电加热方式在SF6开关设备中的应用

李松琴

（河南平高电气股份有限公司，河南 平顶山 467001)

我国幅员辽阔，各地气候差异巨大。在新疆、内蒙古及东北地区，冬季气温较低，户外环境温度会降到-40℃以下，部分地区甚至达到-50℃，SF6气体在这种温度下会产生部分液化，导致SF6气体压力及密度下降。根据内蒙古电力科学研究院统计报告，在冬季严寒情况下，SF6开关设备因气体密度下降，报警和闭锁情况经常发生。在这种情况下，运行部门通常的做法是用保温材料将SF6开关设备局部包裹起来，有时也起到一定作用，但效果不好。对瓷柱式SF6开关设备，由于瓷套外侧无法加装保温层，只好采取降低SF6气压的办法运行，至使SF6开关设备存在安全运行隐患。

由于SF6气体具有优良的绝缘性能和开断性能，而被广泛应用于输配电设备领域，如变压器、组合电器、断路器、输电管道、互感器、避雷器等。目前，SF6气体绝缘设备已经占有了绝对优势而且还有进一步扩大其应用范围的趋势。当SF6开关设备用于严寒地区时，若发生SF6气体的低温液化，SF6气体压力降低到闭锁压力值时，将闭锁断路器的跳闸回路，如果这时线路发生故障，保护启动后，而断路器不能可靠动作，将会引起事故扩大，造成保护越级动作，或者是设备损坏事故的发生。为解决SF6开关设备在严寒地区能够可靠运行的问题，国内外相关的研究院（所）和开关制造厂家对此进行了大量的分析、试验及研制工作，取得了许多宝贵经验和研究成果。其中，采取对SF6开关设备中的SF6气体进行电加热，使SF6气体的温度可以始终高于SF6气体的液化温度，就是一种有效的技术解决方案。

1 SF6气体的基本特性

SF6气体是一种无色、无嗅、无毒、不可燃的惰性气体，同时是一种分子量很大的重气体，容易液化，因此与理想气体模型差异较大，不能采用理想气体的状态方程式进行计算。SF6气体的3 个状态参数之间可以用下列经验公式表示：

式中，γ为密度（kg/m3），T为温度（K），P为压力（MPa）。

在实际工程应用中，也可利用SF6气体的状态参数曲线进行查找。目前运行的SF6开关设备的额定SF6气体压力，一般设定为：断路器气室0.4～0.6MPa（20℃时，表压）；隔离开关、母线、套管等气室0.3～0.5MPa(20℃时，表压)。这是由SF6气体特有的物理特性、化学特性及电特性等所决定的。SF6气体的临界温度很高（约：45.64℃），在常温下施加2MPa 的气压即可液化。根据已有的研究表明，额定压力0.6MPa（20℃时，表压）， 设备可以用在-27℃左右；额定压力0.5MPa（20℃时，表压），设备可以用在-32℃左右；额定压力0.4MPa（20℃时，表压），设备可以用在-38℃左右。例如：某SF6开关设备的额定压力为0.6MPa（20℃时，表压），对应的气体密度为 46kg/m3，当温度逐渐下降至-27℃时，SF6气体开始部分液化，气体压力和密度将降低。当温度下降至-50℃时，密度只有20 kg/m3，对应此密度值，在20℃时的表压为0.21MPa。由此可见，由于SF6气体的低温液化，造成气体密度的下降，必然导致SF6开关设备的灭弧性能和绝缘性能的降低。

2 SF6开关设备中的电加热方案

采用电加热装置对SF6开关设备中的SF6气体进行加热，可以有效的解决超低温下SF6气体的低温液化问题。电加热设计方案的技术关键为：在SF6开关设备上，增加了SF6气体电加热装置，当环境温度下降到一定数值时（如-25℃），加热器能够自动投入运行，对SF6开关设备内的灭弧、绝缘介质进行加热；无论环境温度如何低（如-50℃），SF6开关设备内的气体温度始终高于SF6气体液化所需要的温度，从而很好地解决了严寒地区SF6气体低温液化的问题。

