嚴(yán)寒地區(qū)防止全封閉組合電器SF6氣體液化的方案探討

李 強(qiáng)

(上海西電高壓開關(guān)有限公司,上海201700)

嚴(yán)寒地區(qū)防止全封閉組合電器SF6氣體液化的方案探討

李 強(qiáng)

(上海西電高壓開關(guān)有限公司,上海201700)

闡述了252k V GIS在戶外嚴(yán)寒地區(qū)運(yùn)行時(shí),為防止SF6氣體液化所采取的措施。設(shè)計(jì)了三種不同結(jié)構(gòu)的加熱器,并分別計(jì)算了加熱器的功率,用試驗(yàn)驗(yàn)證了加熱器的效果,解決了252k V GIS在高寒地區(qū)SF6氣體液化的問(wèn)題。

嚴(yán)寒;SF6氣體液化;加熱器

1 引言

根據(jù)SF6氣體的物理特性,當(dāng)溫度過(guò)低時(shí),SF6氣體將會(huì)出現(xiàn)液化現(xiàn)象。隨著SF6氣體的液化,SF6壓力將降低,這將極大地影響SF6氣體的絕緣性能。在冬季北方地區(qū),特別是東北、新疆、內(nèi)蒙古等地,因SF6氣體液化而導(dǎo)致SF6斷路器閉鎖的事故時(shí)有發(fā)生。為了解決戶外嚴(yán)寒條件下SF6氣體液化問(wèn)題,需要對(duì)SF6斷路器進(jìn)行特殊處理,以保證斷路器的可靠性。

2 氣體性質(zhì)及ZF1-252 GIS參數(shù)

SF6氣體是一種惰性氣體,純凈的SF6氣體無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒,不會(huì)燃燒。在常溫下,當(dāng)有足夠的壓力時(shí)SF6氣體就會(huì)液化。在不同溫度下,SF6氣體液化的壓力值詳見表1。

表1 SF6氣體的飽和蒸汽壓(絕對(duì)氣壓值)

ZF1-252型SF6全封閉組合電器(GIS)廣泛應(yīng)用于220k V電力系統(tǒng)中,它由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、電壓互感器、避雷器、母線等元件組成。該型GIS斷路器氣室額定壓力/報(bào)警壓力/閉鎖壓力(相對(duì)壓力)分別為:0.6MPa/0.55MPa/0.5MPa;其他氣室額定壓力/最低運(yùn)行壓力(相對(duì)壓力)分別為: 0.4MPa/0.35MPa。由SF6氣體狀態(tài)參數(shù)曲線可查出,斷路器氣室在額定壓力(相對(duì)壓力)0.60MPa時(shí),其液化溫度為-27℃,在閉鎖壓力(相對(duì)壓力)0.50MPa且溫度為-30℃時(shí),SF6氣體會(huì)發(fā)生液化。其他氣室,在額定壓力為0.4MPa(相對(duì)壓力)時(shí),其液化溫度為-37℃,在最低運(yùn)行壓力0.35Mpa (相對(duì)壓力)且溫度為-39℃時(shí),SF6氣體會(huì)發(fā)生液化。因此當(dāng)ZF1-252型GIS運(yùn)行于戶外嚴(yán)寒地區(qū)時(shí),需對(duì)其采取措施,以保證設(shè)備的正常運(yùn)行。本文著重討論防止SF6斷路器氣室的液化問(wèn)題。

3 防止斷路器氣體液化的方案

針對(duì)SF6氣體液化問(wèn)題,目前有廠家(如ABB、西門子等)在SF6氣體中混入一定比例的N2,以提高氣體的液化點(diǎn)。但如果SF6和N2混合氣體混合比例不當(dāng),則會(huì)導(dǎo)致SF6斷路器的絕緣開斷能力和熱開斷能力下降。由于SF6和N2混合的比例極難掌握,要求生產(chǎn)工藝控制水平較高,不便于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際操作,因此ZF1-252產(chǎn)品未采用此種方式防止SF6氣體液化。

