提高SF_6 斷路器低溫工況下開斷電流的研究

張靜波

（中國能源建設集團黑龍江省電力設計院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

當環境溫度低到一定限度時斷路器的SF_6 氣體會出現十分明顯的液化現象，而如果環境進一步的降低溫度，就會導致氣體變成液態，進而SF_6 密度快速地減小。斷路器的絕緣性能和開斷的情況會出現問題，進而影響到電氣設備的運行狀態，SF_6 斷路器也因此在低溫地區使用被受限。文章對提高SF_6 斷路器低溫工作下開斷能力的方案進行論述。

1 常見低溫情況下開斷能力的提高方式

低溫情況下SF_6 斷路器的工作能力會受到影響，對其開斷能力進行提高，常用的方式有3 種，如圖1。

1.1 降低SF_6 氣體壓力

產品設計過程中一般會使用低氣壓的SF_6 氣體來進行額定的充氣，而相同條件下，降低SF_6 氣體的壓力就可以讓斷路器在低溫條件下有效的工作，但是這樣一來卻降低了斷路器的開斷能力，尤其是很多要求高額定開關的同時，需要耐低溫的地區，不適用這種方法。環境溫度降低到一定程度時，斷路器滅弧室當中的提高SF_6 氣體會進行液化并降低氣體密度，很多氣體變成液態會導致斷路器的絕緣性能和開斷能力受到十分明顯的影響，進而影響到電氣設備的運行。降低氣體壓力的方法可以對其液化問題進行解決，但是與此同時，斷路器的開關能力就會有所降低，因而不適用于大多數情況。

1.2 使用混合氣體斷路器

室內使用的混合氣體一般是工作條件下的介質，進而能夠讓SF_6 氣體一直保持比較低的分壓?，F在國外的斷路器一般是使用混合氣體作為絕緣介質，來提高低溫情況下SF_6 短路器的開斷能力，這樣一來雖然能夠有效的提高低溫開斷能力，但是卻有著比較高的產品價格。這種方式有著比較高的技術要求，氣體混合后，對組分進行檢測的過程比較麻煩，氣體回收的處理工藝也十分復雜，而我國大多數生產廠家沒有對這種混合氣體斷路器進行生產的能力，不過這可以作為高壓斷路器的一種發展目標?；旌蠚怏w的斷路器應用可以有效提高斷路器的開關能力，但是因造價過高和生產工藝問題都決定了其難以大量應用到國內生產過程中，所以也難以大量的應用起來。

1.3 罐式斷路器的加熱保溫措施

對于罐式斷路器可在滅弧室下方加裝1 個筒裝容器，筒內設置數個與外殼焊接密封的圓筒，供安裝加熱器使用，加熱器個數根據所需加熱功率而定。圖1 所示為日本東芝公司252kV 斷路器筒體內安裝14 個60W的電加熱棒，為斷路器內SF6 氣體進行加熱。但該方法需注意加熱器的加熱溫度不要過高，以免使筒體表面掉漆，并且高溫狀態下SF6 氣體和加熱管會發生化學反應，引起腐蝕，最終導致氣室絕緣水平下降。IEC 推薦，SF6 產品的最高使用溫度180℃。為保險起見，建議加熱器的最高加熱溫度定為150℃。

