環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜絕緣氣體環(huán)?；难芯?/h1>
2017-06-27 08:12:19汪開龍陳建新傅智君洪亮汪興旺劉憲明楊健標(biāo)
中國設(shè)備工程 2017年12期
汪開龍，陳建新，傅智君，洪亮，汪興旺，劉憲明，楊健標(biāo)
（1.浙江冠源電氣有限公司，浙江 建德 311600；2.國家電網(wǎng)浙江建德市供電公司，浙江 建德 311600 ；3.浙江開盛電氣有限公司，浙江 杭州 310000 ）
環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜絕緣氣體環(huán)?；难芯?/p>
汪開龍1，陳建新1，傅智君1，洪亮2，汪興旺3，劉憲明3，楊健標(biāo)3
（1.浙江冠源電氣有限公司，浙江 建德 311600；2.國家電網(wǎng)浙江建德市供電公司，浙江 建德 311600 ；3.浙江開盛電氣有限公司，浙江 杭州 310000 ）
六氟化硫氣體（SF6）一直用作中高壓開關(guān)和環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜的滅弧和絕緣介質(zhì)。但由于六氟化硫氣體被定為受限制的溫室氣體，因而在高壓開關(guān)行業(yè)，應(yīng)盡量減少六氟化硫氣體的用量和排放量。開發(fā)一種環(huán)保型的氣體，用以替代六氟化硫，是十分必要的。本文針對環(huán)網(wǎng)柜中絕緣氣體環(huán)?；M行了探討，對存在的問題進行認(rèn)定和分析，最終針對相應(yīng)的問題提出有效的解決方案和解決措施。
六氟化硫；氮氣；絕緣氣體；環(huán)保；環(huán)網(wǎng)柜
中高壓環(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)備的需求和發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在高可靠性、小型化、免維護、智能化等方面。然而對于常規(guī)的空氣絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備而言，高可靠性和小型化是相對矛盾的。
為合理解決這一矛盾，需要考慮將裸露的空氣絕緣改為封閉空間的內(nèi)絕緣，這是一種很好的思路,既能兼顧高可靠性，又可以實現(xiàn)小型化。基于這一理念,很多企業(yè)推出了以六氟化硫氣體（SF6）作為封閉氣箱絕緣介質(zhì)的六氟化硫氣體絕緣開關(guān)設(shè)備。該設(shè)備一經(jīng)推廣，立即受到了廣泛應(yīng)用和認(rèn)可。但由于六氟化硫氣體被定為受限制的溫室氣體，因而在高壓開關(guān)行業(yè)應(yīng)盡量減少六氟化硫氣體的用量和排放量。此，開發(fā)一種環(huán)保型的氣體，用以替代六氟化硫是十分必要的。
1 氣體環(huán)?；难芯?/h2>
1.1 各類氣體的比較
在可選擇的環(huán)保型氣體中,主要是氮氣（N2）和空氣?？諝獾某煞职獨?、氧氣和水分，其中氧氣、水分對電氣設(shè)備的電接觸絕緣具有氧化和腐蝕作用，對電弧具有無法隔離和熄滅的隱患，如果將空氣中的氧氣、水蒸氣等成分去除，剩下的就是氮氣，因此選擇氮氣作為環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜的環(huán)保型絕緣氣體是一個不錯的選擇，表1是幾種氣體的物理特性比較。
由表1可以看出，氮氣在熱傳導(dǎo)、絕緣性方面比六氟化硫略差，因此使用氮氣作為絕緣氣體時，應(yīng)綜合考慮環(huán)網(wǎng)柜結(jié)構(gòu)的合理布局和優(yōu)化設(shè)計。
1.2 氮氣的擊穿強度研究
在一些不是很均勻的電場中，六氟化硫的耐電強度相對要高很多，比干燥的空氣和氮氣的耐電強度要高出1.5～2倍。因為這一特性，六氟化硫氣體的擊穿電場得到很好的模擬，并廣泛應(yīng)用于很多低壓力和高壓力氣體的設(shè)計中。
氮氣和空氣的耐電強度相比基本一樣。在進行擊穿試驗時，一般采用的都是棒—棒或者是棒—板電極，在特定的大氣壓強度下進行。氮氣的強度相對于空氣有以下偏差：進行試驗的電極棒的直徑相差10～60mm，兩電極間的凈距偏差為10～100mm。根據(jù)實驗的結(jié)果，氮氣和空氣的相對強度偏差在0.85～1.25左右。所以在進行氮氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜的設(shè)計時，所達(dá)到的擊穿電場強度就可以按照空氣擊穿電場強度，根據(jù)經(jīng)驗式進行大致的計算，并把0.85作為絕緣裕度系數(shù)。這樣可以估算出空氣在絕緣的條件下，常見的開關(guān)柜中所遇到的圓柱間以及圓柱對板的擊穿電場強度，這就是經(jīng)驗式：
