环保气体用于全封闭隔离开关试验研究

国网内蒙古东部电力有限公司赤峰供电公司 王乾力 杨香来 国网内蒙古东部电力有限公司 王远东 曹 阳 李海明

国网内蒙古东部电力有限公司通辽供电公司 刘 斌 西安西电伊顿电力科技有限公司 张肇雷 杨雪丽

变电站在现代化发展过程中，为保证高压输电设备运行稳定，开始广泛采用隔离开关实现电力隔离[1]。从实践应用效果来看，当前户外隔离开关存在设计工艺标准较低、绝缘介质选取不合理等问题，极易引发隔离开关运行故障[2]。以降低隔离开关故障发生频率为目标，近年来提出选用环保气体作为绝缘介质，再以此为核心设计全封闭隔离开关结构。但是，目前全封闭隔离开关设计过程中，对环保气体应用效果的研究还不够深入，阻碍了隔离开关的推广应用。因此，需要开展环保气体用于全封闭隔离开关试验研究。

文献[3]深入分析电压隔离开关的组成结构，运用AnsysWorkbench仿真软件建立有限元分析模型，并获取隔离开关的物理场耦合特点。根据应用环境温度考和风速，获取全封闭隔离开关的应用性能。但是，该方法研究结果误差较大。文献[4]从隔离开关分段速度等参数入手，建立开关性能分析模型。根据隔离开关的绝缘能力需求，设计多断口结构布局，形成以场路耦合为基础的断口均压方案，将上述设计的超多断口隔离开关，应用在选定回路上，获取试验结果。但是，该试验结果存在片面性。文献[5]依据隔离开关的组成结构，构建气体模型和磁流体动力学模型，施加不同充气压力后，计算隔离开关应用过程中的燃弧性能。但是，该试验方法耗时较长。

本文针对环保气体用于全封闭隔离开关的效果，进行试验研究。通过试验样机制作、试验回路设计两个步骤，完成本次试验研究的准备工作。再从燃弧性能、绝缘性能、开断性能、耐温性能四方面分别进行测试，获取全面的研究结果。

1 试验样机制作

参考门型全封闭隔离开关，制作试验研究所需的样机。其中，选用环保气体作为主要绝缘介质，再应用硅橡胶复合套管作为外部绝缘装置，最终形成的全封闭隔离开关结构如图1所示。按照图1门型隔离开关结构制作试验样机，该设备总高度为2500mm。制作过程中，采用高度为1200mm的锥形绝缘套管，并在其中添加接地断口，搭建支撑绝缘子结构，达到增强隔离开关结构稳定性的目的。根据220kV变电站内断路器灭弧室所应用的复合绝缘套管，制作高度为1000mm的同款隔离断口套管。在绝缘套管内部合理布置隔离断口，形成三工位门型全封闭隔离开关。

图1 门型隔离开关结构图

此外，试验样机制作过程中，由于开关隔离断口处于复合绝缘套管内部，接地开关位于两侧锥形绝缘套管内部，所以设置左侧接地开关和隔离断口应用相同的传动系统和接地开关，而右侧接地开关采用独立的接地开关。由于本次试验研究制作的样机是门型结构，属于全封闭隔离开关的变种设计，所以相比传统隔离开关结构，需要经历两个演变步骤。首先，从下接线端合适位置弯曲接地开关，形成L形隔离接地开关，再将其与单接地开关进行组合处理，形成门型双接地结构。其中，隔离断口的静端、动端结主要结构如图2所示。

图2 隔离断口静、动端结构图示

支架和表计气路装配，是全封闭隔离开关设计的两项重要组成部分之一，本次试验设置支架装配结构尺寸为250mm×250mm×1150mm，支架主体和斜筋均采用∠80×80×10的角钢。密度表的连接气路如图3所示。

图3 气路示意图

通过上述设计，完成以环保气体为主绝缘的全封闭隔离开关样机，为了便于后续试验分析，设置全封闭隔离开关样机设计参数见表1。

将开关样机看作本次试验研究的主要对象，应用在试验回路内，进行全方位测试，获取环保气体用于全封闭隔离开关的应用效果。

2 试验回路设计

为保证本次试验的顺利进行，按照全封闭隔离开关实际应用环境，设计试验回路。其中，隔离开关母线转换电流为1600A，而气体绝缘母线、空气绝缘母线的转换电压分别为50V、115V。设置瞬态恢复电压的波形变化，呈现出振荡衰减趋势，且振幅系数高于1.5，振幅频率高于15kHz。同时，为了确保设计的试验回路满足环保气体用于全封闭隔离开关试验研究需求，应用小容量温升变压器充当试验电源，得到图4所示的最终开断试验回路。