目前有部分廠家(如平高、新東北電氣等)采用加外置式“伴熱帶”的形式防止SF6氣體液化。此種方式即在SF6斷路器外殼安裝一個(gè)加熱裝置,該裝置由溫控器、電熱器等元件組成。當(dāng)SF6斷路器運(yùn)行環(huán)境溫度低于一定溫度時(shí),裝置自動(dòng)投入,開始對(duì)其斷路器外殼加熱,熱量由斷路器外殼傳導(dǎo)至SF6氣體中,從而提高SF6氣體溫度,防止了SF6氣體液化。ZF1-252型產(chǎn)品亦采用類似的方式來(lái)防止斷路器內(nèi)SF6液化。

在對(duì)斷路器加熱器裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中,分別設(shè)計(jì)了三種不同結(jié)構(gòu)形式的加熱器。三種形式的加熱器各有其本身特點(diǎn),現(xiàn)分別闡述其結(jié)構(gòu)。

第一種結(jié)構(gòu)采用開關(guān)中常見的“伴熱帶”結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)由硅膠加熱器(硅膠加熱器是由經(jīng)過(guò)排列后的鎳鉻合金電阻絲及上下兩片玻璃纖維中央夾入硅膠后壓制而成,是一種超薄面狀加熱器,它具有發(fā)熱快,熱效率高,使用壽命長(zhǎng)的特點(diǎn),且絕緣性能更加可靠)、隔熱板、保溫板、防護(hù)罩、鋼帶及防雨罩組成。每個(gè)加熱器裝置包括兩個(gè)加熱板,該加熱板通過(guò)電纜與裝在控制柜內(nèi)的溫控器連接,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到-25℃時(shí),溫控器動(dòng)作,加熱器回路接通,加熱器開始對(duì)殼體加熱,使殼體內(nèi)SF6溫度高于液化溫度,當(dāng)環(huán)境溫度升到-20℃時(shí)溫控器動(dòng)作,加熱器回路切斷。為了能夠顯示加熱器是否投入工作,還需在加熱器回路串入一指示燈。當(dāng)指示燈亮?xí)r,表明加熱器在加熱狀態(tài)。圖1為伴熱帶結(jié)構(gòu)示意圖。

第二種結(jié)構(gòu)為“板式加熱器”結(jié)構(gòu)。它以圓柱形電加熱棒為熱源,將圓柱形電加熱棒安裝在打有孔洞的鋁合金散熱塊中,并將鋁合金散熱塊安裝在斷路器拐臂盒上,結(jié)構(gòu)如圖2所示。加熱器安裝在此位置有如下好處:一是拐臂盒在SF6斷路器的最下部,在底部加熱有利于殼體內(nèi)部SF6氣體熱量向上擴(kuò)散;二是拐臂盒安裝在封閉的機(jī)構(gòu)箱彎板內(nèi),加熱器向外散發(fā)的熱量會(huì)大大減少。

圖1 伴熱帶結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 板式加熱器

第三種結(jié)構(gòu)為“內(nèi)置式加熱器”結(jié)構(gòu)。它同樣以硅膠加熱器為熱源,將硅膠加熱器粘在斷路器手孔蓋板外側(cè),并將鋁合金散熱片安裝在斷路器手孔蓋板內(nèi)側(cè)(為了加強(qiáng)散熱片的散熱效果,將散熱片噴涂黑色油漆),結(jié)構(gòu)如圖3所示。在斷路器手孔蓋板加熱器外側(cè)再安裝一個(gè)帶有引出線孔的凸蓋板,用來(lái)引出加熱器電源線。電源線與控制柜內(nèi)溫控器相連接,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方控制。這種內(nèi)置式加熱器,不破壞SF6氣體的密封,很好解決了內(nèi)置加熱器電源線引出難的問(wèn)題。當(dāng)加熱器出現(xiàn)故障時(shí),可以將外側(cè)蓋板拆下,對(duì)加熱器進(jìn)行檢修或更換。

圖3 內(nèi)置式加熱器

4 加熱器功率的計(jì)算

在確定了加熱器的結(jié)構(gòu)形式后,現(xiàn)分別對(duì)三種不同類型的電加熱器的功率進(jìn)行計(jì)算。在對(duì)加熱器功率進(jìn)行計(jì)算時(shí),可參照產(chǎn)品型式試驗(yàn)時(shí)在額定電流下的溫升來(lái)計(jì)算加熱器的功率。不同種類加熱器的功率可按公式P=(I2nR△T1)/(KsKr△T2)計(jì)算,其中:In為斷路器額定電流;R為斷路器的回路電阻;△T1為氣體補(bǔ)充溫升;Ks為斷路器加熱面積與散熱面積比;Kr為加熱裝置傳熱系數(shù),Kr取0.8;△T2斷路器溫升試驗(yàn)時(shí)SF6氣體的溫升。

