.4 核心單元模塊化技術(shù)

優(yōu)化開關(guān)核心部件零件型號，減少件數(shù)，模塊化設(shè)計，集成通用模塊，減少非標(biāo)件設(shè)計，提高生產(chǎn)效率。零件采用一次成型設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單，場強(qiáng)均勻，絕緣性能好，生產(chǎn)效率高，調(diào)節(jié)少，組裝方便。合理布局后的主電路元件和開關(guān)單元的模塊化設(shè)計，可以組合滿足不同用戶的需求計劃，為斷路器、負(fù)荷開關(guān)、PT單元，以及其他線路的規(guī)劃不同方案[6]。

3.5 智能保護(hù)監(jiān)測技術(shù)

（1）安全保護(hù)系統(tǒng)功能。其主要包括高壓短路故障保護(hù)、低電壓短路保護(hù)、過電壓短路保護(hù)、接地短路故障修復(fù)保護(hù)以及電源斷路器驅(qū)動失靈故障保護(hù)等。

（2）視頻監(jiān)視錄像功能。其主要能夠同時實現(xiàn)移動終端監(jiān)控設(shè)備的自我自動檢測、電閘過后驅(qū)動回路工作電流的自動監(jiān)視以及電閘斷路器正常運(yùn)行工作狀態(tài)的實時自動監(jiān)控等。

（3）控制運(yùn)動功能?？梢酝ㄟ^遠(yuǎn)程監(jiān)控計算機(jī)或者遠(yuǎn)程遙感控制設(shè)備對監(jiān)控設(shè)備合閘進(jìn)行遠(yuǎn)程或就地進(jìn)行信號采集控制，可以有效保護(hù)設(shè)備合閘和防止跳閘。

（4）提高測量精度功能。測量電壓功能中還可以同時測量絕對相電流、相對電壓的相關(guān)數(shù)值。

（5）網(wǎng)絡(luò)通信控制功能。該通信功能主要能夠與遠(yuǎn)程移動計算機(jī)或者遠(yuǎn)程變電站設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信。

4 結(jié)語

綜上所述，中壓環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備由于市場經(jīng)濟(jì)效益好，環(huán)境污染代價小，近幾年開始受到社會大眾的廣泛關(guān)注，未來中壓電源開關(guān)設(shè)備必然也是需要不斷繼續(xù)向著工業(yè)智能化、低污染和優(yōu)化的方向快速發(fā)展，企業(yè)必然應(yīng)該不斷加大研發(fā)投入，使得智能化、低污染和優(yōu)化的新型中壓開關(guān)設(shè)備贏得我國市場的廣泛青睞。