基于SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的研究應用

孫明福 蘇文瑞

摘 要：高壓交流六氟化硫斷路器（GCB）具有較高的可靠性能、合理經濟的運行維護成本，在電力系統中應用廣泛。本文通過對高壓交流六氟化硫斷路器的特點及類型介紹，對高壓交流六氟化硫斷路器設備中斷路器、盆式絕緣子、三相共箱主母線等元件進行優化，對SF6 絕緣電氣設備分解產物在線監測系統研究以及對SF6 氣體絕緣件的設計研究三方面來具體介紹基于SF6 氣體絕緣金屬封閉開關設備的優化研究情況。

關鍵詞：高壓交流六氟化硫斷路器；特點；SF6 氣體

中圖分類號：TM595 文獻標識碼：A

高壓交流六氟化硫斷路器（又稱為GCB）是一種以SF6氣體作為絕緣和滅弧介質，在高壓輸電線路中能夠承載、關合、開斷運行回路正常電流，也能在規定時間內承載、關合及開斷規定故障電流的開關設備。隨著我國電力事業的發展，對可靠性高、少維護、小型化高壓開關設備提出更高的要求。

1 高壓交流六氟化硫斷路器的特點及類型

1.1 高壓交流六氟化硫斷路器的特點

高壓交流六氟化硫斷路器（GCB）具有良好的絕緣和滅弧性能。此外，高壓交流六氟化硫斷路器與油斷路器、壓縮空氣斷路器相比，具有開斷性能優良、滅弧室結構多樣化、結構簡單、可靠性好、少維護、成本低等特點，可以避免發生油斷路器噴火、噴油等現象。

1.2 高壓交流六氟化硫斷路器（GCB）類型

（1）瓷柱式SF6斷路器。瓷柱式SF6斷路器是滅弧室處在一個絕緣瓷套或復合套管內的斷路器。系列性強，它是由一個標準的開斷單元通過積木式的方式派生出多個額定電壓等級的產品。瓷柱式斷路器使用液壓操作機構，其相關元件以及線路均設于控制柜內。滅弧室由液壓工作缸直接操動。支柱瓷套內裝有絕緣操作桿，操作桿與液壓工作缸相連接。瓷柱式SF6斷路器價格比罐式SF6斷路器低，在高中壓領域廣泛應用。（2）罐式SF6斷路器。罐式SF6斷路器是滅弧室處在一個接地金屬外殼中的斷路器，它由滅弧室、絕緣拉桿、電流互感器、出線套管、操動機構組成。可配用液壓操動系統、氣動操作系統和彈簧操動機構進行操作，同時匯控柜裝有對斷路器執行控制的二次元件。它具有箱式多油斷路器的優點，便于加裝電流互感器，結構緊湊、重心低、抗震性能好，但系列性較差，造價昂貴。

2 基于高壓交流六氟化硫斷路器設備的研究

2.1 基于高壓交流六氟化硫斷路器設備元件的優化

（1）斷路器。斷路器作為電力系統中重要的電器設備，主要用于開斷故障電流。六氟化硫斷路器為三相分立的落地式結構，三相氣體通過銅管連接，具有獨立的壓氣式滅弧室。高壓交流六氟化硫斷路器中以SF6氣體作為斷路器中的絕緣和滅弧介質，由于電弧的電離作用使得斷口間的SF6氣體絕緣強度低于周圍的SF6氣體。通過利用仿真軟件和數值分析來對高壓交流六氟化硫斷路器的靜電場進行優化，減小其尺寸，提高其開斷性能。（2）盆式絕緣子。盆式絕緣子在高壓交流六氟化硫斷路器設備中起著隔離氣室、支撐導體以及絕緣的作用。盆式絕緣子絕緣強度不但與環氧樹脂自身的性能有關，還與支撐絕緣子殼體內的SF6氣體壓力相關。可通過利用高低電位電極形狀來對電極、SF6氣體、絕緣件的介質交界面進行優化處理，從而保證盆式絕緣子場強分布均勻性。（3）三相共箱主母線。三相共箱主母線作為連接間隔的元件，通過電場優化，增大導體直徑、減小回路電阻等方式來增大母線的額定電流。

2.2 SF6絕緣電氣設備分解產物在線監測系統研究

SF6電氣設備的穩定性及可靠性取決于SF6氣體的純度，如果SF6氣體中混有雜質而達不到規定標準，那么它的滅弧和絕緣特性就會大大下降。為長期連續監測和記錄SF6絕緣電氣設備中SF6純度、SO2含量、壓力和溫度等相關數據，及時進行數據通訊，快速判斷SF6絕緣電氣設備當前的絕緣狀況，迫切需要加強對SF6絕緣電氣設備分解產物在線監測系統的研究。SF6絕緣電氣設備絕緣狀態在線監測系統設計方案：將一臺現場監測單元同時與多個變送器單元通訊，同時后臺機也可以與多個現場監測單元進行通訊，最后將各后臺機的通訊所得數據一并傳送到位于局方監測系統的遠程維護中心進行綜合分析。后臺機預留以太網口和串口和遠程維護中心通訊，最終實現全部變電設備的狀態評估。設計的SF6絕緣電氣設備分解產物在線監測系統為適應高壓強電場的環境，增加設備的可靠性能，需對設備的硬件和軟件抗干擾技術進行優化，以此來消除電磁脈沖、電磁輻射、靜電感應等干擾產生的影響。

2.3 加強SF6氣體絕緣件的設計研究

絕緣件聯系高電位部件與地電位外殼，起著支撐與對地絕緣的作用。高壓交流六氟化硫斷路器中SF6氣體絕緣件設計應滿足：有足夠的絕緣強度、有足夠的機械強度等要求。由于SF6氣體絕緣特性與電場的不均勻度有很大關系。此外，SF6氣體絕緣具有的極性效應、電極表面狀態效應等對SF6氣體間隙擊穿電壓均有影響。在稍不均勻電場結構中，當SF6間隙中的最大場強達到某一數值Eb時，間隙擊穿電壓為

Ub = η × Eb × d

Ub- 擊穿電壓，kV；

η-絕緣利用系數，為間隙中平均場強Eav與最大場強Emax之比；

d- SF6間隙距離，cm；

Eb- 擊穿場場強，kV·cm-1；

當SF6沿面絕緣結構中的最大場強達到某一數值Ef時會發生閃絡。閃絡電壓可估算為Uf = η × Ef× d。

加強SF6氣體絕緣件的設計研究，主要考慮電場分布的均勻性，設計SF6電器中的絕緣件時多采用“矮胖”結構，使絕緣件各處最大場強限制在允許值范圍之內。使用的絕緣類型包括氣體絕緣、沿面絕緣、固體絕緣、界面絕緣四種。在設計穿墻套管時，通過將高的場強作用于固體絕緣介質，從而使沿面的場強降低，改變了電場分布。對絕緣子的設計一般通過對電場進行計算分析并優化來完成，兼顧澆注工藝和機械強度，確保絕緣子電場分布的合理性、安全可靠性。插接件設計時，為使高壓交流六氟化硫斷路器中的高壓元件避免受外界影響，需將其暴露于空氣部分的外表面做成帶屏蔽的結構。

結語

通過對基于SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的優化研究，以期制造出性能更好、應用更廣的高壓開關設備，從而適應未來變電站設備高電壓、大容量、小型化的發展趨勢。

參考文獻

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