SF6开关设备的电加热设计方案中，加热装置的热传递方式，包含了热传导、热辐射及热对流。针对SF6开关设备的不同结构形式，采取的电加热方式也略有差别，常用的设计结构有：①在设备罐体外壁缠绕电加热带的加热方式；②将加热器插入SF6气室内部，对SF6气体直接进行加热。

2.1 罐体外缠绕电加热带的加热方案

图1为罐式SF6断路器的典型外形图，它主要由气体套管、CT 装配、断路器部分、操动机构等几部分组成。针对罐式SF6断路器的结构特点，可采用在罐体外侧加装加热装置，当环境温度下降到一定数值时（如-25℃），加热器能够自动投入运行，人为地向设备内输入热量，加热后的热气向上流动，套管内的冷气向下流动，从而通过SF6气体的热对流、热传导、热辐射进行能量传递，确保设备内的SF6气体温度始终高于SF6气体液化温度。

这种设计结构已被国内外部分开关制造厂家所采用，并取得了宝贵地使用经验。如：国内某公司生产的LW13—550 型罐式SF6断路器，为解决产品在低温下可靠运行的问题，在罐体外壳上装了两个加热保温套，加热套的热元件是线绕板式SP 型加热器。试验结果表明，加热功率4800W 时，罐体内SF6气体温升为13.5～17.5K，当加热功率7200W 时，罐体内SF6气体温升为15～21K。据报道，俄联邦核中心高压电器研究所研制的126kV 罐式SF6断路器，额定短路开断电流40kA，SF6气体额定压力为0.55MPa（20℃），产品可以在-50℃的环境下正常工作，其技术关键就是在罐体外侧加装了两个300W的电加热带。

2.2 罐体内装入加热棒的加热方案

图2为另一种常见的罐式SF6断路器外形图，它与图1最大的不同点是，操作机构安装在断路器筒体端部，可以在筒体下部（靠近中间位置）加装电加热装置。为提高电加热效率，将加热器插入SF6气室内部，对SF6气体直接进行加热。为验证这种结构的加热效果，河南省高压电器产品质量监督检验站曾在某220kV 罐式SF6断路器上进行过低温试验，试验时罐体内充入0.6MPa（20℃时，表压）的SF6气体，加热器的总功率约900W，当试验室内的温度降为-40℃时，罐体中心部位的SF6气体温度约-26.5℃。

如图2所示的自动电加热及保温装置，是由加热装置、温度检测装置和控制执行装置等3 部分组成。加热装置设置在罐式SF6断路器的罐体上开设的拔口里，温度检测装置安装在罐体外，温度检测装置的输出端与控制执行装置的输入端连接，控制执行装置的输出端与加热装置的电源端连接。当环境温度下降到下限设定温度时，自动启动加热装置对罐体内的SF6气体进行加热，当环境温度上升到上限设定温度时，加热装置电源被自动切断，从而解决了罐式SF6断路器在低温环境下的可靠使用问题。

图2 罐式SF6断路器外形图（机构侧置）

2.3 瓷柱式SF6开关设备的加热方案

瓷柱式SF6开关设备的气体加热装置，一般装设在支柱瓷套的下端，由于支柱瓷套及灭弧室瓷套均为细长型结构，散热面积较大，而结构设计又不允许在瓷套外侧加装保温层，为确保灭弧、绝缘介质在低温下不液化， 所需加热器的功率一般都比较大；但加热器功率过大后，又会产生局部过热，影响产品运行的可靠性。因此，必须选择合理的加热器功率。下面以某型号的252kV 单柱单断口SF6断路器为例，介绍其电加热器结构及加热器功率的确定。

图3为电加热器座的局部放大图，它主要由支撑座、屏蔽筒、散热器、电加热器等部件组成，在拉杆四周均匀分布2～4 只500W 的电加热器，由于所需加热器功率较大，选用了棒式电加热器；在加热器座内部装设屏蔽筒和散热器的目的，是为了保证热场均匀、有利于向上热辐射。

