N2 绝缘技术在40.5 kV C- GIS 中的应用研究

李炎光

（河南工学院机械工程学院，河南 新乡453003）

C-GIS 是箱式气体绝缘金属封闭开关设备（Cubicle type Gas Insulated Switchgear）的英文简称，它具有体积小、不受外界环境影响、维护量少、检修周期长、智能化等优点。此外，由于技术的日趋完善、生产成本的不断降低，高性能的C-GIS 开关设备近年来倍受国内外市场的青睐，已经被广泛应用于社会的各个领域，尤其在城市轨道交通建设方面，40.5 kV C-GIS 开关设备已经成为其首选设备，并将成为今后中压开关领域的一个主流发展方向。

目前在网运行的中压气体绝缘金属封闭开关设备中绝大多数都采用SF6气体作为绝缘介质，这是因为SF6气体具有优良的电气灭弧和绝缘性能，使其在电力设备中得到广泛应用。但SF6气体具有严重的温室效应，据研究SF6气体温室效应大约是CO2气体的23900 倍，排放到大气后SF6气体的寿命可达3200 年，环保性能极差[1-3]。随着经济的快速发展以及人类环保意识的增强，人们对环境质量的要求也越来越高，环境问题已经受到人类的密切关注，从而直接导致SF6开关设备的应用受到国际和国内环境的影响。此外，SF6气体在应用中还存在一些不足。如：高寒地区易液化，价格昂贵不适于大型充气开关设备，耐电强度受外部环境影响较大，在电弧作用下易分解出有毒气体等缺点[4-6]。针对SF6气体的不足，人们迫切希望使用环保型气体来替代SF6气体，以减少生产成本和环境的污染，因此，探索少用和不用SF6气体的可行性成为今后高压电器制造行业的发展方向。

图2 三工位电极最优结构的电场分布云图

N2是空气的主要组成成分之一，资源丰富、价格低廉，采用N2作为绝缘气体，不会对环境造成任何影响，而且能降低绝缘气体的经济成本等[7-9]。因此，研究利用纯N2作为开关设备的绝缘介质，环保性能优异。尽管N2作为绝缘气体有诸多优点，但是在同等条件下，N2的绝缘能力仅为SF6气体绝缘能力的25%～30%，且导热能力也相对较差。因此，为了满足开关设备绝缘水平和温升性能要求，文中从主要影响因素进行分析探讨，研制出一款结构最优的开关设备，为今后大规模推广N2气体绝缘技术在中压开关设备领域的应用奠定一定的技术基础。

1 绝缘性能

影响柜式开关设备的绝缘性能的因素有：气室箱体结构、元器件结构形状、绝缘气体水分含量、柜体内部清洁程度等，其中箱体结构、元器件结构形状等对内部电场分布的影响最大。因此，为了减少或避免不均匀电场结构的出现，本研究主要从对电场分布影响最大的气箱结构、元器件结构等因素方面来分析研究其对设备绝缘性能的影响，从而完成设备的结构优化和安装工艺优化，进而改善设备的绝缘性能，保证整柜的安全可靠性。

1.1 气箱壳体结构

C-GIS 的大部分高压元器件都安装在气箱内，这就要求气箱具有较高的机械强度，保证柜体的变形量在设计范围内，以满足绝缘性能要求。本研究的C-GIS 的所有气箱外壳均采用304 不锈钢薄板，气箱间通过螺栓连接而成，为了使气箱能够承受绝缘气体在不同状况下的压力，且在相同条件下做到质量最轻化。为此，通过大型的商用仿真软件Solidworks 的仿真模块对采用不同板厚、加强筋的结构和位置布置的气箱结构进行模拟分析计算，其最优的仿真结果如图1 所示。

图1 最优气箱结构的最大形变量图

从图1 可以看出，气箱在设计压力条件下的最大形变量在2mm 以下。相对于纯SF6气体绝缘的开关设备，在不改变柜体的长、宽、高条件下，其质量增加了约5%，生产成本和安装难度几乎未增加。