表1
式中：Eb表示擊穿電場強度，國際單位是kV／m；r表示電極的半徑，國際單位是m；δ表示一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的相對氣體的密度。
將相關(guān)參數(shù)帶入計算公式：
由于氮氣和空氣之間具有相對電氣強度，取最小偏差0.85作為絕緣裕度系數(shù)，通過計算公式可得，擊穿電場強度為：0.85×3840kV/m=3264kV/m，這個結(jié)果滿足氮氣的絕緣條件。
1.3 氮氣的耐電強度研究
在均勻或稍不均勻的場中,氮氣的擊穿強度與電氣間隙距離有關(guān)，電氣間隙距離越大，耐電強度越好,經(jīng)過試驗分析,如圖1所示。
圖1
1.4 氣壓對氮氣電性能的影響
在一些特定的沖擊電壓的作用下，比如工頻、直流以及雷電。在均勻的或者是不太均勻的電場中，在一定的范圍內(nèi)，氮氣的耐電強度和氣壓基本上呈線性關(guān)系。這個規(guī)律在不均勻的電場中卻不適用，氮氣在極不均勻場中，在直流或者是工頻電壓的作用下會出現(xiàn)駝峰現(xiàn)象；但是在沖擊或者是快速而短暫的電壓作用下，氮氣的擊穿電壓與氣壓也呈基本的線性關(guān)系。在設(shè)計環(huán)網(wǎng)柜時，一般采用的都是均勻場，或者是稍不均勻的電場，所以我們可以認(rèn)為氮氣和氣壓基本上呈現(xiàn)線性關(guān)系。再依據(jù)前面所提到的計算式，我們就可以大致估算，在環(huán)網(wǎng)柜結(jié)構(gòu)合理的情況下，用氮氣取代純六氟化硫需要的氣壓值。試驗分析表明，在真空的內(nèi)部滅弧結(jié)構(gòu)中，可以很好地減少對氮氣的氣壓值限制，只要采用微正壓就可以實現(xiàn)結(jié)果。
2 結(jié)語
通過特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及合理的充注氮氣，在12～24 kV的電壓等級下，我們通常采用低壓力下的氮氣絕緣作為主要部分，局部采用的是復(fù)合絕緣，這樣就可以實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜絕緣氣體的環(huán)?；?，即采用環(huán)保綠色無污染的氮氣替代難分解溫室效應(yīng)顯著的六氟化硫氣體。
（1）把氮氣當(dāng)做絕緣的介質(zhì)，絕緣的設(shè)計是環(huán)網(wǎng)柜研制的重點環(huán)節(jié)。我們需要優(yōu)化電極形態(tài)，合理布局來實現(xiàn)這一要求?？紤]到不同部位絕緣可能失效的方式不同，因此絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計需要因結(jié)構(gòu)而異。
（2）采用復(fù)合絕緣是降低氮氣介質(zhì)內(nèi)電場強度的有效方法，但是要想有效降低把氮氣作為介質(zhì)的電場強度，需要有一定厚度以及強度的復(fù)合絕緣層。
（3）在絕緣的純氮氣中，我們需要特別注意如何選擇母線的直徑。相對較大的直徑，可以使得絕緣幾何特性的系數(shù)之間的間距得到降低，這樣可以得到相對比較低電場的不均勻系數(shù)。所以氮氣絕緣柜需要保證電場的不均勻系數(shù)為2～3，這樣獲得的絕緣距離較小，柜體尺寸得到較低。
（4） 采用真空和屏蔽環(huán)的方式是降低氮氣介質(zhì)內(nèi)電場強度，實現(xiàn)斷口絕緣水平的有效途徑。由于斷路器特有的結(jié)構(gòu)特點，所以當(dāng)開關(guān)在分閘的位置，氣室中的高壓導(dǎo)體可以中斷隔離的斷口，這就導(dǎo)致了斷口處的電場比較集中，絕緣也就很薄弱。在12kV的電壓等級之下，氮氣在絕緣中，如果采用的是傳統(tǒng)的六氟化硫氣體，絕緣環(huán)網(wǎng)柜的斷口處的閘刀形式，就會需要比六氟化硫大很多的氣體絕緣的空間尺寸，這樣就不能實現(xiàn)使得六氟化硫氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜具有相似的尺寸。
[1]嚴(yán)璋，朱德恒.高電壓絕緣技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2007:148.172.