SF6氣體在額定壓力0.60MPa時(shí)液化溫度為-27℃,假設(shè)在極端條件下溫度為-40℃,得出氣體補(bǔ)充溫升△T1為-13℃。斷路器額定電流In、斷路器的回路電阻R及斷路器溫升試驗(yàn)時(shí)SF6氣體的溫升可從型式試驗(yàn)報(bào)告中查得,因此計(jì)算加熱器的功率只需計(jì)算斷路器加熱面積與散熱面積比即可得出加熱器的功率。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述三種加熱器結(jié)構(gòu)加熱的效果,需通過(guò)加熱試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。試驗(yàn)方案如圖4所示,將三種不同結(jié)構(gòu)形式的加熱器分別安裝在斷路器的A、B、C相,同時(shí)對(duì)加熱器進(jìn)行通電,測(cè)量斷路器氣室SF6氣體的溫升。A相選擇伴熱帶結(jié)構(gòu),B相選擇板式加熱器,C相選擇內(nèi)置式加熱器。三種加熱器分別同時(shí)對(duì)加熱器進(jìn)行加熱,每小時(shí)測(cè)量一次溫度,并記錄。待SF6氣體內(nèi)溫度趨于穩(wěn)定時(shí),停止對(duì)加熱器加熱。通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)加熱器通電后,A、B、C相斷路器罐體內(nèi)SF6氣體的溫度均有明顯上升,在通電8h～9h后,斷路器罐體內(nèi)SF6氣體趨于穩(wěn)定。通過(guò)試驗(yàn)記錄測(cè)得A、B、C相斷路器內(nèi)SF6氣體的溫升分別為18.7K、13.7K、17.5K,三相溫升均大于13K。從最終的溫升數(shù)據(jù)可以看出A相和C相溫升值較為接近,B相溫升值較小。但在加熱器功率的選擇上,A相、B相加熱器功率相當(dāng),C相加熱器功率較小(C相功率僅為A相功率的60%)。因此,從安全性角度考慮,內(nèi)置式加熱器的結(jié)構(gòu)更為可靠些。因該試驗(yàn)數(shù)據(jù)是在室溫23℃條件下測(cè)得,考慮到設(shè)備在冬季戶外嚴(yán)酷條件下運(yùn)行,因此在最終設(shè)計(jì)時(shí)將硅膠加熱器功率加大了20%左右,并在其內(nèi)部預(yù)留了一個(gè)與原功率相當(dāng)?shù)膫溆眉訜崞鳌Ｈ缰骷訜崞鞒霈F(xiàn)故障,可以將加熱器切換到備用加熱器繼續(xù)進(jìn)行加熱。

6 結(jié)論

為解決高壓SF6斷路器在嚴(yán)寒地區(qū)可靠運(yùn)行的問(wèn)題,可以采用混合氣體作為滅弧、絕緣介質(zhì),也可以采用加熱SF6氣體的方法,以解決SF6氣體低溫液化的難題。在選擇對(duì)氣體加熱時(shí),應(yīng)選擇合理的加熱器結(jié)構(gòu),以提高其加熱效率。在加熱器功率的選擇上,應(yīng)以計(jì)算和試驗(yàn)相結(jié)合的方式來(lái)選擇。

圖4 加熱器加熱驗(yàn)證試驗(yàn)示意圖

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Investigation on Preventing SF6Gas Liquefaction For Gas Insulated Metal-enclosed Switchgear in Alpine Regin

LI Qiang
(Shanghai XD High Voltage Switchgear Co.,LTD,Shanghai 201700,China)

This paper describes the measures which should be taken to prevent SF6gas liquefaction when the 252k V GIS runs in the alpine regin.It designs 3 heaters with different structures;respectively calculated their powers for different heaters;Used experiment to test the effect of heaters,and solved the problem of SF6gas liquefaction when 252k V GIS applied in the alpine regin. Key words:alpine regin;SF6gas liquefaction;heater

TM561

:B

1001-5108(2015)03-0087-04

李強(qiáng),工程師,主要從事高壓開關(guān)設(shè)計(jì)方面的工作。