中压环保型气体绝缘开关设备的实现及关键技术

林春昭

（厦门顾德益电器有限公司，福建 厦门 361011）

0 引言

国内通常普遍使用的N2、干燥空气两种介质为主要气体绝缘介质，使用真空灭弧室作为开断灭弧元件，主要一次导电回路直接密封于单层不锈钢的空气箱中，具有环保、小型化、不受潮湿、污秽、海拔等环境影响，还具备安全可靠、免额外维护、模块化且生产成本较低等几大优势，因此，电力行业在未来发展中，需要增加中压环保型气体绝缘开关设备的研究力度[1]。

1 中压环保型气体绝缘开关设备的主要特点

1.1 绿色环保，无污染

中压环保型气体绝缘开关设备能够控制温室效应产生并排放的气体，这样便可规避各种有毒或有害物质的含量，增加各种资源在设备内部的循环利用率，适当降低设备自身的体积重量。

1.2 配置多样，适用性强

开关单元采用全模块化结构设计，满足多种开关方案设计的不同需求。真空灭弧室+三工位下隔离/接地开关设计，具有明显的可见隔离断口，特别适合当前电网运行维护需求。线路侧或母线侧不同的进、出线均有成熟的配置方式，扩展方案有侧扩式、顶扩式、多单元共箱型等。

1.3 运行稳定，无需维修

传统敞开式电力开关设备在安装维修操作过程中，时常需要对开关元件的拆卸与安装维护进行检修，这无疑会直接造成设备安装操作过程的巨大差异，可能出现的开关局部元件过热及短路故障的风险。据统计，绝大多数技术缺陷及主要故障均直接发生在电力设备的实际运行和日常维护操作过程中。因此，传统敞开式高压开关设备并不是一个免费的维护开关设备而且比较易于发生安全故障，而环保气体绝缘开关设备由于系统采用了完全密封结构设计，不受恶劣环境及温度海拔变化影响，完整的GIS开关系统结构可以广泛应用在任何严苛高温环境下，特别是高海拔危险地区。同时，真空断路器具有长寿命、高可靠性的特点，也不再需要定期检修。因此，环保气体绝缘开关设备不仅是免维护的产品，而且可以具有更长的产品生命周期、更高的安全性和产品可靠性[2]。

2 中压环保型气体绝缘开关设备的具体实现

2.1 实现思路

实现思路对于中压环保型气体绝缘开关设备而言属于灵魂，代表设备设计的主要方向。目前，中压环保型气体绝缘开关柜的设计思路应从环保、小型化以及经济性等方面综合考虑:（1）环保型：除了环境气体的绝缘介质的使用，也需要充分考虑环保材料的使用。在产品制造材料上使用可回收及减少或避免有毒有害物质掺入的材料代替那些对环境有害、不可循环或不易循环使用的材料。（2）小型化：将产品设计的尺寸最小化，但不应使设计制造的难度大大增加，且与同类产品相比成本波动过大，失去了小型化降低占用成本的现实意义。通过结构简化、电场仿真分析、传动方式优化、核心单元尺寸简化等手段。（3）经济性：低成本不是目标，高性价比才是产品的核心竞争力，是面对市场竞争，创造竞争优势的设计。通过设计优化，可以减少零件的设计量，降低零件制造的难度，可以用标准件代替非标准件，可以用通用方案代替高成本的方案[3]。

2.2 挑选气体

N2、CO2和干燥空气同样可以被作为SF6替代通用气体。通过搜索查找更多有关它的资料，CO2绝缘体的性能最低，且优点是没有温室排放气体。N2和干燥空气的绝缘性能仅为SF6的1/3。N2及干燥空气气体为非极性温室效应惰性气体，沸点低，正常环境使用时不用时要考虑其气体液化性的问题，可在高寒潮湿地区正常使用。干燥空气的温度导热氧化性能较好，N2的温度比热较高。N2是有机空气的主要化合成分，化学性质稳定。空气中的N2含量过高，会直接引起人体缺氧或者窒息。因此在设备采用N2绝缘时，应尽量使用保温通风及排水防护绝缘设备。采用干燥空气进行绝缘则不必急于使用干燥通风及空气防护罩等设备。研究结果表明，与SF6相比，干燥空气的耐压对大量金属惰性微粒相对不敏感，故在使用生产设备过程或者在使用工具过程中，由其产生的大量金属惰性微粒对于干燥空气产生绝缘效果影响不大[4]。

