220 kV瓷柱式SF6斷路器加熱保溫裝置設(shè)計(jì)及應(yīng)用

李東旭，蔡利忠，莘尚軍，李樹鵬，楊明月

（錫林郭勒電業(yè)局，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026000）

0 引言

六氟化硫（SF6）斷路器已廣泛用于超高壓大容量電力系統(tǒng)中，具有滅弧性能優(yōu)異、運(yùn)行可靠及長(zhǎng)期免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[1]。但由于北方冬季天氣寒冷，SF6斷路器氣室裸露在大氣中，當(dāng)環(huán)境溫度低于-15℃時(shí)，SF6斷路器氣室壓力急劇下降；環(huán)境溫度低于-25℃時(shí)，SF6氣體會(huì)出現(xiàn)液化現(xiàn)象，導(dǎo)致斷路器告警，甚至出現(xiàn)壓力閉鎖、無(wú)法分合閘情況，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

錫林郭勒電業(yè)局所轄部分變電站瓷柱式SF6斷路器由于加熱保溫裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理、運(yùn)行維護(hù)不及時(shí)等問(wèn)題，造成了加熱裝置功率不足、氣室易腐蝕漏氣、保溫性能較差等現(xiàn)象，對(duì)此，設(shè)計(jì)了一種220 kV瓷柱式SF6斷路器加熱保溫裝置，可避免斷路器在冬季寒冷天氣條件下頻繁告警及閉鎖現(xiàn)象。

1 SF6斷路器故障概況

內(nèi)蒙古東北部地區(qū)出現(xiàn)大雪天氣后，氣溫急劇下降，錫林郭勒電業(yè)局所轄變電站多地發(fā)生瓷柱式SF6斷路器告警或閉鎖故障，僅1月發(fā)生告警故障6臺(tái)次，閉鎖故障30臺(tái)次，嚴(yán)重影響了變電站的安全運(yùn)行。發(fā)生告警及閉鎖現(xiàn)象的主要原因?yàn)閿嗦菲魑醇友b保溫裝置，其氣室均裸露于大氣環(huán)境中，環(huán)境溫度過(guò)低，導(dǎo)致氣室壓力低于報(bào)警和閉鎖的限定壓力值[2]。圖1為瓷柱式SF6斷路器在不同氣壓下允許的最低工作溫度[1]，可以看出，當(dāng)溫度逐漸降低時(shí)，斷路器氣室氣體液化臨界壓力逐漸降低，當(dāng)氣體壓力高于該溫度下液化臨界壓力時(shí)即出現(xiàn)氣體液化現(xiàn)象[3]。

圖1 瓷柱式SF6斷路器在不同氣壓下允許的最低工作溫度

2 瓷柱式SF6斷路器傳統(tǒng)加熱方式存在的問(wèn)題

瓷柱式斷路器由滅弧室瓷套、支柱瓷套、操動(dòng)機(jī)構(gòu)、支撐架等組成。滅弧室瓷套下方是支柱瓷套，2個(gè)瓷套相通充滿SF6氣體。一般瓷柱式斷路器瓷套長(zhǎng)度在2 m左右，外壁材料為高強(qiáng)度陶瓷。為了保持瓷柱式斷路器的絕緣距離和陶瓷的機(jī)械性能，瓷套外壁不能包裹導(dǎo)電加熱裝置[4]。

瓷柱式SF6斷路器的加熱方式與罐式SF6斷路器有很大差別，一般采用馬蹄形結(jié)構(gòu)加熱、換氣式加熱方式。馬蹄形結(jié)構(gòu)加熱是在瓷套底部對(duì)其金屬殼體進(jìn)行包裹加熱，但因其熱利用率低、散熱過(guò)快等缺點(diǎn)，該加熱方式逐漸被淘汰；換氣式加熱方式是在斷路器外部加裝SF6氣罐，通過(guò)加熱外部SF6氣罐，氣體循環(huán)加熱內(nèi)部SF6氣體，該方法安裝難度較大，在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的工況下更是難以實(shí)施，會(huì)造成不必要的安全隱患。

3 新型加熱保溫裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)傳統(tǒng)加熱裝置存在的問(wèn)題，根據(jù)瓷柱式SF6斷路器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了220 kV瓷柱式SF6斷路器加熱保溫裝置，結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括3個(gè)主要裝置：加熱控溫裝置、保溫箱體、防雨雪頂棚。

3.1 加熱控溫裝置

圖2 瓷柱式SF6斷路器氣室加熱保溫裝置結(jié)構(gòu)示意圖

加熱控溫裝置為本文設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，加熱器、加熱帶數(shù)量、安裝位置、加熱功率、加熱時(shí)間等因素，均會(huì)影響整體裝置的保溫效果。現(xiàn)場(chǎng)220 kV瓷柱式SF6斷路器氣室本體上端為瓷套，下端為壓力表。對(duì)此，在保證原設(shè)備正常運(yùn)行的條件下，進(jìn)行加熱控溫裝置設(shè)計(jì)。

