耐低温混合气体断路器设计要点

王路平++李炳叶++薛红涛

摘 要：近年来，SF6/N2和SF6/CF4的混合气体应用于高压开关设备中。混合气体断路器在低温条件下容易出现局部液化，采用加热器、耐低温材料以及准确的气体混合工艺，可以确保混合气体断路器可在北方寒冷气温下稳定运行。

关键词：断路器设计；低温；混合气体

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.192

我国地域辽阔，东西南北气候差异巨大，在我国的新疆、内蒙部分地区及东北地区，由于冬季气候非常寒冷，混合气体断路器在这些温度条件下使用时会发生六氟化硫气体液化而无法正常工作，同时由于环境温度太低，导致断路器操动机构特性发生变化，特别是液压机构的阀系统，在低温环境下严重的可能会发生拒动，严重威胁着断路器的安全运行。为适应这些特殊环境的需要，需对断路器采取特殊措施，以适应极端环境下的工作。

1 使用壳体加热器

为防止在低温条件下断路器性能降低，可以使用一个加热器来避免六氟化硫液化引起气体密度的降低。当断路器表面覆盖一个外绝缘体时，可明显降低加热器的功率要求。罐式断路器和罐式紧凑型断路器普遍采用加热带和绝缘体。通常情况下，如果是罐式断路器，那么壳体和安装的套管共用一个气室，这意味着气室中的热量可以经过瓷套表面或复合套管表面散发。加热器的功率必须增加上这部分的热耗。

2 六氟化硫和氮气或四氟化碳的混合气体的使用

添加氮气或四氟化碳可使最低操作温度降低到-60℃。两种气体在相当低的温度液化。当使用含有氮气或四氟化碳的六氟化硫混合物时，如果六氟化硫的局部要压力达到液化极限时，仅六氟化硫部分液化。六氟化硫的局部压力越低，在相同的充气压力，断路器的最低操作压力越低。在低温使用混合气体时，就没必要使用加热带。

表1规定了混合气体断路器气体不同比率下的各气体分压（额定充气压力0.85MPa）。

3 混合气体的处理及其特性

给断路器充混合气体有三个不同的确定过程：

（1）从制造厂作为最终产品得到混合气体，这个混合气体用于充到断路器单元内。必须规定气体容器内的气体混合压力，以确保在整个处理过程中（包括运输和充气过程）六氟化硫不会出现局部液化。液化会导致气体混合物发生变化和断路器绝缘性能下降。（2）可以从独立的气体容器按顺序向断路器内充气，每个气体容器包含混合气体成分。在这个过程中，在相对应的分压值充六氟化硫气体，然后添加其它成分气体（氮气或四氟化碳）直至达到规定的充气压力。经验证明，甚至断路器在较长的时间没有动作，混合物也保持充分混合。一般在充气三天后检查混合物比例，以防断路器性能受到影响。（3）使用商用混合设备，在充气过程中控制气体成分和流速，断路器内的混合气体满足目标密度关系，这个充气过程非常准确，因而没有必要进行控制测量。

如果断路器在装配安装或运行中出现漏气，断路器内的混合气体就会发生变化，这种情况下，要使用六氟化硫比例测量仪测量混合物气体成分，根据测量结果，添加单个成分气体。

4 作为灭弧介质的六氟化硫和六氟化硫混合气体

对于断路器的灭弧和开合能力来说，在热和绝缘灭弧能力之间有所区别。在气体密度降低情况下，两个方面都有所劣化，这用于两种情况，即短路开合能力和容性电流开合能力。

当与最低温度为-30℃的标准断路器比较时，充有混合气体的低温断路器的灭弧和操作能力也有所降低。当使用N2作为最低温度为-50℃的混合气体断路器中的第二种气体成分时，根据IEC标准，下降接近额定短路电流的一个额定值水平；然而，如果使用CF4，预计最大下降仅为电流水平的一半。如果保持满短路电流水平，那么根据IEC标准，额定电压水平必须下降一个额定值水平。

5 耐低温断路器的设计

5.1 操动机构和控制元件用辅助加热器

弹簧操动机构和控制元件安装在一个柜内。每个柜包含一个冷凝加热器和通风系统。冷凝加热器经常操作来模拟通风。对于-40℃或更低的环境温度，连接一个经过恒温器控制的辅助加热器，这可防止弹簧操动机构缓冲器中出现较高的液体粘度。

5.2 特殊材料

将低温不脆化的耐低温钢用于断路器的支撑结构，比如断路器支架、底架和支柱。凹口杆构件要足以承受断路器的重力。用在低温保持足够弹性的橡胶材料制造的衬垫用于密封气室和拐角齒轮上。用在温度范围从-60℃到130℃使用的润滑脂对弹簧操动机构中的所有轴承、运动环节和拐角齿轮进行润滑。灭弧室单元与标准设计中的相同。

6 型式试验

所有耐低温混合气体断路器和其它断路器一样，都要进行整套型式试验。这个型式试验包括相关标准中规定的绝缘试验、短路电流开断试验和负载电流开合试验。正如要求那样，根据IEC标准进行M1或M2机械寿命试验。试验的焦点是所谓的气候试验，这个试验中，在最低和最高操作温度的温度循环中检查机械操作特性。

7 结语

耐低温混合气体断路器包括良好的和经过试验测试过的元件，通过使用气体混合物，提高了这些元件和其他密封材料、润滑剂和附件加热器（如要求）的性能。这意味着对每种应用都有一个良好的解决方案。

参考文献：

[1]黎斌.SF6高压电器设计[M].机械工业出版社，2015.

[2]徐国政等.高压断路器原理和应用[M].清华大学出版社，2000.

作者简介：王路平（1983-），男，河南新野人，主要从事高压开关制造工艺研究工作。