10 kV柜式環保氣體絕緣金屬封閉開關柜的關鍵技術研究

周桂平，魯旭臣，洪 鶴，謝 誠，李險峰，張交鎖

（1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；

2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；

3.國網撫順供電公司，遼寧 撫順 113008；4.沈陽華利電器集團，遼寧 沈陽 110027）

10 kV柜式環保氣體絕緣金屬封閉開關柜的關鍵技術研究

周桂平1，魯旭臣1，洪 鶴2，謝 誠2，李險峰3，張交鎖4

（1.國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006；

2.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；

3.國網撫順供電公司，遼寧 撫順 113008；4.沈陽華利電器集團，遼寧 沈陽 110027）

重點分析了10 kV柜式開關柜的技術難點，提出了保證設備開斷能力的新型開關結構，對電場進行優化設計，在檢漏補氣及焊接工藝方面進行了研究。根據研究成果生產了10 kV環保氣體絕緣金屬封閉式開關設備，并應用于現場，運行效果良好。

環保氣體；開關設備；氣體絕緣；開斷能力

近年來，國內外涌現了以SF6氣體為絕緣介質的10 kV柜式開關設備，以較小的占地面積和高可靠性迅速得到推廣使用，但眾所周知，SF6氣體是典型的溫室氣體，大量使用SF6氣體對保護地球環境產生了巨大威脅，因為SF6的1個分子對溫室效應的影響是1個CO2分子的23 900倍。全球生產的SF6約50%用于電力行業［1］，其中80%用于開關設備。

有試驗表明干燥空氣和氮氣在相同的環境下，同樣具有較好的絕緣性能，可以作為10 kV柜式開關設備的絕緣介質。本文重點分析了10 kV柜式開關柜的技術難點，提出了新型的開關結構，保證設備的開斷能力，對電場進行優化設計，在檢漏補氣以及焊接工藝方面進行了研究。

1 性能與特點

環保氣體絕緣金屬封閉開關設備規模化生產制造成本比起SF6氣體絕緣金屬封閉開關柜預計持平，或根據不同規格僅高出10%～15%。少量的成本升高換來的是優異的環境適應性和高可靠性、高安全性及免維護性等方面大的提升，性價比高，設備LCC全生命周期成本大大降低，考慮到未來可能發生的碳排放稅，無SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備更加經濟。因此，環保氣體絕緣開關設備的規模化生產既可以提高設備的經濟性，又可以實現產品設備優異的性能穩定性、結構輕量化，就像高壓GIS最終取代敞開式高壓設備一樣，無／低SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備取代空氣絕緣設備，是一個不可逆轉的趨勢。

將環保氣體金屬封閉開關設備與現有大量運行的空氣絕緣金屬封閉開關設備以及SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的各項性能指標進行歸納總結及對比分析，如表1所示。

表1 各項性能比較

傳統的空氣絕緣金屬封閉開關設備無溫室氣體排放，成本低，但體積大、占地大，且易受周圍環境的影響，為非免維護型產品；SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備雖然體積小、節約占地，環境適應性強，但是其溫室氣體的排放對環境有危害，并且在設備的運行中需要對 SF6氣體進行泄漏檢測與防護。

環保氣體金屬封閉開關設備與前兩者相比較，綠色環保，環境適應性強，體積小、節約占地，無需SF6氣體檢測與防護，安全可靠，免維護，并且規模化生產后成本較低，是現階段比較理想的中壓金屬封閉開關設備。

2 技術研究

環保氣體金屬封閉開關設備的關鍵技術難點主要體現在以下幾個方面。

“校企一體”教學模式由以往的學校和企業“三明治”式的培養學生的方式變為現在的學校和企業一體式的培養學生方式。校企雙方根據崗位需求和工作能力要求，共同制訂人才培養方案，開發課程，共同建設專兼職教師隊伍，共同授課，共同制定人才培養驗收標準。在培養過程中，采取職業素質與崗位能力并重，校訓精神和企業文化相互滲透的培養方式，學生從入學開始，不僅編入學院專業建制班級，而且根據培養方向編入高爾夫俱樂部，參加俱樂部活動。學生在校其間，實行階段培養、分組管理、崗位情境模擬教學，提高學生實操能力，達到崗位需求標準。俱樂部管理人員與學院教師相互兼職，由俱樂部高管對學院人才培養全過程進行監控、指導并驗收。

環保氣體絕緣開關柜采用的是環保氣體，如干燥空氣或N2作為絕緣介質而不是采用SF6氣體，由于干燥空氣或N2的絕緣性能低于SF6，尤其是N2，絕緣性能只有SF6氣體的1／3，同時，為了保持與使用SF6氣體作為絕緣介質的開關柜外形尺寸一致，針對環保氣體絕緣開關柜的絕緣性能進行了研究，在檢漏補氣方面采用了自動檢漏和充放氣設備，在焊接工藝方面采用了先進的激光焊接設備，保證設備的密封性。

由于環保氣體絕緣金屬封閉開關設備為緊湊型，整個開關柜是將高壓元件密封于不銹鋼氣箱內，密閉的氣箱空間對于負載電流產生的熱量只能通過有限的對流、傳導和輻射方式進行散熱［1］，因此它的設計電流密度相對于傳統式 （或敞開式）空氣絕緣需要適當降低。不同氣體相同的設計，其溫升裕度有很大差別，同樣條件下SF6與N2或干燥空氣相差10 K以上［2］，所以溫升的控制是設計中必須要解決的一個難點。