根据N2气体绝缘的特点，还需要考虑气箱的气密性，本研究的C-GIS 的气箱壳体采用激光焊接工艺，这不仅保证了气室极低的泄露率，而且还保证了气箱壳体焊接的美观性。

1.2 电极结构

电极结构的合理设计是保证电场分布合理、绝缘性能可靠的关键因素之一，合理的电场分布可减少或避免闪络和放电现象的发生。因此在实际的电场结构中常要求接触部分的电极结构设计合理，表面光滑过渡，从而使得电场分布尽可能均匀。本研究主要通过对电极形状结构进行优化设计，从而改善电场分布，提高设备绝缘性能。

SF6开关柜的三工位电极常设计成空心圆柱体结构，这与SF6绝缘气体的绝缘性能有关。在N2绝缘开关柜中，该结构形状的电极电场分布极不均匀，为此进行结构优化，如图1 所示。从图中可以看出，设计成4段大圆弧结构的三工位电极，最大场强满足设计要求，且电极间的电场分布也较为均匀。

1.3 双排母线结构

在满足载流量的条件下，断路器气室的主回路和母线气室的主母线处均设计成双排矩形母线结构。与传统的单排母线结构方案相比，双排母线结构的气室内电场结构分布更为均匀。此外，为了进一步优化气室内部的电场分布结构，在母线的两端处均设计成半圆头结构，在其它的“面-面”交汇处设计成大圆角过渡结构。

1.4 主母线套管结构

主母线套管的固定方式通常设计成气室内部栽螺钉的方式进行安装固定的结构，如图3（a）所示，该结构下常在套管绝缘树脂表面出现闪络或放电现象，导致开关柜绝缘性能较差。

为了改善该处的电场结构，在保证气箱尺寸不变的前提下，采用改进套管结构，同时把套管固定方式改为气室外侧固定，其套管结构形式如图3（b）所示。改进后的结构，母线套管处的电场分布较为均匀，绝缘性能良好。

图3 主母线套管外形结构

1.5 紧固件联接工艺

由于N2气体的绝缘性能相对较低，这就需要对所有可能引起电场分布不均的主要结构进行优化设计。在试验过程中，紧固件联接处的电场结构易于形成极不均匀电场。为此，气室内部各高压带电体连接处的结构均采用“沉头”设计，即开设阶梯孔结构，螺栓、螺母均沉在导体内部，不会对电场分布造成不良影响。

2 开关设备温升问题的优化

开关柜内部发热现象普遍存在，尤其在开关柜散热风机出现故障和季节性用电高峰期更为明显[10-12]。该现象在气体绝缘封闭开关设备中尤为突出，这是由于C-GIS 中的高压元器件密封在充有绝缘气体的箱体内，其散热条件比较严酷，当通过较大额定电流时，温升问题愈发明显。如果开关柜发热问题得不到有效解决，将会直接引起元器件的机械性能和电气性能下降，最后导致故障，甚至造成严重事故。因此，要保证开关柜的稳定可靠运行，在C-GIS 产品设计过程中要特别重视开关柜的温升问题。

与SF6气体相比，纯N2气体的导热能力相对较差。对于温升问题，本研究的C-GIS 是在保证绝缘性能的前提下，按30%载流裕度设计，主要通过增大导体横截面、减小载流元器件的电阻值来实现的，设计方案经济合理。

3 结论

本文探讨了N2气体绝缘技术在40.5kV C-GIS 中的应用。在设计过程中，本研究根据气体绝缘封闭开关柜研制过程中普遍存在的绝缘和温升问题出发，通过优化气箱结构、元器件结构以及安装工艺等方面进行分析研究，得出如下结论：

3.1 通过气箱结构优化和激光焊接工艺，保证了气箱强度和气密性的要求，保证了设备绝缘性能。

3.2 采用大圆弧外形结构的电极，改善了局部电场分布结构，使开关柜电场分布更加均匀，绝缘性能更优。

3.3 优化元器件结构和安装工艺，使电场结构分布更均匀，避免了局部场强集中，减少了闪络和沿面放电现象。

3.4 在满足绝缘性能的前提下，通过优化母排结构和减小载流元器件的电阻值来改善开关柜温升问题。