敞开式SF6 断路器气室保温系统设计

（锡林郭勒电业局，内蒙古 锡林浩特 026000）

0 引言

在我国北方，尤其是新疆西北部、内蒙古北部及东北部、哈尔滨北部等地区，冬季最低冬季气温可达-30 ℃以下，极端天气情况下最低气温可达-40 ℃。目前，在超、特高压电力系统中，以SF6作为绝缘介质的GIS 设备应用广泛［1］，SF6气体具有良好的绝缘性、灭弧性，被广泛推广和应用在各种气体绝缘电气设备中［2］。然而，常规SF6断路器灭弧室内SF6气体的液化温度一般为-30 ℃，冬季极寒天气下SF6气室气压已经低于正常工作闭锁压力，高压断路器的正常绝缘及开断特性受到极大威胁［3］，根据最新《国家电网公司十八项电网重大反事故措施》，日温差大和低温地区应采取户内布置，而目前寒冷地区的220 kV变电站大多采用户外布置，运行时若不采取应对措施，绝缘介质的液化以及操作机构的低温劣化将导致断路设备无法正常运行，严重影响电网的安全稳定运行［4］。

目前，针对GIS 设备低温环境下稳定运行的保护措施主要有以下几类：降低SF6气室气压、加注其他气体混合、安装加热装置等。通过减少SF6气体的压力来降低SF6气体的液化临界温度，使电路断路器操作能力在低温环境中得到很大提升，但这将降低其灭弧能力及绝缘断路器的性能［5］；为降低SF6气体的液化临界温度，可在纯SF6气体添加N2、CF4或CO2气体，然而该方法加速了气体绝缘性能的劣化，应用范围也非常有限［6］；解决断路器低温报警闭锁异常现象的另一种方法就是直热式或外包伴热式对设备本体SF6气体进行加热，罐式SF6断路器普遍使用此方法，因为其外壳接地，且金属外壳的导热性好［7］，而对于SF6瓷柱断路器来说存在一定难度，因其散热面积大，瓷套外表面不能增加加热装置，只能加装在灭弧室的拐臂箱上，加热效果受限［8］。针对敞开式SF6断路器的结构特点和性能参数，设计智能控温的保温系统来防止气室内SF6气体液化，提升气体压力，保障SF6断路器在极低温环境状态下稳定运行是非常必要的。

1 敞开式SF6 断路器

1.1 主要结构及性能特点

SF6高压断路器是利用SF6气体作为灭弧和绝缘介质的断路器，SF6高压断路器在结构上可分为支柱式和罐式两种，根据电压等级的不同支柱瓷柱式结构又可分为单断口和双端口两种。针对瓷柱敞开式SF6断路器进行研究，该断路器的灭弧室采用自能式灭弧结构，分闸时，压气缸内的SF6气体在压力的作用下通过喷口喷向燃弧区域，使电弧熄灭。

SF6气体属于稳定性较高的负电性气体［9］，是一种无色无味、无毒阻燃、导热性强的惰性气体，其本身具备良好的绝缘和灭弧能力，弧间隙的高温致使SF6气体分解为氟原子、硫原子和少量氟化物，可吸附大量空间中的电子并集聚于SF6气体分解产物周围，起到了隔绝的效果，且其绝缘和灭弧的能力随气体压力逐渐增大而不断增强。

1.2 存在的问题

SF6高压断路器虽然具备绝缘能力强、开断能力好等多项优点，但在实际应用过程中，仍存在许多问题，给设备安全运行和维护带来隐患，具体为：1）设备安装、连接过程中留有空隙，导致气室气体泄漏；2）SF6气体中含有杂质或水分，降低绝缘、灭弧能力；3）气室温度过高导致SF6气体分解反应产生腐蚀性物质，破坏密封材料；4）气室气压不足，绝缘、灭弧能力减弱。

然而，SF6断路器的绝缘和开断灭弧性能的优良，主要取决于气室SF6气体压力的大小，而极寒天气将导致环境温度逐渐下降，SF6气室气压随之逐渐减小，内部气体出现液化，SF6断路器的机械特性和动作速度逐渐滞后，SF6气体的灭弧反应时间增加、分解反应效率削弱，断路器吹弧绝缘能力降低，进一步给设备运维带来安全隐患；在极端天气的状况下SF6气体的液化给电网系统安全运行带来巨大的威胁，频繁的故障也将给电网系统带来巨大损失。表1所示为气温对SF6气室压力的影响［4］。

表1 气温对SF6 气室压力的影响

由表1 可知，随着环境温度的逐渐降低，SF6气体的绝对压力呈下降趋势，正常的SF6气体在-30～-25 ℃时，其液化的压力一般在0.60 MPa 左右，由于温度对气室气压的影响，在-30 ℃的状态下SF6气体即出现液化情况。然而，在我国北方多数地区，冬季温度出现多次-30 ℃，甚至部分地区气温能够达到-40 ℃，电网系统SF6断路器的稳定运行环境将受到破坏，频繁出现断路系统告警和闭锁的现象。

