淺析環(huán)境友好型中壓開關(guān)設(shè)備技術(shù)優(yōu)劣

徐石　陶剛　葉燕

摘 ?要：隨著智能電網(wǎng)的普及，配電網(wǎng)建設(shè)成為研究的熱點這對于配電網(wǎng)中壓開關(guān)設(shè)備的要求越來越高。該文以我國配電開關(guān)關(guān)注熱點和發(fā)展趨勢為背景，介紹了環(huán)境友好型中壓開關(guān)設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，綜述了氣體絕緣柜、固體絕緣開關(guān)設(shè)備等環(huán)境友好型中壓設(shè)備的發(fā)展現(xiàn)狀，性能優(yōu)劣，希望為配電開關(guān)行業(yè)的發(fā)展提供建設(shè)性建議。

關(guān)鍵詞：配電開關(guān);中壓開關(guān)設(shè)備;環(huán)境友好型

中圖分類號：F323.3 ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

近年來，隨著智能電網(wǎng)的普及，配電網(wǎng)建設(shè)成為研究的熱點，這對于配電網(wǎng)中壓開關(guān)設(shè)備的要求越來越高。目前，開關(guān)電器設(shè)備要向著高可靠性、低污染性、易維護性、高智能型的方向發(fā)展。其中低污染性的和高智能性是我國配電開關(guān)的發(fā)展重點。筆者就中壓開關(guān)設(shè)備的發(fā)展趨勢，總結(jié)了智能化中壓開關(guān)設(shè)備、環(huán)境友好型設(shè)備的技術(shù)特點，性能優(yōu)勢，并展望了未來的發(fā)展方向。

1 環(huán)境友好型中壓開關(guān)設(shè)備概述

有研究表明，以分SF6分子的溫室效應(yīng)影響是一個二氧化碳分子溫室效應(yīng)影響的240 000倍，且SF6分子很難被分解，在自然環(huán)境下要約3200年才能自然分解。在全球范圍內(nèi)，SF6氣體生產(chǎn)約50%用于電力行業(yè)，這其中開關(guān)設(shè)備的使用占據(jù)了約80%。我國的SF6氣體污染情況更加嚴重，在電力行業(yè)安裝人員檢修SF6充氣設(shè)備時，由于檢修人員環(huán)保意識薄弱，常常出現(xiàn)SF6沒有全部回收的情況。因此，雖然SF6的中壓設(shè)備性能良好，但是由于其對環(huán)境不友好，發(fā)展不用SF6氣體的中壓開關(guān)設(shè)備技術(shù)成為研究的熱點，例如固體絕緣開關(guān)設(shè)備、干燥空氣或者氮氣絕緣設(shè)備以及SF6和氮氣混合氣體絕緣開關(guān)設(shè)備[1]。

2 環(huán)境友好型中壓開關(guān)設(shè)備現(xiàn)狀

目前在中壓開關(guān)設(shè)備制造領(lǐng)域，避免SF6氣體應(yīng)用的技術(shù)路線有2種，一種是固體絕緣開關(guān)設(shè)備（SIS），即使用固體絕緣介質(zhì)替代SF氣體;另一種稱之為環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS或者C-GIS），這種技術(shù)采用沒有溫室效應(yīng)的氣體替代SF6氣體，例如清潔干燥的空氣、氮氣等。2種技術(shù)都有其特有的優(yōu)勢，例如SIS設(shè)備結(jié)構(gòu)更加緊湊，在低額定電流配電網(wǎng)應(yīng)用較多;而GIS在額定電流等級較高的配電網(wǎng)應(yīng)用較多。GIS目前已經(jīng)成為日本中壓開關(guān)配電市場的主流產(chǎn)品。我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，21世紀初才開始投入研發(fā)，到目前為止已經(jīng)實現(xiàn)了GIS設(shè)備的小批量生產(chǎn)以及小范圍試運行，目前正在從小批量生產(chǎn)走向大批量供應(yīng)的道路。