图4 试验回路

图4中，L表示用来试验电流的电感，T表示温升变压器，LT表示变压器短路电感，R表示电阻，RT表示变压器直流电阻，V表示TRV调节单元电压有效值，U表示稳态电压，C表示调节单元参数。

图4所示的试验回路应用时，当开关拉弧处于开断状态，试验回路内剩余能量会外泄处理，生成TRV调节单元。为了避免试验回路出现故障影响研究结果出现偏差，在正式试验研究之前，测量试验回路正常状态下的试验电流和电压波形稳态值。利用泰克P2220探头和工频电流互感器进行测量，得到回路的最大电压值为350V，最大电流值为10kA。

试验回路内温升变压器是核心组成部分，由4个绕组串联组成，且每个绕组的最高输出电压值为35V，试验研究过程中，通过单个绕组获取温升变压器输出值，设置温升变压器短路阻抗计算公式为：

式中，ZT表示温升变压器短路阻抗。

利用公式（1）进行计算可知，试验回路的变压器短路阻抗值为0.50mΩ，变压器直流电阻值为0.37mΩ，在此基础上，进行试验回路总阻抗计算公式：

式中，Z表示试验回路总阻抗。

根据上述计算得出的回路电流值、电压值、阻抗值等信息，运用ATP-EMTP软件建立仿真模拟回路，得到开断前后隔离开关电流、电压波形变化情况，如图5所示。以图5中电流和电压波形图为参考，确保试验研究过程中试验回路保持正常状态，将试验回路与全封闭隔离开关样机相连接，明确环保气体作为主要绝缘体后，隔离开关的应用性能。

图5 开断前后隔离开关电流、电压波形图

3 试验结果分析

3.1 燃弧性能分析

全封闭隔离开关工作时，通过燃弧作用产生高频率的操作过电压，从而实现电力隔离。以环保气体为核心的全封闭隔离开关的应用效果研究过程中，燃弧性能分析是主要方向之一。驱动试验电路和试验样机，观察电弧燃烧时形态变化。本次试验向全封闭隔离开关分别施加0.6MPa、0.8MPa充气压力，选定2ms、4ms、6ms、8ms四个时刻，获取图6所示的隔离开关内环保气体气室内部温度分布云图，明确电弧形态特征。

根据图6可知，从整体来看随着全封闭隔离开关工作时间的延长，环保气体电弧温度扩展范围不断增大。当隔离开关的燃弧时刻为2ms时，触头呈现出拉开状态，两种充气压力条件下电弧都表现出膨胀趋势，如图6（a1）和图6（b1）所示。电弧膨胀半径的扩张，使得隔离开关内环保气体转变为高温气体，并聚集在动静触头之间的区域，而触头空心区域是高温环保气体的主要流向方向。但是，0.6MPa充气压力下电弧最高温度为16500K，而0.8MPa充气压力下电弧最高温度仅为10500K。

图6 不同气压下环保气体电弧温度分布云图

当燃弧时间为4ms和6ms时，短路电流表现出持续扩展特点，引起电弧能量注入量的增长，作为主绝缘体的环保气体受热膨胀，使得高温气体进一步扩散。但是，由于触头间距变大能量耗散强度较高，电弧高温区域增长并不明显。

最后，燃弧8ms时试验回路内电流减弱到0.58kA，仅存在极少的电弧输入能量。0.6MPa和0.8MPa条件下，环保气体电弧高温区域依旧在扩散，整体来看0.8MPa时高温区域明显要低于0.6MPa。因此，压强的增加可以有效抑制电弧燃烧，调整开关的燃弧性能。

3.2 开断性能分析

由于本次试验研究的样机是以环保气体作为主绝缘体，为了更好地体现全封闭隔离开关的开断性能，设置不同的环保气体混合比，形成表2所示的4组试验对比组，并在160V、2200A条件下，展开100次开断试验。

表2 开断性能试验相关方案

针对表2所示的多个试验方案，进行全封闭隔离开关开断性能测试，记录每个试验方案下对应燃弧时间，形成图7所示的燃弧时间对比结果。根据图7可知，所有环保气体混合比条件下，燃弧时间主要集中在10～29ms，且应用环保气体设计的全封闭隔离开关，相比10%SF6气体、20%SF6气体和30%SF6气体，总体燃弧时间提升了35%、27%与25%，表明环保气体应用于全封闭隔离开关，有效提升了开关的开断性能。