图4为252kV 单柱单断口SF6断路器的低温试验测量点示意图。试品内SF6气体额定压力为0.6MPa（20℃时，表压）。为了对产品样机进行低温试验，在断路器内部装设了11 支热电偶，热电偶主要用于测量断路器内部的SF6气体温度分布情况。11 支热电偶的测温端在装设时，尽量接近设备中心线附近。测温点1 在试验样机上盖板的内侧，距金属盖板约5mm；测温点11 在加热器座中心点附近；其他9 个测温点均匀分布（每两个测温点的距离约为0.5m）。

图3 加热器座局部放大图

图4 低温试验测量点示意图

表1为试验样机内的温度试验数据，试验数据分析发现：①测温点1 的温度值最低，这是因为该测温点距加热源最远，并且距上面的金属盖板只有5mm 的距离；② 测温点5 与测温点6 之间的温差约为10℃，而测温点5 与测温点4、测温点3、测温点2 的温差确非常小（约为1℃）。这是因为测温点1 到测温点5，均处在灭弧室瓷套内，SF6气体流动比较畅通；而测温点6 处于支柱瓷套内，支柱瓷套与灭弧室瓷套之间的SF6气体，只有通过几个小孔相通，造成热对流通道不畅通：③测温点11 的温度值最高，这是因为该测温点距加热源最近。同时，从表1中的试验数据分析可知：当环境温度达到-40℃时，产品内装设1000W 的加热器就可满足使用要求；当环境温度达到-50℃时，产品内装设1500W 的加热器就可满足使用要求。

表1 试验样机内的温度试验数据

3 低温环境下的其他解决方案

3.1 采用混合气体作为灭弧、绝缘介质

由于纯SF6气体存在着价格昂贵且不适用于严寒地区等问题，近年来已有用SF6混合气体来取代纯SF6气体的趋势，其中SF6/N2混合气体已在工业中获得初步应用。但是，采用SF6/N2混合气体作为开关设备的灭弧、绝缘介质也存在一些问题：①当保持产品结构不变时，采用SF6/N2混合气体替代纯SF6气体后，设备的开断能力要下降，如：ELF SL4-1型断路器中采用了SF6/N2混合气体作为灭弧、绝缘介质后，额定短路开断电流从40kA 降低到31.5kA；②采用SF6/N2混合气体作为断路器的灭弧、绝缘介质后，若要维持断路器的开断能力不变，就要对灭弧室及操动机构的结构进行修改，同时要提高混合气体的额定气压。这些变化都给产品的设计和试验带来很大工作量。

3.2 采用降低SF6气体压力的方案

降低SF6开关设备内SF6气体的额定压力，可以达到降低SF6气体的液化点。因此国内有些厂家在原有开关设备的基础上，充入低压力SF6气体以满足低温环境的需要。由于在低压力、低温度的条件下，SF6气体密度亦降低，影响了设备的绝缘性能和开断性能。国内用此方法按标准GB1984 进行全部开断试验项目的产品很少。据报道，国内亦有部分厂家采取降低SF6气体压力的方法用在126kV 产品上，但是仅做了T100s(b)单项试验，并没有进行降低SF6气压后的其他试验项目。设备能否满足可靠使用要求，尚待验证。

4 结论

为解决高压SF6断路器在超低温下可靠运行的问题，可以采用电加热装置对SF6开关设备中的SF6气体进行加热；也可以采用SF6/N2混合气体作为开关设备的灭弧、绝缘介质；另外，也可以采用降低SF6开关设备内SF6气体的额定压力，达到降低SF6气体液化点的方案。然而，无论采取那种方法，都存在其优点和不足之处。采用降低SF6气体压力或采用SF6/N2混合气体的方法，会导致设备的开断性能下降，往往满足不了招标书中对设备短路开断能力的要求，同时需要按标准GB1984 进行相关的型式试验，试验周期长、费用高。电加热方式，需要对设备的现有结构进行变更，材料费增加。综合分析认为，电加热方式是一种最为经济有效的解决方案。除此之外，低温产品在设计上还应注意：选用耐低温的密封圈、选用耐低温的润滑脂、操作机构箱内宜进行加热以确保分合闸特性不变、能够跨越较大温度范围使用的瓷套等。

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