基于SF6气体绝缘金属封闭开关设备的研究应用

孙明福 苏文瑞

摘 要：高压交流六氟化硫断路器（GCB）具有较高的可靠性能、合理经济的运行维护成本，在电力系统中应用广泛。本文通过对高压交流六氟化硫断路器的特点及类型介绍，对高压交流六氟化硫断路器设备中断路器、盆式绝缘子、三相共箱主母线等元件进行优化，对SF6 绝缘电气设备分解产物在线监测系统研究以及对SF6 气体绝缘件的设计研究三方面来具体介绍基于SF6 气体绝缘金属封闭开关设备的优化研究情况。

关键词：高压交流六氟化硫断路器；特点；SF6 气体

中图分类号：TM595 文献标识码：A

高压交流六氟化硫断路器（又称为GCB）是一种以SF6气体作为绝缘和灭弧介质，在高压输电线路中能够承载、关合、开断运行回路正常电流，也能在规定时间内承载、关合及开断规定故障电流的开关设备。随着我国电力事业的发展，对可靠性高、少维护、小型化高压开关设备提出更高的要求。

1 高压交流六氟化硫断路器的特点及类型

1.1 高压交流六氟化硫断路器的特点

高压交流六氟化硫断路器（GCB）具有良好的绝缘和灭弧性能。此外，高压交流六氟化硫断路器与油断路器、压缩空气断路器相比，具有开断性能优良、灭弧室结构多样化、结构简单、可靠性好、少维护、成本低等特点，可以避免发生油断路器喷火、喷油等现象。

1.2 高压交流六氟化硫断路器（GCB）类型

（1）瓷柱式SF6断路器。瓷柱式SF6断路器是灭弧室处在一个绝缘瓷套或复合套管内的断路器。系列性强，它是由一个标准的开断单元通过积木式的方式派生出多个额定电压等级的产品。瓷柱式断路器使用液压操作机构，其相关元件以及线路均设于控制柜内。灭弧室由液压工作缸直接操动。支柱瓷套内装有绝缘操作杆，操作杆与液压工作缸相连接。瓷柱式SF6断路器价格比罐式SF6断路器低，在高中压领域广泛应用。（2）罐式SF6断路器。罐式SF6断路器是灭弧室处在一个接地金属外壳中的断路器，它由灭弧室、绝缘拉杆、电流互感器、出线套管、操动机构组成。可配用液压操动系统、气动操作系统和弹簧操动机构进行操作，同时汇控柜装有对断路器执行控制的二次元件。它具有箱式多油断路器的优点，便于加装电流互感器，结构紧凑、重心低、抗震性能好，但系列性较差，造价昂贵。

2 基于高压交流六氟化硫断路器设备的研究

2.1 基于高压交流六氟化硫断路器设备元件的优化

（1）断路器。断路器作为电力系统中重要的电器设备，主要用于开断故障电流。六氟化硫断路器为三相分立的落地式结构，三相气体通过铜管连接，具有独立的压气式灭弧室。高压交流六氟化硫断路器中以SF6气体作为断路器中的绝缘和灭弧介质，由于电弧的电离作用使得断口间的SF6气体绝缘强度低于周围的SF6气体。通过利用仿真软件和数值分析来对高压交流六氟化硫断路器的静电场进行优化，减小其尺寸，提高其开断性能。（2）盆式绝缘子。盆式绝缘子在高压交流六氟化硫断路器设备中起着隔离气室、支撑导体以及绝缘的作用。盆式绝缘子绝缘强度不但与环氧树脂自身的性能有关，还与支撑绝缘子壳体内的SF6气体压力相关。可通过利用高低电位电极形状来对电极、SF6气体、绝缘件的介质交界面进行优化处理，从而保证盆式绝缘子场强分布均匀性。（3）三相共箱主母线。三相共箱主母线作为连接间隔的元件，通过电场优化，增大导体直径、减小回路电阻等方式来增大母线的额定电流。

2.2 SF6绝缘电气设备分解产物在线监测系统研究

SF6电气设备的稳定性及可靠性取决于SF6气体的纯度，如果SF6气体中混有杂质而达不到规定标准，那么它的灭弧和绝缘特性就会大大下降。为长期连续监测和记录SF6绝缘电气设备中SF6纯度、SO2含量、压力和温度等相关数据，及时进行数据通讯，快速判断SF6绝缘电气设备当前的绝缘状况，迫切需要加强对SF6绝缘电气设备分解产物在线监测系统的研究。SF6绝缘电气设备绝缘状态在线监测系统设计方案：将一台现场监测单元同时与多个变送器单元通讯，同时后台机也可以与多个现场监测单元进行通讯，最后将各后台机的通讯所得数据一并传送到位于局方监测系统的远程维护中心进行综合分析。后台机预留以太网口和串口和远程维护中心通讯，最终实现全部变电设备的状态评估。设计的SF6绝缘电气设备分解产物在线监测系统为适应高压强电场的环境，增加设备的可靠性能，需对设备的硬件和软件抗干扰技术进行优化，以此来消除电磁脉冲、电磁辐射、静电感应等干扰产生的影响。

2.3 加强SF6气体绝缘件的设计研究

绝缘件联系高电位部件与地电位外壳，起着支撑与对地绝缘的作用。高压交流六氟化硫断路器中SF6气体绝缘件设计应满足：有足够的绝缘强度、有足够的机械强度等要求。由于SF6气体绝缘特性与电场的不均匀度有很大关系。此外，SF6气体绝缘具有的极性效应、电极表面状态效应等对SF6气体间隙击穿电压均有影响。在稍不均匀电场结构中，当SF6间隙中的最大场强达到某一数值Eb时，间隙击穿电压为

Ub = η × Eb × d

Ub- 击穿电压，kV；

η-绝缘利用系数，为间隙中平均场强Eav与最大场强Emax之比；

d- SF6间隙距离，cm；

Eb- 击穿场场强，kV·cm-1；

当SF6沿面绝缘结构中的最大场强达到某一数值Ef时会发生闪络。闪络电压可估算为Uf = η × Ef× d。

加强SF6气体绝缘件的设计研究，主要考虑电场分布的均匀性，设计SF6电器中的绝缘件时多采用“矮胖”结构，使绝缘件各处最大场强限制在允许值范围之内。使用的绝缘类型包括气体绝缘、沿面绝缘、固体绝缘、界面绝缘四种。在设计穿墙套管时，通过将高的场强作用于固体绝缘介质，从而使沿面的场强降低，改变了电场分布。对绝缘子的设计一般通过对电场进行计算分析并优化来完成，兼顾浇注工艺和机械强度，确保绝缘子电场分布的合理性、安全可靠性。插接件设计时，为使高压交流六氟化硫断路器中的高压元件避免受外界影响，需将其暴露于空气部分的外表面做成带屏蔽的结构。

结语

通过对基于SF6气体绝缘金属封闭开关设备的优化研究，以期制造出性能更好、应用更广的高压开关设备，从而适应未来变电站设备高电压、大容量、小型化的发展趋势。

参考文献

[1]赵云飞，邹泉发，方名花.35kV六氟化硫断路器的应用改造[J].铜业工程，2005：46-48.

[2]吴少华.气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）[J].科技风，2009：165.