[2]鄧云坤，肖登明，陳炯. CF3l-N2混合氣體作為六氟化硫替代氣體用于GlS／C—GIS的絕緣性能分析[J]. 高電壓技術(shù)，2013,39(9):2288-2293.
[3]邱毓昌. GIs裝置及其絕緣技術(shù)[M]. 北京：水利電力出版社，1998:10-16.
[4]D.P. Bernardon，G. Iop, M.D. Gundel，J. Fernandes，A realtime operation analysis system for distribution networks，Electric Power Systems Research, In Press, Corrected Proof, Available online，2015-4-10.
TM591
A
1671-0711（2017）06（下）-0163-02
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（1.浙江冠源電氣有限公司，浙江 建德 311600；2.國家電網(wǎng)浙江建德市供電公司，浙江 建德 311600 ；3.浙江開盛電氣有限公司，浙江 杭州 310000 ）
六氟化硫氣體（SF6）一直用作中高壓開關(guān)和環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜的滅弧和絕緣介質(zhì)。但由于六氟化硫氣體被定為受限制的溫室氣體，因而在高壓開關(guān)行業(yè)，應(yīng)盡量減少六氟化硫氣體的用量和排放量。開發(fā)一種環(huán)保型的氣體，用以替代六氟化硫，是十分必要的。本文針對環(huán)網(wǎng)柜中絕緣氣體環(huán)?；M行了探討，對存在的問題進行認(rèn)定和分析，最終針對相應(yīng)的問題提出有效的解決方案和解決措施。
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為合理解決這一矛盾，需要考慮將裸露的空氣絕緣改為封閉空間的內(nèi)絕緣，這是一種很好的思路,既能兼顧高可靠性，又可以實現(xiàn)小型化。基于這一理念,很多企業(yè)推出了以六氟化硫氣體（SF6）作為封閉氣箱絕緣介質(zhì)的六氟化硫氣體絕緣開關(guān)設(shè)備。該設(shè)備一經(jīng)推廣，立即受到了廣泛應(yīng)用和認(rèn)可。但由于六氟化硫氣體被定為受限制的溫室氣體，因而在高壓開關(guān)行業(yè)應(yīng)盡量減少六氟化硫氣體的用量和排放量。此，開發(fā)一種環(huán)保型的氣體，用以替代六氟化硫是十分必要的。
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氮氣和空氣的耐電強度相比基本一樣。在進行擊穿試驗時，一般采用的都是棒—棒或者是棒—板電極，在特定的大氣壓強度下進行。氮氣的強度相對于空氣有以下偏差：進行試驗的電極棒的直徑相差10～60mm，兩電極間的凈距偏差為10～100mm。根據(jù)實驗的結(jié)果，氮氣和空氣的相對強度偏差在0.85～1.25左右。所以在進行氮氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜的設(shè)計時，所達(dá)到的擊穿電場強度就可以按照空氣擊穿電場強度，根據(jù)經(jīng)驗式進行大致的計算，并把0.85作為絕緣裕度系數(shù)。這樣可以估算出空氣在絕緣的條件下，常見的開關(guān)柜中所遇到的圓柱間以及圓柱對板的擊穿電場強度，這就是經(jīng)驗式：
表1
式中：Eb表示擊穿電場強度，國際單位是kV／m；r表示電極的半徑，國際單位是m；δ表示一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的相對氣體的密度。
將相關(guān)參數(shù)帶入計算公式：
由于氮氣和空氣之間具有相對電氣強度，取最小偏差0.85作為絕緣裕度系數(shù)，通過計算公式可得，擊穿電場強度為：0.85×3840kV/m=3264kV/m，這個結(jié)果滿足氮氣的絕緣條件。
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在均勻或稍不均勻的場中,氮氣的擊穿強度與電氣間隙距離有關(guān)，電氣間隙距離越大，耐電強度越好,經(jīng)過試驗分析,如圖1所示。
圖1