2.3 设计绝缘净距离

单纯以普通空气作为开关绝缘介质的金属式非全封闭开关设备，当额定绝缘电压为12kV时，最小金属空气绝缘间隙约为125mm。但对于全封闭气体绝缘开关设备，通过提高气体击穿电压或改善导体结构，可适当减少气体绝缘间隙，避免设备在运行过程因间隙产生其他故障。提高空气气隙中电离击穿电压的方法主要有两种：（1）通过改善气隙裂缝中的气体电场离散分布，均匀电场；（2）可以设法通过削弱和增强抑制干燥气体空气气隙中的电离击穿过程。

改善内部电场电荷分布的主要方法有以下几种：（1）通过改善内部电极板的形状；（2）充分利用剩余空间电荷；（3）极不均匀地方在电场中可以增加导电屏障。在极不均匀的静电场中，放入柔性绝缘板，在一定电场条件下也就可以大大提高电极间隙的绝缘击穿率和电压。绝缘板装置能直接拦住与介于电晕绝缘电极隔离同号的各个空间电荷，这样就可以能直接使介于电晕绝缘电极与隔离绝缘电路板之间的各个空间负荷电场大大减小，并以此确保电场分布情况足够均匀。

3 中压环保型气体绝缘开关设备的关键技术

3.1 常压空气绝缘技术

通过对大气压下电极绝缘的工频和雷击试验，形成实际对应的大气压下电极间隙击穿电压和电极间隙数值曲线，为大气压下绝缘设计提供依据。同时结合电场仿真基础，对带电体和气箱内部电间隙影响的电场进行优化，使得未密封的开关单元也能满足在大气空气绝缘环境下所需绝缘测试要求。

3.2 固体绝缘替代技术

为了提高材料的可回收性，减少热固性材料的使用，采用可回收、可降解的热塑性树脂基复合材料作为保温材料代替固体保温材料主要支撑，更符合绿色环保设备设计的现实意义[5]。此外，还需选用机械强度高、耐热性好的优质环保型热塑性树脂基复合材料作为气室主回路元件的绝缘支撑。在设备生命周期结束后可完全回收和降解，减少对环境的影响。

3.3 均匀电场优化技术

由于设备小型化的需求，产品尺寸范围限制，因此，需要在满足间隙距离的基础下通常会使用绝缘隔板类似的复合绝缘进行改善，但实际的证明表示效果不明显，在安装过程还容易对其造成一定损坏。而且在其中使用复合绝缘介质时，经常发生被电场击穿后无法恢复使用等问题，对设备的可靠性、免维护带来影响。若通过采用电场优化技术来改善开关局部电场强度的集中，减小气体绝缘间隙，即使发生气隙击穿，也能迅速自恢复绝缘性能。因此，通过电场仿真分析，对电极表面的多种电场方案进行对比分析，可以选择最适合制造的方案。

3.4 核心单元模块化技术

优化开关核心部件零件型号，减少件数，模块化设计，集成通用模块，减少非标件设计，提高生产效率。零件采用一次成型设计，结构简单，场强均匀，绝缘性能好，生产效率高，调节少，组装方便。合理布局后的主电路元件和开关单元的模块化设计，可以组合满足不同用户的需求计划，为断路器、负荷开关、PT单元，以及其他线路的规划不同方案[6]。

3.5 智能保护监测技术

（1）安全保护系统功能。其主要包括高压短路故障保护、低电压短路保护、过电压短路保护、接地短路故障修复保护以及电源断路器驱动失灵故障保护等。

（2）视频监视录像功能。其主要能够同时实现移动终端监控设备的自我自动检测、电闸过后驱动回路工作电流的自动监视以及电闸断路器正常运行工作状态的实时自动监控等。

（3）控制运动功能。可以通过远程监控计算机或者远程遥感控制设备对监控设备合闸进行远程或就地进行信号采集控制，可以有效保护设备合闸和防止跳闸。

（4）提高测量精度功能。测量电压功能中还可以同时测量绝对相电流、相对电压的相关数值。

（5）网络通信控制功能。该通信功能主要能够与远程移动计算机或者远程变电站设备进行远程网络通信。

4 结语

综上所述，中压环保型气体绝缘开关设备由于市场经济效益好，环境污染代价小，近几年开始受到社会大众的广泛关注，未来中压电源开关设备必然也是需要不断继续向着工业智能化、低污染和优化的方向快速发展，企业必然应该不断加大研发投入，使得智能化、低污染和优化的新型中压开关设备赢得我国市场的广泛青睐。