李 強

(上海西電高壓開關有限公司,上海201700)

嚴寒地區(qū)防止全封閉組合電器SF6氣體液化的方案探討

李 強

(上海西電高壓開關有限公司,上海201700)

闡述了252k V GIS在戶外嚴寒地區(qū)運行時,為防止SF6氣體液化所采取的措施。設計了三種不同結構的加熱器,并分別計算了加熱器的功率,用試驗驗證了加熱器的效果,解決了252k V GIS在高寒地區(qū)SF6氣體液化的問題。

嚴寒;SF6氣體液化;加熱器

1 引言

根據(jù)SF6氣體的物理特性,當溫度過低時,SF6氣體將會出現(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、內蒙古等地,因SF6氣體液化而導致SF6斷路器閉鎖的事故時有發(fā)生。為了解決戶外嚴寒條件下SF6氣體液化問題,需要對SF6斷路器進行特殊處理,以保證斷路器的可靠性。

2 氣體性質及ZF1-252 GIS參數(shù)

SF6氣體是一種惰性氣體,純凈的SF6氣體無色、無味、無毒,不會燃燒。在常溫下,當有足夠的壓力時SF6氣體就會液化。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(絕對氣壓值)

ZF1-252型SF6全封閉組合電器(GIS)廣泛應用于220k V電力系統(tǒng)中,它由斷路器、隔離開關、接地開關、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/報警壓力/閉鎖壓力(相對壓力)分別為:0.6MPa/0.55MPa/0.5MPa;其他氣室額定壓力/最低運行壓力(相對壓力)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(相對壓力)0.60MPa時,其液化溫度為-27℃,在閉鎖壓力(相對壓力)0.50MPa且溫度為-30℃時,SF6氣體會發(fā)生液化。其他氣室,在額定壓力為0.4MPa(相對壓力)時,其液化溫度為-37℃,在最低運行壓力0.35Mpa (相對壓力)且溫度為-39℃時,SF6氣體會發(fā)生液化。因此當ZF1-252型GIS運行于戶外嚴寒地區(qū)時,需對其采取措施,以保證設備的正常運行。本文著重討論防止SF6斷路器氣室的液化問題。

3 防止斷路器氣體液化的方案

針對SF6氣體液化問題,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。但如果SF6和N2混合氣體混合比例不當,則會導致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,要求生產工藝控制水平較高,不便于現(xiàn)場實際操作,因此ZF1-252產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加熱裝置,該裝置由溫控器、電熱器等元件組成。當SF6斷路器運行環(huán)境溫度低于一定溫度時,裝置自動投入,開始對其斷路器外殼加熱,熱量由斷路器外殼傳導至SF6氣體中,從而提高SF6氣體溫度,防止了SF6氣體液化。ZF1-252型產品亦采用類似的方式來防止斷路器內SF6液化。

在對斷路器加熱器裝置的設計過程中,分別設計了三種不同結構形式的加熱器。三種形式的加熱器各有其本身特點,現(xiàn)分別闡述其結構。

第一種結構采用開關中常見的“伴熱帶”結構。該結構由硅膠加熱器(硅膠加熱器是由經過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,使用壽命長的特點,且絕緣性能更加可靠)、隔熱板、保溫板、防護罩、鋼帶及防雨罩組成。每個加熱器裝置包括兩個加熱板,該加熱板通過電纜與裝在控制柜內的溫控器連接,實現(xiàn)遠方控制。當環(huán)境溫度達到-25℃時,溫控器動作,加熱器回路接通,加熱器開始對殼體加熱,使殼體內SF6溫度高于液化溫度,當環(huán)境溫度升到-20℃時溫控器動作,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。當指示燈亮時,表明加熱器在加熱狀態(tài)。圖1為伴熱帶結構示意圖。

第二種結構為“板式加熱器”結構。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,結構如圖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部SF6氣體熱量向上擴散;二是拐臂盒安裝在封閉的機構箱彎板內,加熱器向外散發(fā)的熱量會大大減少。

圖1 伴熱帶結構示意圖

圖2 板式加熱器

第三種結構為“內置式加熱器”結構。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,并將鋁合金散熱片安裝在斷路器手孔蓋板內側(為了加強散熱片的散熱效果,將散熱片噴涂黑色油漆),結構如圖3所示。在斷路器手孔蓋板加熱器外側再安裝一個帶有引出線孔的凸蓋板,用來引出加熱器電源線。電源線與控制柜內溫控器相連接,實現(xiàn)遠方控制。這種內置式加熱器,不破壞SF6氣體的密封,很好解決了內置加熱器電源線引出難的問題。當加熱器出現(xiàn)故障時,可以將外側蓋板拆下,對加熱器進行檢修或更換。

圖3 內置式加熱器

4 加熱器功率的計算

在確定了加熱器的結構形式后,現(xiàn)分別對三種不同類型的電加熱器的功率進行計算。在對加熱器功率進行計算時,可參照產品型式試驗時在額定電流下的溫升來計算加熱器的功率。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斷路器溫升試驗時SF6氣體的溫升。

SF6氣體在額定壓力0.60MPa時液化溫度為-27℃,假設在極端條件下溫度為-40℃,得出氣體補充溫升△T1為-13℃。斷路器額定電流In、斷路器的回路電阻R及斷路器溫升試驗時SF6氣體的溫升可從型式試驗報告中查得,因此計算加熱器的功率只需計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 試驗驗證

為了驗證上述三種加熱器結構加熱的效果,需通過加熱試驗對其進行驗證。試驗方案如圖4所示,將三種不同結構形式的加熱器分別安裝在斷路器的A、B、C相,同時對加熱器進行通電,測量斷路器氣室SF6氣體的溫升。A相選擇伴熱帶結構,B相選擇板式加熱器,C相選擇內置式加熱器。三種加熱器分別同時對加熱器進行加熱,每小時測量一次溫度,并記錄。待SF6氣體內溫度趨于穩(wěn)定時,停止對加熱器加熱。通過試驗數(shù)據(jù)可以看出,當加熱器通電后,A、B、C相斷路器罐體內SF6氣體的溫度均有明顯上升,在通電8h～9h后,斷路器罐體內SF6氣體趨于穩(wěn)定。通過試驗記錄測得A、B、C相斷路器內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,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,內置式加熱器的結構更為可靠些。因該試驗數(shù)據(jù)是在室溫23℃條件下測得,考慮到設備在冬季戶外嚴酷條件下運行,因此在最終設計時將硅膠加熱器功率加大了20%左右,并在其內部預留了一個與原功率相當?shù)膫溆眉訜崞?。如主加熱器出現(xiàn)故障,可以將加熱器切換到備用加熱器繼續(xù)進行加熱。

6 結論

為解決高壓SF6斷路器在嚴寒地區(qū)可靠運行的問題,可以采用混合氣體作為滅弧、絕緣介質,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。在選擇對氣體加熱時,應選擇合理的加熱器結構,以提高其加熱效率。在加熱器功率的選擇上,應以計算和試驗相結合的方式來選擇。

圖4 加熱器加熱驗證試驗示意圖

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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,工程師,主要從事高壓開關設計方面的工作。