3.1.1 加熱器

加熱保溫裝置共安裝3組JRD2-3鋁合金加熱器（電壓為AC 220 V，功率為100 W），SF6氣室本體及支撐鋼筋上均纏繞多組DXW防爆伴熱帶（電壓為AC 220 V），伴熱帶的長(zhǎng)度可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)斷路器結(jié)構(gòu)靈活選取[5]。

3組鋁合金加熱器采用“三孔插排口”的排列方式（見圖2），固定于氣室本體下端，由于JRD2-3鋁合金加熱器主要通過(guò)頂端的鋁合金翅片散熱，熱氣流易上升擴(kuò)散，所以安裝于氣室本體下端，便于快速調(diào)節(jié)氣室SF6氣體溫度；在氣室本體及四周固定鋼筋加裝伴熱帶，目的是在鋁合金加熱器升溫過(guò)程中，減少與周圍冷空氣的對(duì)流溫度損失，使得保溫箱內(nèi)部快速加熱，且達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間的保溫效果。

3.1.2 溫控裝置

選取YITAI-2雙通道智能溫控儀作為控溫設(shè)備（見圖3），該溫控儀同時(shí)配接2路Cu50熱電偶傳感器（-50～150℃）進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，具有自整定模式和PID調(diào)控模塊，實(shí)現(xiàn)雙路監(jiān)測(cè)、報(bào)警及PID控制，具體參數(shù)信息如表1所示。

圖3 YITAI-2雙通道智能溫控儀正視圖

表1 溫控儀參數(shù)

3.1.3 控制電路

YITAI-2雙通道智能溫控儀包含2路獨(dú)立溫度監(jiān)控電路，分別控制鋁合金加熱器和伴熱帶，可分別設(shè)置2路加熱裝置啟和停的溫度限值，其電氣控制連接示意圖如圖4所示。

圖4 溫度控制電氣連線示意圖

設(shè)置伴熱帶加熱的起始溫度為-5℃，鋁合金加熱器的起始溫度為-15℃，箱體內(nèi)溫度維持在-15～-5℃，即當(dāng)箱體環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)（如箱體內(nèi)部環(huán)境溫度為-30℃），2個(gè)加熱裝置同時(shí)加熱，達(dá)到快速升溫的效果；當(dāng)溫度逐漸升高到目標(biāo)溫度區(qū)間時(shí)，由伴熱帶加熱保溫，經(jīng)濟(jì)性較好且箱體內(nèi)部溫差波動(dòng)較小。

3.2 保溫箱體

保溫箱體既是防止溫度流失的屏障，又是內(nèi)層結(jié)構(gòu)的保護(hù)殼，其外層箱體由不銹鋼體焊接而成，具有較強(qiáng)的抗沖擊性，防水防潮。箱體上端開孔，便于氣室上端瓷套伸出、內(nèi)部潮氣擴(kuò)散，防止內(nèi)部電氣設(shè)備斷路；不銹鋼殼體內(nèi)層有防火保溫硅膠棉，具有良好的保溫和防火效果。

箱門上設(shè)有開關(guān)和玻璃監(jiān)測(cè)窗，可不打開箱門觀測(cè)內(nèi)部電氣設(shè)備、溫控儀以及壓力表的運(yùn)行狀態(tài)及相關(guān)參數(shù)。

3.3 防雨雪頂棚

在保溫箱體的頂端安裝防雨雪頂棚，能夠有效防止雨雪及重物對(duì)箱體的沖擊，以及積灰、積水對(duì)箱體的腐蝕，有利于加熱保溫裝置的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及效果

選擇告警及閉鎖故障較頻繁的錫林浩特變電站內(nèi)斷路器進(jìn)行加熱保溫裝置測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果曲線

每天記錄SF6氣室壓力的時(shí)刻為22：00、23：30、次日01：00、02：30，每天監(jiān)測(cè)4次（間隔1.5 h），1月26日、27日未加裝保溫箱，由圖可知，由于氣溫逐漸降低，SF6氣室壓力逐漸下降，并出現(xiàn)告警及閉鎖事故；28日加裝保溫箱后，氣室壓力保持在0.55 MPa以上，且隨著環(huán)境溫度的不斷變化，保溫箱內(nèi)部能夠自適應(yīng)調(diào)節(jié)溫度，氣室壓力保持在一定范圍內(nèi)，有效保障了斷路器的穩(wěn)定運(yùn)行，解決了斷路器由于低溫頻繁告警、閉鎖問(wèn)題。

該加熱保溫裝置可用于低溫環(huán)境下運(yùn)行的斷路器，應(yīng)用成本低，具有較好的推廣價(jià)值。