范欽曉，田剛領(lǐng)，黃文力，朱 科

(1.平高東芝(廊坊)避雷器有限公司，河北 廊坊 065001；2.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山467001；3.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院, 河南 鄭州 450002；4.河南平芝高壓開關(guān)有限公司，河南平頂山 467013)

252 kV罐式SF6斷路器直熱式加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

范欽曉1，田剛領(lǐng)2，黃文力3，朱 科4

(1.平高東芝(廊坊)避雷器有限公司，河北 廊坊 065001；2.平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山467001；3.鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院, 河南 鄭州 450002；4.河南平芝高壓開關(guān)有限公司，河南平頂山 467013)

設(shè)計(jì)了1種應(yīng)用于252 kV罐式SF6斷路器的直熱式加熱器，可適應(yīng)-40 ℃的極低溫環(huán)境。為兼顧熱效率與功率，采用多組低功率加熱管方案，選用耐低溫管壁和密封圈材料，引入防積雪帶頂角的機(jī)構(gòu)箱結(jié)構(gòu)，解決了壓力表在極低溫度下可能存在的測(cè)量問題。

罐式斷路器；直熱式加熱；絕緣介質(zhì)；液化溫度

0 引言

電介質(zhì)的絕緣特性與電場(chǎng)、電壓形式、溫度和壓力等諸多因素有關(guān)，其絕緣性能的劣化常常由外界因素長(zhǎng)期施加而引起，甚至在極限狀態(tài)下(如老化、擊穿)完全失去絕緣能力。目前，在超、特高壓電力系統(tǒng)中，以SF6作為絕緣介質(zhì)的GIS設(shè)備應(yīng)用廣泛。另外，我國(guó)地域遼闊，各地氣溫相差大，尤其在冬季，局部地區(qū)環(huán)境溫度可能下降到-40 ℃，甚至-50 ℃，因此必須考慮GIS設(shè)備在極端低溫條件下的工作狀況，保證其安全運(yùn)行。

1 低溫工況下GIS設(shè)備的保護(hù)方法

目前，常采用以下3種方法來保證GIS設(shè)備在低溫工況下的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.1 降低氣體壓力

實(shí)驗(yàn)表明，SF6氣體的液化溫度隨壓力升高而近線性升高，例如：0.6 MPa時(shí)，SF6氣體的液化溫度約為-27.5 ℃；0.4 MPa時(shí)，SF6氣體的液化溫度為-38 ℃。因此，可采取適當(dāng)降低氣體壓力的方法降低液化溫度，從而避免氣體的液化對(duì)絕緣性能的影響。

但是，氣體壓力降低將極大減弱氣體自身的絕緣能力，雖然可通過其他方式在一定程度上彌補(bǔ)絕緣性能的惡化，但仍然限制了此方法在超、特高壓領(lǐng)域的應(yīng)用。

1.2 采用混合氣體

結(jié)合SF6氣體優(yōu)良的電氣性能，與N2，CO2，CF4等混合后，將其作為絕緣介質(zhì)，能夠有效降低氣體介質(zhì)的液化溫度。只是與降低氣體壓力方法相似，該方法加速了氣體絕緣性能的劣化，應(yīng)用范圍也非常有限。

1.3 加熱

當(dāng)環(huán)境溫度下降到接近氣體介質(zhì)的液化溫度時(shí)，加熱該氣體以避免液化對(duì)相應(yīng)絕緣性能的惡化，是目前超、特高壓GIS設(shè)備在高寒地區(qū)應(yīng)用的唯一保障手段。不同結(jié)構(gòu)的斷路器，其加熱方式各不相同，如采用加熱棒、加熱帶等，具有不同的優(yōu)劣性。

目前，國(guó)內(nèi)外采用的加熱方式多為“外包伴熱式”，即外包伴熱裝置附著在斷路器罐體表面。由于伴熱裝置外表面直接暴露于大氣中，為了達(dá)到低熱擴(kuò)散的目標(biāo)，還需要在伴熱裝置外部附加保溫層。但因外包伴熱裝置易被污染、耐腐蝕性差，所以“外包伴熱式”也不利于穩(wěn)定運(yùn)行和維護(hù)。

2 罐式斷路器的設(shè)計(jì)思路

該罐式斷路器采用直熱式加熱方式，即采用在氣室內(nèi)直接加熱SF6氣體的方式。與“外包伴熱式”的區(qū)別在于采用了內(nèi)置式設(shè)計(jì)布局，使加熱裝置的防護(hù)水平與斷路器設(shè)備同等級(jí)，有效解決了加熱裝置的環(huán)境適應(yīng)問題，耐腐蝕性好；本體采用不回收氣體更換加熱裝置的易維護(hù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)?！爸睙崾健睙醾鬟f途徑直接，安全性和熱效率高，并且在更換加熱器時(shí)無需回收罐體內(nèi)的SF6氣體，可直接更換加熱管，方便運(yùn)行維護(hù)。