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

筆者以我國某電器公司自主研發(fā)的環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備為例，闡述其系統(tǒng)構(gòu)型。在環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)中，技術(shù)關(guān)鍵是能否實現(xiàn)在無SF6氣體情況下的真空開斷，該公司經(jīng)過不懈的科研努力，目前已將真空開斷技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)的設(shè)備之中。而目前國內(nèi)中壓開關(guān)設(shè)備領(lǐng)域也已經(jīng)近9成實現(xiàn)了真空開斷技術(shù)的應(yīng)用。該設(shè)備斷路器極柱采用了谷豐設(shè)計，降低內(nèi)部氣體氬氣要求，以提高外絕緣強度。該設(shè)備尺寸與目前市場上的SF6C-GIS設(shè)備基本相同，且具備獨立的自主知識產(chǎn)權(quán)，為我國首臺未利用SF6氣體工藝的C-GIS環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備。

2.2 中壓智能開關(guān)設(shè)備優(yōu)點

智能化中壓開關(guān)設(shè)備集開斷功能與控制功能于一體，不僅具備基本的開關(guān)控制功能，還可以在運行過程中對運行數(shù)據(jù)進行檢測以及智能故障診斷。它配備變送器、執(zhí)行器和電子分析設(shè)備等。其優(yōu)點包括操作自動化、自我診斷與在線檢測、配電系統(tǒng)自動化、智能化保護測控等。

2.2.1 操作自動化

操作自動化是智能化中壓設(shè)備的初級功能，它實現(xiàn)了中壓設(shè)備操作流程的程序化和自動化，使設(shè)備按照事先設(shè)計好的程序自行運轉(zhuǎn)，減少人工管理成本。

2.2.2 自我診斷與在線檢測

智能化的中壓開關(guān)設(shè)備可利用設(shè)備裝配的數(shù)據(jù)搜集傳感器采集運行過程中的各種參數(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的及時監(jiān)控，同時可將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)分析設(shè)備集中分析，從而實現(xiàn)對設(shè)備自身運行狀態(tài)的及時檢測，并根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，及時及時發(fā)出故障報警，還能智能定位故障發(fā)生區(qū)域。

2.2.3 配電系統(tǒng)自動化

配電系統(tǒng)自動化使較高級的智能化階段，具備該功能的中壓開關(guān)能實現(xiàn)配電網(wǎng)的自動化配電，即以每個智能化開關(guān)柜為基本元素，把每個開閉所和配電室作為智能網(wǎng)絡(luò)，從而實現(xiàn)日常管理的智能化[2]。

2.2.4 智能化保護測控

智能控制設(shè)備要求能夠適應(yīng)開關(guān)的智能保護測控。其具有的功能包括保護功能;監(jiān)視功能;控制功能、測量功能和通信功能。1）保護功能。其包括短路保護、低電壓保護、過電壓保護、接地故障保護以及斷路器失靈保護等。2）監(jiān)視功能。其能夠?qū)崿F(xiàn)終端設(shè)備的自我檢測、電閘過后回路電流的監(jiān)視以及斷路器運行狀態(tài)的實時監(jiān)控等。3）控制功能?？梢酝ㄟ^遠程計算機或者遙感設(shè)備對設(shè)備進行遠程或就地信號控制，可以保護合閘和跳閘。4）測量功能。測量功能能測量相電流、相電壓相對地電壓的數(shù)值。5）通信功能。該功能能夠與遠程計算機或者變電站進行遠程通信。

3 環(huán)境友好型中壓開關(guān)設(shè)備的發(fā)展

如前文所述，環(huán)境友好型中壓開關(guān)設(shè)備包括兩條技術(shù)路線：環(huán)保型氣體絕緣技術(shù)和固體絕緣技術(shù)，本節(jié)就該兩條技術(shù)路線應(yīng)用下的環(huán)保型中壓設(shè)備產(chǎn)品進行簡要討論。

3.1 氣體絕緣柜

氣體絕緣柜也叫做GIS，或者C-GIS。設(shè)備通常是把各種高壓原件密封在容器內(nèi)，并在容器中充入少量的絕緣氣體。目前，應(yīng)用絕緣氣體有混合氣體、改造空氣、氮氣、二氧化碳等，而先前提到的具備強烈溫室效應(yīng)的SF6氣體已基本不采用了。就國內(nèi)來說，環(huán)保氣體絕緣柜一般有3種類型。1）采用干燥空氣的設(shè)備，使用電壓一般在12 kV～40.5 kV。2）采用氮氣和二氧化碳的設(shè)備，12 kV的設(shè)備使用較多。3）采用SF6設(shè)備，國內(nèi)基本已經(jīng)很少采用，但是SF6和氮氣的混合設(shè)備在40.5 kV的設(shè)備中使用較廣泛。

