張靜波

（中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)黑龍江省電力設(shè)計(jì)院有限公司，黑龍江 哈爾濱 150078）

當(dāng)環(huán)境溫度低到一定限度時(shí)斷路器的SF_6 氣體會(huì)出現(xiàn)十分明顯的液化現(xiàn)象，而如果環(huán)境進(jìn)一步的降低溫度，就會(huì)導(dǎo)致氣體變成液態(tài)，進(jìn)而SF_6 密度快速地減小。斷路器的絕緣性能和開(kāi)斷的情況會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)而影響到電氣設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，SF_6 斷路器也因此在低溫地區(qū)使用被受限。文章對(duì)提高SF_6 斷路器低溫工作下開(kāi)斷能力的方案進(jìn)行論述。

1 常見(jiàn)低溫情況下開(kāi)斷能力的提高方式

低溫情況下SF_6 斷路器的工作能力會(huì)受到影響，對(duì)其開(kāi)斷能力進(jìn)行提高，常用的方式有3 種，如圖1。

1.1 降低SF_6 氣體壓力

產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中一般會(huì)使用低氣壓的SF_6 氣體來(lái)進(jìn)行額定的充氣，而相同條件下，降低SF_6 氣體的壓力就可以讓斷路器在低溫條件下有效的工作，但是這樣一來(lái)卻降低了斷路器的開(kāi)斷能力，尤其是很多要求高額定開(kāi)關(guān)的同時(shí)，需要耐低溫的地區(qū)，不適用這種方法。環(huán)境溫度降低到一定程度時(shí)，斷路器滅弧室當(dāng)中的提高SF_6 氣體會(huì)進(jìn)行液化并降低氣體密度，很多氣體變成液態(tài)會(huì)導(dǎo)致斷路器的絕緣性能和開(kāi)斷能力受到十分明顯的影響，進(jìn)而影響到電氣設(shè)備的運(yùn)行。降低氣體壓力的方法可以對(duì)其液化問(wèn)題進(jìn)行解決，但是與此同時(shí)，斷路器的開(kāi)關(guān)能力就會(huì)有所降低，因而不適用于大多數(shù)情況。

1.2 使用混合氣體斷路器

室內(nèi)使用的混合氣體一般是工作條件下的介質(zhì)，進(jìn)而能夠讓SF_6 氣體一直保持比較低的分壓?，F(xiàn)在國(guó)外的斷路器一般是使用混合氣體作為絕緣介質(zhì)，來(lái)提高低溫情況下SF_6 短路器的開(kāi)斷能力，這樣一來(lái)雖然能夠有效的提高低溫開(kāi)斷能力，但是卻有著比較高的產(chǎn)品價(jià)格。這種方式有著比較高的技術(shù)要求，氣體混合后，對(duì)組分進(jìn)行檢測(cè)的過(guò)程比較麻煩，氣體回收的處理工藝也十分復(fù)雜，而我國(guó)大多數(shù)生產(chǎn)廠家沒(méi)有對(duì)這種混合氣體斷路器進(jìn)行生產(chǎn)的能力，不過(guò)這可以作為高壓斷路器的一種發(fā)展目標(biāo)?；旌蠚怏w的斷路器應(yīng)用可以有效提高斷路器的開(kāi)關(guān)能力，但是因造價(jià)過(guò)高和生產(chǎn)工藝問(wèn)題都決定了其難以大量應(yīng)用到國(guó)內(nèi)生產(chǎn)過(guò)程中，所以也難以大量的應(yīng)用起來(lái)。

1.3 罐式斷路器的加熱保溫措施

對(duì)于罐式斷路器可在滅弧室下方加裝1 個(gè)筒裝容器，筒內(nèi)設(shè)置數(shù)個(gè)與外殼焊接密封的圓筒，供安裝加熱器使用，加熱器個(gè)數(shù)根據(jù)所需加熱功率而定。圖1 所示為日本東芝公司252kV 斷路器筒體內(nèi)安裝14 個(gè)60W的電加熱棒，為斷路器內(nèi)SF6 氣體進(jìn)行加熱。但該方法需注意加熱器的加熱溫度不要過(guò)高，以免使筒體表面掉漆，并且高溫狀態(tài)下SF6 氣體和加熱管會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，引起腐蝕，最終導(dǎo)致氣室絕緣水平下降。IEC 推薦，SF6 產(chǎn)品的最高使用溫度180℃。為保險(xiǎn)起見(jiàn)，建議加熱器的最高加熱溫度定為150℃。