2 加热保温系统设计

2.1 系统结构设计

该保温系统利用2 mm 厚不锈钢外壳将SF6气室及机构整体密封包裹，敞开式断路器的气室整体由机构箱包裹，在保温箱前端不锈钢壳体设有透明有机玻璃观测窗便于对内部压力表、温控仪及加热装置进行外部观测，保证在内部温度场环境不被破坏的情况下进行现场运行勘查；不锈钢保护壳体内层包裹高密度橡塑防火保温棉，具有良好的延展性和柔韧性，便于保温箱内壁无缝隙贴合安装，能够有效减弱外部冷空气与内部保温环境的对流换热，达到了保护和内外隔绝的效果。同时，在箱体内安有温控仪、伴热带及3 组JRD2-3 铝合金加热器，实现保温箱体内温度智能控制。该保温系统在不破坏断路器本体的情况下，在气室外层加装保温防护壳体，通过智能温控仪调控保温箱内的温度，保证气室SF6气体的压力稳定。220 kV 瓷柱式敞开式SF6断路器加装保温系统结构如图1（a）所示，其现场安装效果如图1（b）所示。

2.2 主要控温装置

控温系统选用PY-SM5 型LCD 高精度智能温控器（温控精准度0.1 ℃，实测温度、启停温度同时液晶显示）作为温度智能监控装置，具体参数如表2 所示，能够实时高精度检测保温箱内的环境温度，同时，能够及时做出温度调节反馈动作，控制加热装置进行升温，保温箱内共安装有3 组JRD2-3 铝合金加热器，气室外壁、固定钢筋上均缠绕伴热带，增加换热面积，实现快速升温的效果。

图1 220 kV 瓷柱敞开式SF6 断路器加装保温系统

表2 LCD 高精度智能温控器参数

JRD2-3 铝合金加热器（电压为AC220 V，功率为100 W）因其加热效率高、控制方法简单等优点，广泛用于高压开关柜、端子箱、箱式变电站等电力设备祛湿，防凝露，提高电器元件工作环境温度，避免由于开关设备内部发生凝露而产生的爬电及闪烁事故。

功率较大的3 组JRD2-3 铝合金加热器呈三角状排列布置于SF6气室下端约300 mm 位置，低功率电加热伴热带紧贴均匀缠绕于气室及四组固定钢筋外围，增加了换热面积，且受热范围均匀。当环境温度极低时，加热器通电使周围局部空间内空气快速受热膨胀，箱体内冷气流被热气流挤压向箱体四周扩散，受挤压扩散的冷空气在箱体四周伴热带的作用下继续受热膨胀和再循环，整个箱体内部的热气流由SF6气室中央向箱体四周不断往复循环，实现箱内快速升温；当箱体内温度逐渐接近预设温度时，加热模式转化为低功率伴热带单独加热，使温度逐渐维持在预设温度±2 ℃范围内波动，保障SF6断路器气室气压稳定。

2.3 控温效果测试

现场安装测试前进行控温效果测试实验。将设计好的保温箱体，模拟现场安装方式布置加热器和伴热带，首先将整个箱体通电置于室内环境下（20 ℃左右），待温度示数逐渐稳定时，将机构整体置于室外寒冷环境状态下（最低气温-32 ℃左右），记录箱体内、外部环境温度动态变化情况，记录结果如图2所示。

图2 保温箱控温效果温度曲线

测试结果显示：环境温度突然骤降时，由于保温箱具备一定的保温能力，在一段时间内保温箱内的温度缓慢下降，但在没有发热源的情况下，箱体内温度难以持续维持长久；受外界冷空气影响，箱内温度快速下降至-10 ℃以下后，箱内加热装置快速启动提升温度，可在10 min 之内快速遏制箱内温度继续下滑，并在伴热带的控温调节下逐渐趋于稳定，稳定后的箱内温度在设定温度±2 ℃范围内波动，可满足现场断路设备的正常运行所需温度。

3 现场试验

保温箱试验运行及数据监测安排在锡林郭勒盟地区某一电网现场进行，试验共选取了该厂区位置相对靠近的两组（1 号、2 号）220 kV 瓷柱敞开式SF6断路器分别进行，该两组断路器各类工作参数均相同，由同一厂家统一安装，运行时间相同，日常运行维护状态相同。

保温箱体安装在2 号断路器上，1 号机组未做任何处理，选取事故多发时间段连续观测多天断路器运行状态，分别对1、2 号机组的各项参数统计汇总，其中部分试验结果数据如表3 所示。对1、2 号机组断路器气室外层温度监测记录对比分析的结果如图3 所示。

表3 部分现场试验监测数据统计

图3 1 号、2 号监测数据结果曲线

结果显示：SF6断路器外部加装保温箱设备具有良好的保温效果，通过现场对比试验验证，该保温装置能够使断路器气室压力保持在0.56 MPa 及以上，2 号加装保温箱的断路器气室外层温度较未加装保温箱的1 号机组平均温度高出25 ℃左右；且13 天对比试验过程中，1 号断路器共发生告警和闭锁现象各10 次，2 号断路器未发生任何现场事故；该保温能够根据外界环境温度情况快速做出反应，控制加热器和伴热带的协调加热，保证断路器气室周围温度在极寒状态下仍能维持箱体内温度在较小的范围波动，有效解决了SF6断路器在低温状态下的不稳定运行状况。

4 结语

敞开式SF6断路器气室保温系统的优势包括：安装、拆卸方便，加热、保温效果良好，非常适用于极寒地区敞开式SF6断路器的使用；自适应能力强，智能化程度高，能够根据环境温度变化，快速调节保护体内部的温度；整体系统结构设计合理，适合外部巡检人员检修、操作及调试；适应范围广、应用成本低，具有很强的推广和应用价值。

该系统对解决SF6断路器极端环境存在的告警、闭锁问题具有重要意义，是高电压GIS 设备安全稳定运行的有力保障，对电网的高效运行带来了收益，有效减少经济损失和人员不必要的劳动量。