敞開式SF6 斷路器氣室保溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（錫林郭勒電業(yè)局，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

0 引言

在我國(guó)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(guó)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(duì)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(duì)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)警閉鎖異常現(xiàn)象的另一種方法就是直熱式或外包伴熱式對(duì)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)槠渫鈿そ拥兀医饘偻鈿さ膶?dǎo)熱性好［7］，而對(duì)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(duì)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(jí)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(duì)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(dòng)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(duì)SF6氣室壓力的影響［4］。

表1 氣溫對(duì)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(duì)壓力呈下降趨勢(shì)，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(duì)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(guó)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(cè)窗便于對(duì)內(nèi)部壓力表、溫控儀及加熱裝置進(jìn)行外部觀測(cè)，保證在內(nèi)部溫度場(chǎng)環(huán)境不被破壞的情況下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(cè)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(cè)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(dòng)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(jiǎn)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(dòng)，保障SF6斷路器氣室氣壓穩(wěn)定。

2.3 控溫效果測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)安裝測(cè)試前進(jìn)行控溫效果測(cè)試實(shí)驗(yàn)。將設(shè)計(jì)好的保溫箱體，模擬現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)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(cè)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(zhǎng)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(dòng)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(dòng)，可滿足現(xiàn)場(chǎng)斷路設(shè)備的正常運(yùn)行所需溫度。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

保溫箱試驗(yàn)運(yùn)行及數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)安排在錫林郭勒盟地區(qū)某一電網(wǎng)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，試驗(yàn)共選取了該廠區(qū)位置相對(duì)靠近的兩組（1 號(hào)、2 號(hào)）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(hào)斷路器上，1 號(hào)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(cè)多天斷路器運(yùn)行狀態(tài)，分別對(duì)1、2 號(hào)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(duì)1、2 號(hào)機(jī)組斷路器氣室外層溫度監(jiān)測(cè)記錄對(duì)比分析的結(jié)果如圖3 所示。

表3 部分現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖3 1 號(hào)、2 號(hào)監(jiān)測(cè)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(chǎng)對(duì)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(hào)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(hào)機(jī)組平均溫度高出25 ℃左右；且13 天對(duì)比試驗(yàn)過程中，1 號(hào)斷路器共發(fā)生告警和閉鎖現(xiàn)象各10 次，2 號(hào)斷路器未發(fā)生任何現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)，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(shì)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(duì)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(duì)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(dòng)量。