2 提高加熱裝置低溫條件下開(kāi)斷能力的方案

文章設(shè)計(jì)了兩種提高低溫狀態(tài)下加熱裝置開(kāi)斷能力的方法，現(xiàn)陳述如下。

2.1 加裝支座的方案

首先在滅弧室的底部支持瓷套底部的法蘭和基座橫梁之間，放置1 個(gè)能夠容納3 個(gè)加熱器的支座，來(lái)為后續(xù)安裝的加熱器提供支持作用，支座當(dāng)中安裝了3 個(gè)和制作外殼焊接比較嚴(yán)實(shí)的圓通來(lái)幫助加熱器進(jìn)行安裝。在支座和底部法蘭以及基座橫梁之間，使用螺栓進(jìn)行連接來(lái)確保密封圈內(nèi)的封閉性，把三相SF_6 的氣體用保溫材料進(jìn)行包裹。智能溫度的控制是安裝在單獨(dú)的金屬箱當(dāng)中，其主要組成成分是電源開(kāi)關(guān)和接觸器控制器。加熱器在使用上相對(duì)來(lái)說(shuō)比較方便，而且進(jìn)行更換的時(shí)候也不會(huì)影響到斷路器的密封效果，這樣一來(lái)，在使用的過(guò)程中如果因出現(xiàn)一些問(wèn)題而需要更換加熱器，就可以在不影響密封效果的同時(shí)進(jìn)行更換。此方案需要把絕緣拉桿進(jìn)行加長(zhǎng)來(lái)使用長(zhǎng)條加熱器。加裝支座的方法需要使用高壓SF_6 斷路器來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，同時(shí)進(jìn)行斷路器的低溫試驗(yàn)。在滅弧室根部,即支持瓷套底部法蘭與基座橫梁之間加裝一個(gè)可以容納3 只加熱器的支座,該支座內(nèi)有3 個(gè)與支座外殼焊接密封的圓筒,供安裝加熱器使用。支座與支持瓷套底部法蘭及基座橫梁之間均通過(guò)螺栓連接,有密封圈保持密封性,將三相SF6 氣體連接管路以保溫材料包裹起來(lái)。智能溫度控制部分裝在一個(gè)單獨(dú)的金屬箱內(nèi),主要由電源開(kāi)關(guān)、交流接觸器與溫度控制器組成。更換加熱器非常方便,且更換過(guò)程中不會(huì)影響SF6 斷路器的密封性。該方案需要將與絕緣拉桿連接的連桿加長(zhǎng)相應(yīng)的長(zhǎng)度,加熱器采用長(zhǎng)條狀加熱器。對(duì)本方案,通過(guò)LW36-126 型戶外自能式高壓SF6 斷路器實(shí)施結(jié)構(gòu)改造并做了斷路器低溫試驗(yàn)。低溫試驗(yàn)依據(jù)《高壓交流斷路器》(GB1984—2003)在低溫試驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行,該斷路器SF6 的額定氣體壓力(20℃)為0.6MPa。斷路器低溫試驗(yàn)的機(jī)械特性數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。在斷路器本體底部加裝加熱器后,在低溫工況下,投入適當(dāng)組數(shù)的加熱器,可以保證斷路器中SF6 氣體壓力在0.59～0.62MPa 之間,屬于正常的工作范圍內(nèi)。從低溫工況下的機(jī)械特性試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn),斷路器機(jī)械性能穩(wěn)定。同時(shí),密封性試驗(yàn)結(jié)果也表明,斷路器密封良好。以上試驗(yàn)結(jié)果證明了“加裝支座”方案的可行性和有效性。低溫試驗(yàn)的溫度變化數(shù)據(jù)(未列出)表明,斷路器滅弧室內(nèi)SF6 氣體的溫度分配不均勻,滅弧室頂部與底部SF6 氣體的溫差較大。在確定加熱器的功率時(shí),若加熱器功率太小,則不能保證環(huán)境溫度很低情況下的加熱效果；若加熱器功率太大,不僅會(huì)造成不必要的能量損耗,而且將會(huì)造成滅弧室頂部與底部SF6 氣體的溫差過(guò)大的問(wèn)題。