2 提高加熱裝置低溫條件下開斷能力的方案

文章設計了兩種提高低溫狀態下加熱裝置開斷能力的方法，現陳述如下。

2.1 加裝支座的方案

首先在滅弧室的底部支持瓷套底部的法蘭和基座橫梁之間，放置1 個能夠容納3 個加熱器的支座，來為后續安裝的加熱器提供支持作用，支座當中安裝了3 個和制作外殼焊接比較嚴實的圓通來幫助加熱器進行安裝。在支座和底部法蘭以及基座橫梁之間，使用螺栓進行連接來確保密封圈內的封閉性，把三相SF_6 的氣體用保溫材料進行包裹。智能溫度的控制是安裝在單獨的金屬箱當中，其主要組成成分是電源開關和接觸器控制器。加熱器在使用上相對來說比較方便，而且進行更換的時候也不會影響到斷路器的密封效果，這樣一來，在使用的過程中如果因出現一些問題而需要更換加熱器，就可以在不影響密封效果的同時進行更換。此方案需要把絕緣拉桿進行加長來使用長條加熱器。加裝支座的方法需要使用高壓SF_6 斷路器來對結構進行改造，同時進行斷路器的低溫試驗。在滅弧室根部,即支持瓷套底部法蘭與基座橫梁之間加裝一個可以容納3 只加熱器的支座,該支座內有3 個與支座外殼焊接密封的圓筒,供安裝加熱器使用。支座與支持瓷套底部法蘭及基座橫梁之間均通過螺栓連接,有密封圈保持密封性,將三相SF6 氣體連接管路以保溫材料包裹起來。智能溫度控制部分裝在一個單獨的金屬箱內,主要由電源開關、交流接觸器與溫度控制器組成。更換加熱器非常方便,且更換過程中不會影響SF6 斷路器的密封性。該方案需要將與絕緣拉桿連接的連桿加長相應的長度,加熱器采用長條狀加熱器。對本方案,通過LW36-126 型戶外自能式高壓SF6 斷路器實施結構改造并做了斷路器低溫試驗。低溫試驗依據《高壓交流斷路器》(GB1984—2003)在低溫試驗室內進行,該斷路器SF6 的額定氣體壓力(20℃)為0.6MPa。斷路器低溫試驗的機械特性數據見表1。在斷路器本體底部加裝加熱器后,在低溫工況下,投入適當組數的加熱器,可以保證斷路器中SF6 氣體壓力在0.59～0.62MPa 之間,屬于正常的工作范圍內。從低溫工況下的機械特性試驗數據可見,斷路器機械性能穩定。同時,密封性試驗結果也表明,斷路器密封良好。以上試驗結果證明了“加裝支座”方案的可行性和有效性。低溫試驗的溫度變化數據(未列出)表明,斷路器滅弧室內SF6 氣體的溫度分配不均勻,滅弧室頂部與底部SF6 氣體的溫差較大。在確定加熱器的功率時,若加熱器功率太小,則不能保證環境溫度很低情況下的加熱效果；若加熱器功率太大,不僅會造成不必要的能量損耗,而且將會造成滅弧室頂部與底部SF6 氣體的溫差過大的問題。

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2.2 拐臂箱支座加熱的方案

拐臂箱背向拐臂的一側可以安裝能夠同時放置2個加熱器的容器，該容器使用了和拐臂箱吸納共同的材料，并使用螺栓進行固定來確保密封圈的密封性，進而能夠把SF_6 氣體用保溫材料包裹在連接管路當中。這一方案當中加熱器用1 個圓盤來經過螺栓固定在桶狀容器里，而且不需要求其氣密性，所以對加熱器的更換是十分方便，并不會對斷路器的密封情況帶來影響。相比較于“加裝支座方案”，該方案不用對連桿的長度進行改變，同時也不會提高斷路器的總高度。方案中，使用的桶裝容器和拐臂箱之間進行連接時，最好不要使用焊接的方法，否則可能會影響到氣密性，導致SF_6 氣體密度不均勻，而把桶裝容器和拐臂箱鑄造在一起，則難度過大，所以使用螺栓固定連接的方法來對容器進行加裝是最合適的方式。斷路器開斷電流是斷路器技術指標當中最主要的一個部分，在選擇的時候，必須要從系統設計的角度考慮的同時，納入各種外界因素進行考慮。設計手冊當中，現在一般沒有對于開斷電流的選擇的描述，所以實際設計過程中就經常會遇到這方面的問題。遇到的主要問題在于兩個方面，一方面是斷路器開斷電流的運行方式是正常的還是特殊的三相短路電流；另一個方面就是環網系統當中斷路器開斷電流出口三相短路電流的選擇，或者按照斷路器的三相短路電流的選擇。拐臂箱加熱的方案對戶外高壓的SF_6斷路器進行改造，并進行了對應的低溫試驗，實驗的結果表明，拐臂箱加熱具有足夠的可行性和有效性，斷路器額定開關電流為40kA。在低溫地區如果不采取措施而直接使用，就會導致氣體液化并帶來一系列的后續問題，所以為了防止氣體出現液化情況，就需要降低壓力來運行，斷路器的開斷電流較小，使用了加熱器后，斷路器在額定氣體的固定壓力下運行時，開斷電流大小不會受到影響，進而就達成了提高開斷能力的效果。與此同時，該方案也存在斷路器滅弧室內部的SF_6 溫度分布不均勻以及氣體頂部底部的溫度分布不均勻等問題。

3 結語

常規情況下，提高低溫條件下SF_6 斷路器的開斷能力主要有3 種方法，文章針對SF_6 氣體加熱法來提出兩種方案來避免其可能存在的問題，同時做出大量的結構設計和低溫試驗，在實驗和總結中獲得運行經驗。實驗的數據表明，“加裝支座方案”和“拐臂箱支座加熱”方案都具有充分的可行性，而其中“拐臂箱支座加熱”方案具有更明顯的優勢，可以應用在更多環境當中，因而將“拐臂箱支座加熱”方案作為首選方案進行實際運行，實際運行結果證明了這一點。文章通過以上研究，解決了低溫環境下高壓SF_6 斷路器當中SF_6 氣體低溫液化的問題，解決了SF_6 斷路器受到溫度和地域影響的問題，并給出SF_6 在低溫地區運行的可行方法。