王彬翰　郭云鵬　楊升

摘 要：SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備又被稱為SF6氣體封閉式組合電器，它被廣泛應(yīng)用于72.5 kV以上的電力系統(tǒng)中。從SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的基本內(nèi)容出發(fā)，分析了采用數(shù)值分析和仿真軟件實(shí)現(xiàn)小型化SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)的優(yōu)化措施，以期為相關(guān)研究提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備；設(shè)計(jì)；優(yōu)化措施；電氣配電裝置

中圖分類號(hào)：TM564 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.08.107

SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備是一種高可靠性、高經(jīng)濟(jì)性的設(shè)備，它被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中。在設(shè)計(jì)、研發(fā)小型化SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備時(shí)，采用數(shù)值分析和仿真軟件能極大地提高SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)質(zhì)量。這樣做是因?yàn)镾F6氣體在均勻的電場(chǎng)中有良好的絕緣性能，如果絕緣支撐件、電極等設(shè)置不合理，或者微小粒子會(huì)對(duì)電場(chǎng)造成影響時(shí)，SF6氣體的絕緣能力就會(huì)降低，從而引發(fā)設(shè)備絕緣故障。而應(yīng)用數(shù)值分析和仿真軟件能有效地解決這個(gè)問題，進(jìn)而提高小型化SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的可靠性。

1 概述

SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備大多采用的是圓筒式結(jié)構(gòu)，將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、絕緣子和互感器等裝置包裹住，以SF6氣體為絕緣介質(zhì)。SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備每一功能單元都是由多個(gè)隔室組成的，例如母線隔室、斷路器隔室，在分割隔室時(shí)，既要確保開關(guān)設(shè)備正常運(yùn)行，又要保證開關(guān)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，能夠限制電弧效應(yīng)。一般情況下，在分割隔室時(shí)，要采用絕緣隔板，同時(shí)，不同的隔室允許的氣體壓力也不相同。對(duì)于斷路器隔室的SF6氣體，需要考慮到滅弧效果，所以，其壓力也要比其他隔室的氣體壓力高。

與常規(guī)的電氣配電裝置相比，SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備具有以下特點(diǎn)：①體積小。由SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備組成的變電站，其占地面積很小，電壓等級(jí)越高效果越明顯。②運(yùn)行安全、可靠。SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的帶電部分會(huì)封閉在金屬筒外殼中，所以，不會(huì)發(fā)生短路事故和接地事故，并且其介質(zhì)為SF6氣體，不會(huì)引發(fā)火災(zāi)。由此可見，SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備運(yùn)行的安全性很高。③維護(hù)量小，使用周期長(zhǎng)。SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的使用壽命比較長(zhǎng)，并且其檢修周期為10～20年，能極大地減少維護(hù)量。

2 小型化開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)

2.1 斷路器

斷路器是SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的開斷故障電流原件，其設(shè)計(jì)效果對(duì)整個(gè)SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備有很大的影響。在斷路器中，SF6氣體既是絕緣介質(zhì)又是滅弧介質(zhì)，在電弧的電離作用下，斷口SF6氣體的絕緣強(qiáng)度會(huì)比其他位置SF6氣體的絕緣強(qiáng)度低。在執(zhí)行開斷動(dòng)作時(shí)，利用電場(chǎng)的屏蔽效應(yīng)，能有效地減少金屬粒子的存在，同時(shí)，還能減少熱氣體的存在。通過數(shù)值分析和仿真軟件優(yōu)化斷路器靜端電場(chǎng)，使得斷路器尺寸更小和開斷能力更強(qiáng)。

2.2 隔離開關(guān)和接地開關(guān)

在設(shè)計(jì)SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的過程中，可以將隔離開關(guān)和接地開關(guān)設(shè)計(jì)成組合式結(jié)構(gòu)，這樣就能保證其尺寸最小化。在SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備中，隔離斷口最大電場(chǎng)強(qiáng)度處于斷口品比中心開孔，當(dāng)降低了隔離斷口電場(chǎng)后，就能處理屏蔽面的形狀與邊緣形狀的相互關(guān)系。在設(shè)計(jì)過程中，可以采用多段圓弧相接的方式優(yōu)化屏蔽結(jié)構(gòu)。

2.3 油氣套管

油氣套管是SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備和變壓器連接的重要部分，在設(shè)計(jì)時(shí)，要保證油氣套管能分離SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備和變壓器，并能獨(dú)自完成各項(xiàng)工作。因此，要在油氣套管的高壓電極中間設(shè)置1個(gè)可拆卸的斷口，同時(shí)，還要保證這個(gè)斷口和隔離開關(guān)斷口的場(chǎng)強(qiáng)一致。

2.4 出現(xiàn)套管

在計(jì)算瓷套模型時(shí)，由于瓷套是SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備高電壓的引出位置，因此，需要考慮到空氣、SF6氣體這2種絕緣介質(zhì)。對(duì)于出現(xiàn)套管的內(nèi)屏蔽表面，其電場(chǎng)強(qiáng)度要滿足SF6氣體的絕緣性能需求，同時(shí)，套管外的法拉表面強(qiáng)度要滿足空氣的無暈需求。因?yàn)榉ㄌm的自身形狀、高度、內(nèi)屏蔽直徑和高等都會(huì)影響法蘭表面電場(chǎng)強(qiáng)度，所以，在設(shè)計(jì)時(shí)，要注意優(yōu)化外法蘭形狀。

2.5 盆式絕緣子

在SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備中，盆式絕緣子的應(yīng)用十分廣泛。在SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備運(yùn)行過程中，盆式絕緣子是最容易發(fā)生故障的。高壓端的屏蔽電極、絕緣材料等都會(huì)對(duì)盆式絕緣子的絕緣性能造成影響，在設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用高電位的電極形狀和低電位的電極形狀將SF6氣體、絕緣件、電極的介質(zhì)交界面處理好，從而確保絕緣子沿面場(chǎng)強(qiáng)均勻分布。

2.6 三相共箱主母線及其他元件

主母線是連接間隔的重要元件，其可靠性對(duì)SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行有十分重要的意義。當(dāng)外殼直徑不變時(shí)，優(yōu)化電場(chǎng)，通過增加導(dǎo)體直徑來減小主回路的電阻，使母線的額定電流達(dá)到4 000 A。在設(shè)計(jì)SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備時(shí)，還可以利用電場(chǎng)數(shù)值分析和仿真軟件優(yōu)化三通、分支母線和電流互感器等，能獲得良好的設(shè)計(jì)效果。

3 結(jié)束語

SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)，能有效降低產(chǎn)品的原材料成本，提高產(chǎn)品的技術(shù)水平。在設(shè)計(jì)、研發(fā)SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備時(shí)，利用數(shù)值分析和仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化，能有效地減少導(dǎo)體連接數(shù)，縮短間隔母線導(dǎo)體的長(zhǎng)度，減小主回路電阻，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)效率，為SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的可靠性提供保障。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