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2.2 拐臂箱支座加熱的方案

拐臂箱背向拐臂的一側(cè)可以安裝能夠同時(shí)放置2個(gè)加熱器的容器，該容器使用了和拐臂箱吸納共同的材料，并使用螺栓進(jìn)行固定來(lái)確保密封圈的密封性，進(jìn)而能夠把SF_6 氣體用保溫材料包裹在連接管路當(dāng)中。這一方案當(dāng)中加熱器用1 個(gè)圓盤來(lái)經(jīng)過(guò)螺栓固定在桶狀容器里，而且不需要求其氣密性，所以對(duì)加熱器的更換是十分方便，并不會(huì)對(duì)斷路器的密封情況帶來(lái)影響。相比較于“加裝支座方案”，該方案不用對(duì)連桿的長(zhǎng)度進(jìn)行改變，同時(shí)也不會(huì)提高斷路器的總高度。方案中，使用的桶裝容器和拐臂箱之間進(jìn)行連接時(shí)，最好不要使用焊接的方法，否則可能會(huì)影響到氣密性，導(dǎo)致SF_6 氣體密度不均勻，而把桶裝容器和拐臂箱鑄造在一起，則難度過(guò)大，所以使用螺栓固定連接的方法來(lái)對(duì)容器進(jìn)行加裝是最合適的方式。斷路器開(kāi)斷電流是斷路器技術(shù)指標(biāo)當(dāng)中最主要的一個(gè)部分，在選擇的時(shí)候，必須要從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度考慮的同時(shí)，納入各種外界因素進(jìn)行考慮。設(shè)計(jì)手冊(cè)當(dāng)中，現(xiàn)在一般沒(méi)有對(duì)于開(kāi)斷電流的選擇的描述，所以實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中就經(jīng)常會(huì)遇到這方面的問(wèn)題。遇到的主要問(wèn)題在于兩個(gè)方面，一方面是斷路器開(kāi)斷電流的運(yùn)行方式是正常的還是特殊的三相短路電流；另一個(gè)方面就是環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中斷路器開(kāi)斷電流出口三相短路電流的選擇，或者按照斷路器的三相短路電流的選擇。拐臂箱加熱的方案對(duì)戶外高壓的SF_6斷路器進(jìn)行改造，并進(jìn)行了對(duì)應(yīng)的低溫試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，拐臂箱加熱具有足夠的可行性和有效性，斷路器額定開(kāi)關(guān)電流為40kA。在低溫地區(qū)如果不采取措施而直接使用，就會(huì)導(dǎo)致氣體液化并帶來(lái)一系列的后續(xù)問(wèn)題，所以為了防止氣體出現(xiàn)液化情況，就需要降低壓力來(lái)運(yùn)行，斷路器的開(kāi)斷電流較小，使用了加熱器后，斷路器在額定氣體的固定壓力下運(yùn)行時(shí)，開(kāi)斷電流大小不會(huì)受到影響，進(jìn)而就達(dá)成了提高開(kāi)斷能力的效果。與此同時(shí)，該方案也存在斷路器滅弧室內(nèi)部的SF_6 溫度分布不均勻以及氣體頂部底部的溫度分布不均勻等問(wèn)題。

3 結(jié)語(yǔ)

常規(guī)情況下，提高低溫條件下SF_6 斷路器的開(kāi)斷能力主要有3 種方法，文章針對(duì)SF_6 氣體加熱法來(lái)提出兩種方案來(lái)避免其可能存在的問(wèn)題，同時(shí)做出大量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和低溫試驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)和總結(jié)中獲得運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，“加裝支座方案”和“拐臂箱支座加熱”方案都具有充分的可行性，而其中“拐臂箱支座加熱”方案具有更明顯的優(yōu)勢(shì)，可以應(yīng)用在更多環(huán)境當(dāng)中，因而將“拐臂箱支座加熱”方案作為首選方案進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行結(jié)果證明了這一點(diǎn)。文章通過(guò)以上研究，解決了低溫環(huán)境下高壓SF_6 斷路器當(dāng)中SF_6 氣體低溫液化的問(wèn)題，解決了SF_6 斷路器受到溫度和地域影響的問(wèn)題，并給出SF_6 在低溫地區(qū)運(yùn)行的可行方法。