严寒地区防止全封闭组合电器SF6气体液化的方案探讨

李 强

(上海西电高压开关有限公司,上海201700)

严寒地区防止全封闭组合电器SF6气体液化的方案探讨

李 强

(上海西电高压开关有限公司,上海201700)

阐述了252k V GIS在户外严寒地区运行时,为防止SF6气体液化所采取的措施。设计了三种不同结构的加热器,并分别计算了加热器的功率,用试验验证了加热器的效果,解决了252k V GIS在高寒地区SF6气体液化的问题。

严寒;SF6气体液化;加热器

1 引言

根据SF6气体的物理特性,当温度过低时,SF6气体将会出现液化现象。随着SF6气体的液化,SF6压力将降低,这将极大地影响SF6气体的绝缘性能。在冬季北方地区,特别是东北、新疆、内蒙古等地,因SF6气体液化而导致SF6断路器闭锁的事故时有发生。为了解决户外严寒条件下SF6气体液化问题,需要对SF6断路器进行特殊处理,以保证断路器的可靠性。

2 气体性质及ZF1-252 GIS参数

SF6气体是一种惰性气体,纯净的SF6气体无色、无味、无毒,不会燃烧。在常温下,当有足够的压力时SF6气体就会液化。在不同温度下,SF6气体液化的压力值详见表1。

表1 SF6气体的饱和蒸汽压(绝对气压值)

ZF1-252型SF6全封闭组合电器(GIS)广泛应用于220k V电力系统中,它由断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、避雷器、母线等元件组成。该型GIS断路器气室额定压力/报警压力/闭锁压力(相对压力)分别为:0.6MPa/0.55MPa/0.5MPa;其他气室额定压力/最低运行压力(相对压力)分别为: 0.4MPa/0.35MPa。由SF6气体状态参数曲线可查出,断路器气室在额定压力(相对压力)0.60MPa时,其液化温度为-27℃,在闭锁压力(相对压力)0.50MPa且温度为-30℃时,SF6气体会发生液化。其他气室,在额定压力为0.4MPa(相对压力)时,其液化温度为-37℃,在最低运行压力0.35Mpa (相对压力)且温度为-39℃时,SF6气体会发生液化。因此当ZF1-252型GIS运行于户外严寒地区时,需对其采取措施,以保证设备的正常运行。本文着重讨论防止SF6断路器气室的液化问题。

3 防止断路器气体液化的方案

针对SF6气体液化问题,目前有厂家(如ABB、西门子等)在SF6气体中混入一定比例的N2,以提高气体的液化点。但如果SF6和N2混合气体混合比例不当,则会导致SF6断路器的绝缘开断能力和热开断能力下降。由于SF6和N2混合的比例极难掌握,要求生产工艺控制水平较高,不便于现场实际操作,因此ZF1-252产品未采用此种方式防止SF6气体液化。

目前有部分厂家(如平高、新东北电气等)采用加外置式“伴热带”的形式防止SF6气体液化。此种方式即在SF6断路器外壳安装一个加热装置,该装置由温控器、电热器等元件组成。当SF6断路器运行环境温度低于一定温度时,装置自动投入,开始对其断路器外壳加热,热量由断路器外壳传导至SF6气体中,从而提高SF6气体温度,防止了SF6气体液化。ZF1-252型产品亦采用类似的方式来防止断路器内SF6液化。

在对断路器加热器装置的设计过程中,分别设计了三种不同结构形式的加热器。三种形式的加热器各有其本身特点,现分别阐述其结构。

第一种结构采用开关中常见的“伴热带”结构。该结构由硅胶加热器(硅胶加热器是由经过排列后的镍铬合金电阻丝及上下两片玻璃纤维中央夹入硅胶后压制而成,是一种超薄面状加热器,它具有发热快,热效率高,使用寿命长的特点,且绝缘性能更加可靠)、隔热板、保温板、防护罩、钢带及防雨罩组成。每个加热器装置包括两个加热板,该加热板通过电缆与装在控制柜内的温控器连接,实现远方控制。当环境温度达到-25℃时,温控器动作,加热器回路接通,加热器开始对壳体加热,使壳体内SF6温度高于液化温度,当环境温度升到-20℃时温控器动作,加热器回路切断。为了能够显示加热器是否投入工作,还需在加热器回路串入一指示灯。当指示灯亮时,表明加热器在加热状态。图1为伴热带结构示意图。