環(huán)保氣體絕緣柜優(yōu)勢明顯，除了低污染以外還包括4點。1）體積小，采用環(huán)保氣體的設(shè)備柜體尺寸小，節(jié)約成本，不占地。2）易于維護，外界環(huán)境很難影響到柜體內(nèi)的高壓環(huán)境，高壓元器件在高壓環(huán)境下不易老化，即使需要維護，維修人員在維護過程中也不需對氣體進行回收，維護操作簡單方便。3）高模塊化，設(shè)備之間可靈活組合，拼接方便。4）可靠性強，高壓元器件均密封在充滿氣體的金屬容器箱內(nèi)，容器箱接地，確保在運行維護過程中工作人員的安全[3]。

3.2 固體絕緣開關(guān)設(shè)備

我國最早引入國內(nèi)的固體絕緣開關(guān)設(shè)備為荷蘭的霍力克公司生產(chǎn)的真空型環(huán)網(wǎng)柜，該設(shè)備尺寸較小，北京于2007年首次應(yīng)用該設(shè)備。

該設(shè)備的開關(guān)和滅弧室絕緣材料采用真空介質(zhì)，固體材料應(yīng)用在外絕緣處，運用固封極柱技術(shù)密封絕緣筒，以上技術(shù)使得真空滅弧室、主導點回路和絕緣支撐等形成一個整體，實現(xiàn)整個設(shè)備的全密封、全絕緣結(jié)構(gòu)。且設(shè)備無需維護，體積小，各單元可拆卸更換，方便組合。環(huán)氧樹脂材料制作的絕緣筒以及硅橡膠制作的母線密封性良好，具有很強的耐極端環(huán)境性能，從根本上解決了SF6氣體高溫膨脹的問題。

3.3 性能比較

2種技術(shù)路線的中壓開關(guān)設(shè)備性能各有側(cè)重，適用范圍各有不同。就體積來說，兩者產(chǎn)品體積都小，不占用地，且維護量小，維護安全。而固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜無溫室氣體排放，而環(huán)保絕緣開關(guān)柜有少部分溫室氣體排放，原因是SF6混合氣體柜含少量SF6氣體。兩者對使用環(huán)境要求低，其中固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜無使用環(huán)境要求，而環(huán)保氣體絕緣開關(guān)柜因含少量SF6氣體，因此對使用環(huán)境有少許要求。就使用安全性而言，固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜局部放電不穩(wěn)定，絕緣材料一旦損壞難以恢復，而環(huán)保氣體絕緣開關(guān)柜則不存在以上問題。固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜在使用過程中材料損耗較多，環(huán)保氣體絕緣開關(guān)柜則較少，且前者大額定電流較小，后者較大，在使用過后，前者難以回收再利用，后者可回收再利用。性能比較見表1。

4 結(jié)論與展望

環(huán)境友好型中壓開關(guān)設(shè)備市場效益好，環(huán)境代價小，其越來越受到人們的關(guān)注，在未來，中壓開關(guān)設(shè)備必然也要繼續(xù)向著智能化、低污染化的方向發(fā)展，企業(yè)應(yīng)該加大投入，智能化、低污染化的中壓設(shè)備必然能贏得市場的青睞。

參考文獻

[1]孫竹森，蘭劍.環(huán)保型金屬封閉開關(guān)設(shè)備的技術(shù)特點與發(fā)展趨勢[J].中國電業(yè)（技術(shù)版）， 2014（6）：53-56.

[2]張交鎖.中壓環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的實現(xiàn)及關(guān)鍵技術(shù)[J].中國電業(yè)（技術(shù)版），2014（6）：35-38.

[3]蘭劍，王承玉，李慶余.中國配電開關(guān)應(yīng)關(guān)注的發(fā)展熱點[J].高壓電器，2015（10）：223-226.