252 kV罐式SF6斷路器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，罐體內(nèi)充滿SF6氣體，在罐身上設(shè)置2組加熱器。

圖1 罐式斷路器結(jié)構(gòu)

3 直熱式加熱系統(tǒng)

3.1 主要參數(shù)

252 kV罐式斷路器中，與SF6氣體相關(guān)的主要參數(shù)如表1所示。對(duì)于額定氣壓0.55 MPa的SF6氣體，其臨界液化溫度為-29.2 ℃?？紤]溫升安全裕度為1.2-1.5 ℃，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)并且按照斷路器“冷備用”的苛刻運(yùn)行條件，只要實(shí)現(xiàn)SF6氣室內(nèi)溫度升高10-15 ℃，罐體等表面部位溫升不超過30 ℃的目標(biāo)，則能夠保證在-40 ℃的環(huán)境下，額定氣壓時(shí)SF6的溫度不低于-27.5 ℃，從而保證SF6不會(huì)液化。

3.2 加熱器

加熱器由7根加熱管和1個(gè)管體組成，分別如圖2和3所示。加熱管產(chǎn)生的熱量大部分通過對(duì)流方式傳導(dǎo)給SF6氣體，一小部分通過管體傳導(dǎo)給SF6氣體；熱量散失則主要通過罐體周圍的空氣對(duì)流。由于管體置于罐體內(nèi)部，與SF6氣體直接接觸，因此加熱器產(chǎn)生的熱量絕大部分能夠施加于罐體內(nèi)的SF6氣體，熱效率較高。當(dāng)加熱器啟動(dòng)后，向SF6氣體輸送的熱量是恒定的，只是隨著SF6氣體溫度的升高，斷路器罐體表面溫度隨之升高，與周圍環(huán)境溫差變大，散熱速度也加快。當(dāng)SF6氣體溫度上升到某一閾值后，熱量的輸入與消散達(dá)到平衡，則SF6氣體溫度得以保持穩(wěn)定。此溫度的設(shè)計(jì)值為-27 ℃，若設(shè)計(jì)值太高則加熱管不易滿足要求，反之SF6氣體有液化的可能。

表1 252 kV罐式斷路器中SF6氣體參數(shù)

圖2 加熱管

圖3 加熱器管體

根據(jù)熱計(jì)算結(jié)果，當(dāng)環(huán)境溫度下降到-40 ℃時(shí)，只要保證罐體內(nèi)SF6氣體溫升達(dá)到10 ℃以上，即可保障該斷路器的工況穩(wěn)定。結(jié)合市場(chǎng)調(diào)研，選擇了某型號(hào)62.5 W的加熱管(見圖2a)，采用2組配置，單組由7根加熱管組成(見圖2b)。經(jīng)驗(yàn)表明，如果單根加熱管功率過大，易引起管體表面溫度過高，最高達(dá)400 ℃時(shí)，SF6氣體可能分解，分解產(chǎn)物與鐵反應(yīng)生成氟化鐵，加熱器管體腐蝕，引起漏氣事故。因此，該加熱裝置在滿足熱能需求的前提下，采取2組、多根低功率配置，這樣既增加了熱傳遞效率，又能夠提高工作的可靠性，延長(zhǎng)斷路器的使用壽命。

依據(jù)GB 150—2011《壓力容器》得知：在-40 ℃環(huán)境下，有些材料機(jī)械強(qiáng)度下降高達(dá)20 %-30 %，極易出現(xiàn)“冷脆”現(xiàn)象。結(jié)合該斷路器額定電流4 000 A、管體燒穿時(shí)間300 ms及設(shè)計(jì)壓力0.76 MPa的條件，經(jīng)過性價(jià)比分析，管體材料應(yīng)采用0Cr18Ni9不銹鋼，法蘭材料采用16MnDR低合金鋼，O型密封圈采用耐寒材料NBR+BR(硬度HS=60±5，使用溫度范圍(-40)-100 ℃)。

3.3 機(jī)構(gòu)箱和壓力表

機(jī)構(gòu)箱頂部采用110°圓角棱設(shè)計(jì)，使頂部不會(huì)大量積雪，避免積雪覆蓋壓壞設(shè)備。為了應(yīng)對(duì)-40 ℃的極寒天氣，在機(jī)構(gòu)箱內(nèi)放置防凝露加熱器和保溫層。另外，利用機(jī)構(gòu)箱的耐寒防積雪設(shè)計(jì)，將壓力表放進(jìn)機(jī)構(gòu)箱內(nèi)部，保障壓力表的正常使用，避免了極低溫對(duì)壓力表的苛刻要求，解決了壓力表在低溫環(huán)境下難以監(jiān)測(cè)的難題。