第二种结构为“板式加热器”结构。它以圆柱形电加热棒为热源,将圆柱形电加热棒安装在打有孔洞的铝合金散热块中,并将铝合金散热块安装在断路器拐臂盒上,结构如图2所示。加热器安装在此位置有如下好处:一是拐臂盒在SF6断路器的最下部,在底部加热有利于壳体内部SF6气体热量向上扩散;二是拐臂盒安装在封闭的机构箱弯板内,加热器向外散发的热量会大大减少。

图1 伴热带结构示意图

图2 板式加热器

第三种结构为“内置式加热器”结构。它同样以硅胶加热器为热源,将硅胶加热器粘在断路器手孔盖板外侧,并将铝合金散热片安装在断路器手孔盖板内侧(为了加强散热片的散热效果,将散热片喷涂黑色油漆),结构如图3所示。在断路器手孔盖板加热器外侧再安装一个带有引出线孔的凸盖板,用来引出加热器电源线。电源线与控制柜内温控器相连接,实现远方控制。这种内置式加热器,不破坏SF6气体的密封,很好解决了内置加热器电源线引出难的问题。当加热器出现故障时,可以将外侧盖板拆下,对加热器进行检修或更换。

图3 内置式加热器

4 加热器功率的计算

在确定了加热器的结构形式后,现分别对三种不同类型的电加热器的功率进行计算。在对加热器功率进行计算时,可参照产品型式试验时在额定电流下的温升来计算加热器的功率。不同种类加热器的功率可按公式P=(I2nR△T1)/(KsKr△T2)计算,其中:In为断路器额定电流;R为断路器的回路电阻;△T1为气体补充温升;Ks为断路器加热面积与散热面积比;Kr为加热装置传热系数,Kr取0.8;△T2断路器温升试验时SF6气体的温升。

SF6气体在额定压力0.60MPa时液化温度为-27℃,假设在极端条件下温度为-40℃,得出气体补充温升△T1为-13℃。断路器额定电流In、断路器的回路电阻R及断路器温升试验时SF6气体的温升可从型式试验报告中查得,因此计算加热器的功率只需计算断路器加热面积与散热面积比即可得出加热器的功率。

5 试验验证

为了验证上述三种加热器结构加热的效果,需通过加热试验对其进行验证。试验方案如图4所示,将三种不同结构形式的加热器分别安装在断路器的A、B、C相,同时对加热器进行通电,测量断路器气室SF6气体的温升。A相选择伴热带结构,B相选择板式加热器,C相选择内置式加热器。三种加热器分别同时对加热器进行加热,每小时测量一次温度,并记录。待SF6气体内温度趋于稳定时,停止对加热器加热。通过试验数据可以看出,当加热器通电后,A、B、C相断路器罐体内SF6气体的温度均有明显上升,在通电8h～9h后,断路器罐体内SF6气体趋于稳定。通过试验记录测得A、B、C相断路器内SF6气体的温升分别为18.7K、13.7K、17.5K,三相温升均大于13K。从最终的温升数据可以看出A相和C相温升值较为接近,B相温升值较小。但在加热器功率的选择上,A相、B相加热器功率相当,C相加热器功率较小(C相功率仅为A相功率的60%)。因此,从安全性角度考虑,内置式加热器的结构更为可靠些。因该试验数据是在室温23℃条件下测得,考虑到设备在冬季户外严酷条件下运行,因此在最终设计时将硅胶加热器功率加大了20%左右,并在其内部预留了一个与原功率相当的备用加热器。如主加热器出现故障,可以将加热器切换到备用加热器继续进行加热。

6 结论

为解决高压SF6断路器在严寒地区可靠运行的问题,可以采用混合气体作为灭弧、绝缘介质,也可以采用加热SF6气体的方法,以解决SF6气体低温液化的难题。在选择对气体加热时,应选择合理的加热器结构,以提高其加热效率。在加热器功率的选择上,应以计算和试验相结合的方式来选择。

图4 加热器加热验证试验示意图

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Investigation on Preventing SF6Gas Liquefaction For Gas Insulated Metal-enclosed Switchgear in Alpine Regin

LI Qiang
(Shanghai XD High Voltage Switchgear Co.,LTD,Shanghai 201700,China)

This paper describes the measures which should be taken to prevent SF6gas liquefaction when the 252k V GIS runs in the alpine regin.It designs 3 heaters with different structures;respectively calculated their powers for different heaters;Used experiment to test the effect of heaters,and solved the problem of SF6gas liquefaction when 252k V GIS applied in the alpine regin. Key words:alpine regin;SF6gas liquefaction;heater

TM561

:B

1001-5108(2015)03-0087-04

李强,工程师,主要从事高压开关设计方面的工作。