1.4 氣壓對氮氣電性能的影響
在一些特定的沖擊電壓的作用下，比如工頻、直流以及雷電。在均勻的或者是不太均勻的電場中，在一定的范圍內(nèi)，氮氣的耐電強度和氣壓基本上呈線性關(guān)系。這個規(guī)律在不均勻的電場中卻不適用，氮氣在極不均勻場中，在直流或者是工頻電壓的作用下會出現(xiàn)駝峰現(xiàn)象；但是在沖擊或者是快速而短暫的電壓作用下，氮氣的擊穿電壓與氣壓也呈基本的線性關(guān)系。在設(shè)計環(huán)網(wǎng)柜時，一般采用的都是均勻場，或者是稍不均勻的電場，所以我們可以認(rèn)為氮氣和氣壓基本上呈現(xiàn)線性關(guān)系。再依據(jù)前面所提到的計算式，我們就可以大致估算，在環(huán)網(wǎng)柜結(jié)構(gòu)合理的情況下，用氮氣取代純六氟化硫需要的氣壓值。試驗分析表明，在真空的內(nèi)部滅弧結(jié)構(gòu)中，可以很好地減少對氮氣的氣壓值限制，只要采用微正壓就可以實現(xiàn)結(jié)果。
2 結(jié)語
通過特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及合理的充注氮氣，在12～24 kV的電壓等級下，我們通常采用低壓力下的氮氣絕緣作為主要部分，局部采用的是復(fù)合絕緣，這樣就可以實現(xiàn)環(huán)網(wǎng)柜絕緣氣體的環(huán)?；?，即采用環(huán)保綠色無污染的氮氣替代難分解溫室效應(yīng)顯著的六氟化硫氣體。
（1）把氮氣當(dāng)做絕緣的介質(zhì)，絕緣的設(shè)計是環(huán)網(wǎng)柜研制的重點環(huán)節(jié)。我們需要優(yōu)化電極形態(tài)，合理布局來實現(xiàn)這一要求?？紤]到不同部位絕緣可能失效的方式不同，因此絕緣結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計需要因結(jié)構(gòu)而異。
（2）采用復(fù)合絕緣是降低氮氣介質(zhì)內(nèi)電場強度的有效方法，但是要想有效降低把氮氣作為介質(zhì)的電場強度，需要有一定厚度以及強度的復(fù)合絕緣層。
（3）在絕緣的純氮氣中，我們需要特別注意如何選擇母線的直徑。相對較大的直徑，可以使得絕緣幾何特性的系數(shù)之間的間距得到降低，這樣可以得到相對比較低電場的不均勻系數(shù)。所以氮氣絕緣柜需要保證電場的不均勻系數(shù)為2～3，這樣獲得的絕緣距離較小，柜體尺寸得到較低。
（4） 采用真空和屏蔽環(huán)的方式是降低氮氣介質(zhì)內(nèi)電場強度，實現(xiàn)斷口絕緣水平的有效途徑。由于斷路器特有的結(jié)構(gòu)特點，所以當(dāng)開關(guān)在分閘的位置，氣室中的高壓導(dǎo)體可以中斷隔離的斷口，這就導(dǎo)致了斷口處的電場比較集中，絕緣也就很薄弱。在12kV的電壓等級之下，氮氣在絕緣中，如果采用的是傳統(tǒng)的六氟化硫氣體，絕緣環(huán)網(wǎng)柜的斷口處的閘刀形式，就會需要比六氟化硫大很多的氣體絕緣的空間尺寸，這樣就不能實現(xiàn)使得六氟化硫氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜具有相似的尺寸。
[1]嚴(yán)璋，朱德恒.高電壓絕緣技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2007:148.172.
[2]鄧云坤，肖登明，陳炯. CF3l-N2混合氣體作為六氟化硫替代氣體用于GlS／C—GIS的絕緣性能分析[J]. 高電壓技術(shù)，2013,39(9):2288-2293.
[3]邱毓昌. GIs裝置及其絕緣技術(shù)[M]. 北京：水利電力出版社，1998:10-16.
[4]D.P. Bernardon，G. Iop, M.D. Gundel，J. Fernandes，A realtime operation analysis system for distribution networks，Electric Power Systems Research, In Press, Corrected Proof, Available online，2015-4-10.
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