中壓環保型氣體絕緣開關設備的實現及關鍵技術

林春昭

（廈門顧德益電器有限公司，福建 廈門 361011）

0 引言

國內通常普遍使用的N2、干燥空氣兩種介質為主要氣體絕緣介質，使用真空滅弧室作為開斷滅弧元件，主要一次導電回路直接密封于單層不銹鋼的空氣箱中，具有環保、小型化、不受潮濕、污穢、海拔等環境影響，還具備安全可靠、免額外維護、模塊化且生產成本較低等幾大優勢，因此，電力行業在未來發展中，需要增加中壓環保型氣體絕緣開關設備的研究力度[1]。

1 中壓環保型氣體絕緣開關設備的主要特點

1.1 綠色環保，無污染

中壓環保型氣體絕緣開關設備能夠控制溫室效應產生并排放的氣體，這樣便可規避各種有毒或有害物質的含量，增加各種資源在設備內部的循環利用率，適當降低設備自身的體積重量。

1.2 配置多樣，適用性強

開關單元采用全模塊化結構設計，滿足多種開關方案設計的不同需求。真空滅弧室+三工位下隔離/接地開關設計，具有明顯的可見隔離斷口，特別適合當前電網運行維護需求。線路側或母線側不同的進、出線均有成熟的配置方式，擴展方案有側擴式、頂擴式、多單元共箱型等。

1.3 運行穩定，無需維修

傳統敞開式電力開關設備在安裝維修操作過程中，時常需要對開關元件的拆卸與安裝維護進行檢修，這無疑會直接造成設備安裝操作過程的巨大差異，可能出現的開關局部元件過熱及短路故障的風險。據統計，絕大多數技術缺陷及主要故障均直接發生在電力設備的實際運行和日常維護操作過程中。因此，傳統敞開式高壓開關設備并不是一個免費的維護開關設備而且比較易于發生安全故障，而環保氣體絕緣開關設備由于系統采用了完全密封結構設計，不受惡劣環境及溫度海拔變化影響，完整的GIS開關系統結構可以廣泛應用在任何嚴苛高溫環境下，特別是高海拔危險地區。同時，真空斷路器具有長壽命、高可靠性的特點，也不再需要定期檢修。因此，環保氣體絕緣開關設備不僅是免維護的產品，而且可以具有更長的產品生命周期、更高的安全性和產品可靠性[2]。

2 中壓環保型氣體絕緣開關設備的具體實現

2.1 實現思路

實現思路對于中壓環保型氣體絕緣開關設備而言屬于靈魂，代表設備設計的主要方向。目前，中壓環保型氣體絕緣開關柜的設計思路應從環保、小型化以及經濟性等方面綜合考慮:（1）環保型：除了環境氣體的絕緣介質的使用，也需要充分考慮環保材料的使用。在產品制造材料上使用可回收及減少或避免有毒有害物質摻入的材料代替那些對環境有害、不可循環或不易循環使用的材料。（2）小型化：將產品設計的尺寸最小化，但不應使設計制造的難度大大增加，且與同類產品相比成本波動過大，失去了小型化降低占用成本的現實意義。通過結構簡化、電場仿真分析、傳動方式優化、核心單元尺寸簡化等手段。（3）經濟性：低成本不是目標，高性價比才是產品的核心競爭力，是面對市場競爭，創造競爭優勢的設計。通過設計優化，可以減少零件的設計量，降低零件制造的難度，可以用標準件代替非標準件，可以用通用方案代替高成本的方案[3]。

2.2 挑選氣體

N2、CO2和干燥空氣同樣可以被作為SF6替代通用氣體。通過搜索查找更多有關它的資料，CO2絕緣體的性能最低，且優點是沒有溫室排放氣體。N2和干燥空氣的絕緣性能僅為SF6的1/3。N2及干燥空氣氣體為非極性溫室效應惰性氣體，沸點低，正常環境使用時不用時要考慮其氣體液化性的問題，可在高寒潮濕地區正常使用。干燥空氣的溫度導熱氧化性能較好，N2的溫度比熱較高。N2是有機空氣的主要化合成分，化學性質穩定。空氣中的N2含量過高，會直接引起人體缺氧或者窒息。因此在設備采用N2絕緣時，應盡量使用保溫通風及排水防護絕緣設備。采用干燥空氣進行絕緣則不必急于使用干燥通風及空氣防護罩等設備。研究結果表明，與SF6相比，干燥空氣的耐壓對大量金屬惰性微粒相對不敏感，故在使用生產設備過程或者在使用工具過程中，由其產生的大量金屬惰性微粒對于干燥空氣產生絕緣效果影響不大[4]。