图7 不同气体的燃弧时间对比

3.3 绝缘性能分析

针对全封闭隔离开关，进行绝缘性分析，是验证开关性能的关键内容。本次试验选用环保气体充当绝缘气体，作为隔离开关的开断介质。因此，本文从环保空气中选择干燥空气、氮气和二氧化氮三种气体，分别充当绝缘介质，应用在试验样机中，分别在50Hz工频环境下，和雷电冲击环境下进行耐压试验，最终得到图8所示的电压变化结果。根据图8可知，环保气体用于全封闭隔离开关后，无论是在工频击穿电压条件下，还是在雷电冲击击穿电压条件下，绝缘性能均会随电压的升高而提升。工频击穿电压测试结果显示，干燥空气的绝缘性能最高达到0.5MPa，而氮气和二氧化氮的最高绝缘性能分别为0.47MPa、0.34MPa。雷电冲击击穿电压测试环境下，干燥空气的绝缘性能也要高于其他两种气体。因此，全封闭隔离开关设计时，选用干燥空气作为绝缘介质，既符合环保要求又可以满足开关设备绝缘需求。

图8 工频和雷电冲击击穿电压结果

3.4 耐温性能分析

高压隔离开关工作时，触头接触压力是关键参数之一，也是保证隔离电路不放电的依据。本次实验根据触头接触压力，分析以环保气体为基础的全封闭隔离开关后的耐温性。在试验样机的静触杆内附近，安装压力传感器。通过测试可知，试验环境内自然温度为16℃，全封闭隔离开关的额定接触压力为4535kg，且接触压力范围为420.5～475.5N。在上述试验环境中，设置4个温度点，分别为-40℃、0℃、20℃与60℃，针对每个温度点重复展开压力检测，最终得到表3所示的接触压力测试结果。

根据表3压力测试结果可知，全封闭隔离开关的接触压力，会随着环境温度的增长而减小。60℃时全封闭隔离开关的平均接触压力为297.3N，在-40℃时动触头、静触头之间的接触压力值最高，平均接触压力为369.2N。相比环境温度为60℃时，接触压力增加了18.15%，这表明全封闭隔离开关的接触压力会受到外界因素影响。结合隔离开关的工作要求可知，环保气体用于全封闭隔离开关后，隔离开关的合理工作温度范围在-40～40℃，超过这一范围后，开关难以发挥良好的电力隔离效果。

表3 不同温度下环保气体全封闭隔离开关的接触压力

3.5 试验结果讨论

将环保气体应用在全封闭隔离开关中，利用试验样机和试验回路，分析气体电弧燃烧过程。从试验结果可以看出，隔离开关工作过程中，随着时间的增长环保气体内电弧燃烧范围不断扩散。同时，压强对电弧燃烧具有重要影响，与0.6MPa相比，0.8MPa条件下电弧燃烧范围更大，但是高温气体分布范围更小。综上所述，通过向隔离开关增大压强，可以促进电弧能量耗散并控制电弧燃烧温度，发挥更好的电力隔离效果。

在同等试验环境下，环保气体的燃弧时间，相比10%SF6、20%SF6、30%SF6混合气体，增长了35%、27%与25%，表明环保气体的开断能力低于不同混合比的SF6气体，与已知的研究结果相一致。

以干燥空气为基础，建立的全封闭隔离开关，其绝缘性能会随着电压的增长不断提升，最高达到了0.5MPa，符合隔离开关设计的绝缘要求。并且，与其他气体相比，具有更好的绝缘性能。

伴随着环境温度的减小，全封闭隔离开关的接触压力呈现出增加状态。参考开关标准工作要求可知，隔离开关的最佳工作温度范围在-40～40℃，实际应用时需要考虑这一条件。

4 结语

为了实现良好的电力隔离，近年来涌现出多种全封闭隔离开关，以环保气体为核心的隔离开关逐渐投入应用。文中为了了解全封闭隔离开关的实际应用效果，特展开试验研究。制作试验样机和试验回路，搭建试验研究环境，并从燃弧性能、开断性能、绝缘性能和耐温性能四个方面进行分析，全方位了解全封闭隔离开关的工作性能。在本次试验研究过程中，也遇到了部分难以理解的问题，这些问题会对隔离开关的运行稳定产生一定影响，未来需要对真空断路器领域知识深入研究，开展进一步试验。