對于環保氣體絕緣金屬封閉開關柜中的負荷單位，如果采用環保氣體開斷，其壽命將遠低于真空開斷。因此在研究中采用成熟的替代方案，即真空滅弧室來保證開關的開斷能力。但是如果采用真空滅弧室作為隔離斷口，由于真空斷口在高電壓作用下可能會存在重擊穿和非保護特性擊穿放電（NSSD）的可能［3］，直接威脅人身安全。所以為了保證足夠的開斷能力，整個環保氣體絕緣金屬封閉開關柜還是采用真空負荷斷路器與氣體絕緣兩工位或者三工位開關配合［4］。

3 結構設計

10 kV柜式環保氣體絕緣金屬封閉開關結構如圖1所示。

開關設備的斷路器、母線及三工位開關處于同一充氣隔室， 充氣隔室為無磁不銹鋼板經激光切割、激光焊接而成，非焊接密封連接面均采用O型橡膠圈密封［5］。

圖1 10 kV柜式環保氣體絕緣金屬封閉開關結構

高壓元件采用復合化設計，隔離開關與接地開關復合為1個三工位開關，共用1個動觸頭，設于母線側。

斷路器及三工位開關操作機構位于產品中部，機構同時具備手動及電動操作功能。

充氣隔室安裝有外錐電纜連接套管，可并聯插接多根電纜，也可連接避雷器。

設備為三相共箱式、模塊化設計，由斷路器功能單元和三工位開關及母線單元組成的充氣隔室、低壓室 （儀表室、操作機構室）、電纜間隔室等組成。

當充氣隔室內部壓力超過一定限值時，壓力釋放裝置將自動打開，釋放氣體，以確保操作人員和產品的安全。

分支母線采用獨特的設計，有效改善了電場的分布，且具有很高的機械強度和短路電流耐受能力。

10 kV柜式環保氣體絕緣金屬封閉開關的技術參數如表2所示。

表2 環保氣體絕緣金屬封閉開關的技術參數

4 試驗與應用

通過試驗才能證明環保氣體絕緣開關柜的設計是否合理，開發是否成功。開關柜的交接試驗由撫順電力發展公司完成，所有試驗項目如表3所示。

試驗結果證明產品性能和參數符合相關標準及產品技術文件的要求，產品技術性能達到了技術規范和試制鑒定大綱中的規定和要求，符合IEC標準和國家的有關標準要求。

表3 環保氣體絕緣開關柜的試驗檢驗項目

目前10 kV柜式環保氣體絕緣金屬封閉開關已安裝于撫順供電公司某變電站，如圖2所示，研制后的10 kV柜式環保氣體絕緣金屬封閉開關設備已經在現場實際運行，效果良好。

圖2 環保氣體絕緣金屬封閉開關柜的整體現場應用

5 結束語

10 kV柜式環保氣體絕緣金屬封閉開關設備，產品性能和參數符合相關標準及產品技術文件的要求，其樣機按試制鑒定大綱通過了全面的型式試驗，產品技術性能達到了技術規范和試制鑒定大綱中的規定和要求，符合IEC標準和國家的有關標準要求。

為國內首個針對該型10 kV開關柜電場結構優化與改進，保證了與SF6氣體絕緣產品的外形尺寸和制造成本基本不變。

理論和實踐均證明了10 kV開關柜體積小、節約占地，維護量小、不易老化。

10 kV環保氣體絕緣開關設備的使用，能為電網減少SF6氣體充氣，便于設備維護，同時無溫室氣體排放，環保經濟。為未來國家電網在中壓領域走向綠色電網提供借鑒。

［1］ 李朝順.開關柜內燃弧時等效強度校驗計算 ［J］.東北電力技術，2007，28（2）：27-29.

［2］ 孫竹森，蘭 劍.環保型金屬封閉開關設備的技術特點與發展趨勢 ［J］.中國電業，2014，65（6）：53-56.

［3］ 袁世平.金屬封閉式開關柜絕緣在線檢測 ［J］.東北電力技術，2012，33（9）：45-46，49.

［4］ 張交鎖.環保性氣體絕緣輸配電開關設備 ［C］.西安：2013年配電開關創新應用與發展技術交流峰會，2013.

［5］ 張交鎖.中壓環保型氣體絕緣開關設備的實現及關鍵技術［J］.中國電業，2014，65（6）：35-38.

Key Technology Research on 10 kV Gas Insulated Switch Gear

ZHOU Gui?ping1，LU Xu?chen1，HONG He2，XIE Cheng2，LI Xian?feng3，ZHANG Jiao?suo4
（1.Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；2.State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China；3.State Grid Fushun Power Electric Supply Company，Fushun，Liaoning 113008，China；4.Shenyang Huali Electric Group，Shenyang，Liaoning 110027，China）

This paper studies the technical difficulties of 10 kV switch cabinet，a new switch structure to assure interrupting capability of the equipment is put forward，optimization design of electric field are exerted，air leak and the soldering process are studied.Ac?cording to the research results，insulated metal enclosed switchgear of environmental protection gas is made and used in the field work with good result in operation.

RoHS gas；Switch gear；Gas insulation；Breaking capacity

TM591

A

1004-7913（2015）11-0017-03

周桂平 （1981—），男，博士，工程師，從事高電壓相關技術研究。

2015-08-24）