小型化SF6气体绝缘金属封闭开关设备的设计与研发

王彬翰　郭云鹏　杨升

摘 要：SF6气体绝缘金属封闭开关设备又被称为SF6气体封闭式组合电器，它被广泛应用于72.5 kV以上的电力系统中。从SF6气体绝缘金属封闭开关设备的基本内容出发，分析了采用数值分析和仿真软件实现小型化SF6气体绝缘金属封闭开关设备设计的优化措施，以期为相关研究提供一定的参考。

关键词：SF6气体绝缘金属封闭开关设备；设计；优化措施；电气配电装置

中图分类号：TM564 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.107

SF6气体绝缘金属封闭开关设备是一种高可靠性、高经济性的设备，它被广泛应用于电力系统中。在设计、研发小型化SF6气体绝缘金属封闭开关设备时，采用数值分析和仿真软件能极大地提高SF6气体绝缘金属封闭开关设备的设计质量。这样做是因为SF6气体在均匀的电场中有良好的绝缘性能，如果绝缘支撑件、电极等设置不合理，或者微小粒子会对电场造成影响时，SF6气体的绝缘能力就会降低，从而引发设备绝缘故障。而应用数值分析和仿真软件能有效地解决这个问题，进而提高小型化SF6气体绝缘金属封闭开关设备的可靠性。

1 概述

SF6气体绝缘金属封闭开关设备大多采用的是圆筒式结构，将断路器、隔离开关、接地开关、绝缘子和互感器等装置包裹住，以SF6气体为绝缘介质。SF6气体绝缘金属封闭开关设备每一功能单元都是由多个隔室组成的，例如母线隔室、断路器隔室，在分割隔室时，既要确保开关设备正常运行，又要保证开关设备发生故障时，能够限制电弧效应。一般情况下，在分割隔室时，要采用绝缘隔板，同时，不同的隔室允许的气体压力也不相同。对于断路器隔室的SF6气体，需要考虑到灭弧效果，所以，其压力也要比其他隔室的气体压力高。

与常规的电气配电装置相比，SF6气体绝缘金属封闭开关设备具有以下特点：①体积小。由SF6气体绝缘金属封闭开关设备组成的变电站，其占地面积很小，电压等级越高效果越明显。②运行安全、可靠。SF6气体绝缘金属封闭开关设备的带电部分会封闭在金属筒外壳中，所以，不会发生短路事故和接地事故，并且其介质为SF6气体，不会引发火灾。由此可见，SF6气体绝缘金属封闭开关设备运行的安全性很高。③维护量小，使用周期长。SF6气体绝缘金属封闭开关设备的使用寿命比较长，并且其检修周期为10～20年，能极大地减少维护量。

2 小型化开关设备的设计研发

2.1 断路器

断路器是SF6气体绝缘金属封闭开关设备的开断故障电流原件，其设计效果对整个SF6气体绝缘金属封闭开关设备有很大的影响。在断路器中，SF6气体既是绝缘介质又是灭弧介质，在电弧的电离作用下，断口SF6气体的绝缘强度会比其他位置SF6气体的绝缘强度低。在执行开断动作时，利用电场的屏蔽效应，能有效地减少金属粒子的存在，同时，还能减少热气体的存在。通过数值分析和仿真软件优化断路器静端电场，使得断路器尺寸更小和开断能力更强。

2.2 隔离开关和接地开关

在设计SF6气体绝缘金属封闭开关设备的过程中，可以将隔离开关和接地开关设计成组合式结构，这样就能保证其尺寸最小化。在SF6气体绝缘金属封闭开关设备中，隔离断口最大电场强度处于断口品比中心开孔，当降低了隔离断口电场后，就能处理屏蔽面的形状与边缘形状的相互关系。在设计过程中，可以采用多段圆弧相接的方式优化屏蔽结构。

2.3 油气套管

油气套管是SF6气体绝缘金属封闭开关设备和变压器连接的重要部分，在设计时，要保证油气套管能分离SF6气体绝缘金属封闭开关设备和变压器，并能独自完成各项工作。因此，要在油气套管的高压电极中间设置1个可拆卸的断口，同时，还要保证这个断口和隔离开关断口的场强一致。

2.4 出现套管

在计算瓷套模型时，由于瓷套是SF6气体绝缘金属封闭开关设备高电压的引出位置，因此，需要考虑到空气、SF6气体这2种绝缘介质。对于出现套管的内屏蔽表面，其电场强度要满足SF6气体的绝缘性能需求，同时，套管外的法拉表面强度要满足空气的无晕需求。因为法兰的自身形状、高度、内屏蔽直径和高等都会影响法兰表面电场强度，所以，在设计时，要注意优化外法兰形状。

2.5 盆式绝缘子

在SF6气体绝缘金属封闭开关设备中，盆式绝缘子的应用十分广泛。在SF6气体绝缘金属封闭开关设备运行过程中，盆式绝缘子是最容易发生故障的。高压端的屏蔽电极、绝缘材料等都会对盆式绝缘子的绝缘性能造成影响，在设计时，可以利用高电位的电极形状和低电位的电极形状将SF6气体、绝缘件、电极的介质交界面处理好，从而确保绝缘子沿面场强均匀分布。

2.6 三相共箱主母线及其他元件

主母线是连接间隔的重要元件，其可靠性对SF6气体绝缘金属封闭开关设备的稳定运行有十分重要的意义。当外壳直径不变时，优化电场，通过增加导体直径来减小主回路的电阻，使母线的额定电流达到4 000 A。在设计SF6气体绝缘金属封闭开关设备时，还可以利用电场数值分析和仿真软件优化三通、分支母线和电流互感器等，能获得良好的设计效果。

3 结束语

SF6气体绝缘金属封闭开关设备的小型化设计，能有效降低产品的原材料成本，提高产品的技术水平。在设计、研发SF6气体绝缘金属封闭开关设备时，利用数值分析和仿真软件进行优化，能有效地减少导体连接数，缩短间隔母线导体的长度，减小主回路电阻，提高产品设计研发效率，为SF6气体绝缘金属封闭开关设备的可靠性提供保障。

参考文献

[1]洪国耀，赵羲英，陈冰.小型化SF6气体绝缘金属封闭开关设备的研究开发[J].高压电器，2012，48（10）：78-80.

[2]郑晓光，陈俊，王宇，等.基于SF6成分分析的气体绝缘金属封闭开关设备潜伏性缺陷判断的研究及应用[J].广东电力，2012，25（01）：132-133.

〔编辑：白洁〕