3.4 電氣控制部分

加熱器的自動(dòng)控制與故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。利用溫控器實(shí)現(xiàn)加熱器的投入與切斷：當(dāng)環(huán)境溫度低于某個(gè)設(shè)置的閾值時(shí)，溫控器控制開關(guān)閉合，加熱器上電而開始加熱；當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定閾值時(shí)，溫控器控制開關(guān)切斷電源，加熱管停止加熱。在加熱管前，串聯(lián)1個(gè)電流繼電器，如果加熱管出現(xiàn)故障，電流繼電器檢測(cè)電流異常并通過中間繼電器輸出診斷信號(hào)，上傳至監(jiān)控裝置，實(shí)現(xiàn)加熱管的自診斷功能。

圖4 加熱器自動(dòng)控制與故障診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.5 局部?jī)?yōu)化

加熱管體的散熱效率與表面形狀緊密相關(guān)，綜合考慮加工工藝與散熱效率，從光滑柱體、開槽柱體、螺紋柱體3種形狀中選擇開槽柱體，既強(qiáng)化了散熱效果，又避免增加加工的工作量。另外，在罐體內(nèi)壁安置聚四氟乙烯隔熱板，以減少熱量消散。從試驗(yàn)結(jié)果可知，采用這種局部?jī)?yōu)化方法，能夠提高加熱器15 %-30 %的綜合熱效。

4 低溫試驗(yàn)

按照GB 1984—2014《高壓交流斷路器》要求，嚴(yán)格進(jìn)行斷路器的低溫試驗(yàn)。測(cè)量管體內(nèi)表面、外表面、加熱管外表面與罐體內(nèi)SF6氣體在不同外界環(huán)境溫度時(shí)的溫升。

由樣機(jī)低溫試驗(yàn)可知：罐體內(nèi)充0.6 MPa SF6氣體，當(dāng)環(huán)境溫度為-35 ℃時(shí)，SF6氣體的最低溫度為-23.92 ℃；當(dāng)環(huán)境溫度為-40 ℃時(shí)，SF6氣體的最低溫度為-27.95 ℃。在這2種情況下，SF6氣體未液化。由于實(shí)際運(yùn)行時(shí)的SF6氣體額定壓力為0.55 MPa，從SF6氣體壓力與溫度之間的關(guān)系可知：與0.6 MPa氣壓時(shí)相比，0.55 MPa時(shí)對(duì)應(yīng)的SF6氣體液化溫度更低，這就表明該加熱器對(duì)于斷路器的工況運(yùn)行具有一定的裕度。

5 結(jié)束語

這種應(yīng)用于252 kV罐式SF6斷路器的直熱式加熱裝置，與其他加熱方式相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1) 具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，能夠防銹、防腐；

(2) 可維護(hù)性強(qiáng)，無需回收SF6氣體即可直接更換加熱管；

(3) 熱傳遞直接、安全，均勻性好，熱效率高；

(4) 可輔以相應(yīng)的電氣控制線路，使之具有較高的智能控制和故障自診斷能力。

該裝置具有良好的應(yīng)用前景，在現(xiàn)代的制造技術(shù)與材料工藝水平基礎(chǔ)上，通過進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)和改善熱效率，在極寒條件下能夠?yàn)楦唠妷杭?jí)別GIS設(shè)備提供保障方案。

1 梁曦東，陳昌漁，周遠(yuǎn)翔，等.高電壓工程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2003.

2 趙建沛，田剛領(lǐng).嚴(yán)寒地區(qū)SF6斷路器安全運(yùn)行的應(yīng)對(duì)措施[J].電力安全技術(shù)，2011，13(10)：4-7.

3 劉海析，潘世巖，董元清，等.氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備低溫環(huán)境運(yùn)行的改進(jìn)設(shè)計(jì)[J].上海電氣技術(shù)，2013，6(2)：38-42.

4 朱 科，張 軍，張 磊，等.SF6氣體斷路器應(yīng)對(duì)低溫的方法研究及應(yīng)用[J].河南科技，2013(10)：143-145.

5 唐立文，禹錦繡.SF6斷路器低溫加熱的分析計(jì)算[J].電氣制造，2013(7)：68-69.

6 全國(guó)高壓開關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 1984—2014高壓交流斷路器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.

7 全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB50—2011壓力容器[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

2016-09-28。

范欽曉(1982-)，男，工程師，主要從事高壓開關(guān)設(shè)備研發(fā)工作，email：gangling_tian@126.com。

田剛領(lǐng)(1977-)，男，高級(jí)工程師，主要從事高電壓開關(guān)設(shè)備研發(fā)工作。

黃文力(1974-)，男，副教授，主要從事高電壓技術(shù)研究工作。

朱 科(1974-)，男，高級(jí)工程師，主要從事GIS設(shè)計(jì)研究和科技管理工作。