2.3 設計絕緣凈距離

單純以普通空氣作為開關絕緣介質的金屬式非全封閉開關設備，當額定絕緣電壓為12kV時，最小金屬空氣絕緣間隙約為125mm。但對于全封閉氣體絕緣開關設備，通過提高氣體擊穿電壓或改善導體結構，可適當減少氣體絕緣間隙，避免設備在運行過程因間隙產生其他故障。提高空氣氣隙中電離擊穿電壓的方法主要有兩種：（1）通過改善氣隙裂縫中的氣體電場離散分布，均勻電場；（2）可以設法通過削弱和增強抑制干燥氣體空氣氣隙中的電離擊穿過程。

改善內部電場電荷分布的主要方法有以下幾種：（1）通過改善內部電極板的形狀；（2）充分利用剩余空間電荷；（3）極不均勻地方在電場中可以增加導電屏障。在極不均勻的靜電場中，放入柔性絕緣板，在一定電場條件下也就可以大大提高電極間隙的絕緣擊穿率和電壓。絕緣板裝置能直接攔住與介于電暈絕緣電極隔離同號的各個空間電荷，這樣就可以能直接使介于電暈絕緣電極與隔離絕緣電路板之間的各個空間負荷電場大大減小，并以此確保電場分布情況足夠均勻。

3 中壓環保型氣體絕緣開關設備的關鍵技術

3.1 常壓空氣絕緣技術

通過對大氣壓下電極絕緣的工頻和雷擊試驗，形成實際對應的大氣壓下電極間隙擊穿電壓和電極間隙數值曲線，為大氣壓下絕緣設計提供依據。同時結合電場仿真基礎，對帶電體和氣箱內部電間隙影響的電場進行優化，使得未密封的開關單元也能滿足在大氣空氣絕緣環境下所需絕緣測試要求。

3.2 固體絕緣替代技術

為了提高材料的可回收性，減少熱固性材料的使用，采用可回收、可降解的熱塑性樹脂基復合材料作為保溫材料代替固體保溫材料主要支撐，更符合綠色環保設備設計的現實意義[5]。此外，還需選用機械強度高、耐熱性好的優質環保型熱塑性樹脂基復合材料作為氣室主回路元件的絕緣支撐。在設備生命周期結束后可完全回收和降解，減少對環境的影響。

3.3 均勻電場優化技術

由于設備小型化的需求，產品尺寸范圍限制，因此，需要在滿足間隙距離的基礎下通常會使用絕緣隔板類似的復合絕緣進行改善，但實際的證明表示效果不明顯，在安裝過程還容易對其造成一定損壞。而且在其中使用復合絕緣介質時，經常發生被電場擊穿后無法恢復使用等問題，對設備的可靠性、免維護帶來影響。若通過采用電場優化技術來改善開關局部電場強度的集中，減小氣體絕緣間隙，即使發生氣隙擊穿，也能迅速自恢復絕緣性能。因此，通過電場仿真分析，對電極表面的多種電場方案進行對比分析，可以選擇最適合制造的方案。

3.4 核心單元模塊化技術

優化開關核心部件零件型號，減少件數，模塊化設計，集成通用模塊，減少非標件設計，提高生產效率。零件采用一次成型設計，結構簡單，場強均勻，絕緣性能好，生產效率高，調節少，組裝方便。合理布局后的主電路元件和開關單元的模塊化設計，可以組合滿足不同用戶的需求計劃，為斷路器、負荷開關、PT單元，以及其他線路的規劃不同方案[6]。

3.5 智能保護監測技術

（1）安全保護系統功能。其主要包括高壓短路故障保護、低電壓短路保護、過電壓短路保護、接地短路故障修復保護以及電源斷路器驅動失靈故障保護等。

（2）視頻監視錄像功能。其主要能夠同時實現移動終端監控設備的自我自動檢測、電閘過后驅動回路工作電流的自動監視以及電閘斷路器正常運行工作狀態的實時自動監控等。

（3）控制運動功能。可以通過遠程監控計算機或者遠程遙感控制設備對監控設備合閘進行遠程或就地進行信號采集控制，可以有效保護設備合閘和防止跳閘。

（4）提高測量精度功能。測量電壓功能中還可以同時測量絕對相電流、相對電壓的相關數值。

（5）網絡通信控制功能。該通信功能主要能夠與遠程移動計算機或者遠程變電站設備進行遠程網絡通信。

4 結語

綜上所述，中壓環保型氣體絕緣開關設備由于市場經濟效益好，環境污染代價小，近幾年開始受到社會大眾的廣泛關注，未來中壓電源開關設備必然也是需要不斷繼續向著工業智能化、低污染和優化的方向快速發展，企業必然應該不斷加大研發投入，使得智能化、低污染和優化的新型中壓開關設備贏得我國市場的廣泛青睞。