252 kV罐式SF6断路器直热式加热系统的设计

范钦晓，田刚领，黄文力，朱 科

(1.平高东芝(廊坊)避雷器有限公司，河北 廊坊 065001；2.平高集团有限公司，河南 平顶山467001；3.郑州航空工业管理学院, 河南 郑州 450002；4.河南平芝高压开关有限公司，河南平顶山 467013)

252 kV罐式SF6断路器直热式加热系统的设计

范钦晓1，田刚领2，黄文力3，朱 科4

(1.平高东芝(廊坊)避雷器有限公司，河北 廊坊 065001；2.平高集团有限公司，河南 平顶山467001；3.郑州航空工业管理学院, 河南 郑州 450002；4.河南平芝高压开关有限公司，河南平顶山 467013)

设计了1种应用于252 kV罐式SF6断路器的直热式加热器，可适应-40 ℃的极低温环境。为兼顾热效率与功率，采用多组低功率加热管方案，选用耐低温管壁和密封圈材料，引入防积雪带顶角的机构箱结构，解决了压力表在极低温度下可能存在的测量问题。

罐式断路器；直热式加热；绝缘介质；液化温度

0 引言

电介质的绝缘特性与电场、电压形式、温度和压力等诸多因素有关，其绝缘性能的劣化常常由外界因素长期施加而引起，甚至在极限状态下(如老化、击穿)完全失去绝缘能力。目前，在超、特高压电力系统中，以SF6作为绝缘介质的GIS设备应用广泛。另外，我国地域辽阔，各地气温相差大，尤其在冬季，局部地区环境温度可能下降到-40 ℃，甚至-50 ℃，因此必须考虑GIS设备在极端低温条件下的工作状况，保证其安全运行。

1 低温工况下GIS设备的保护方法

目前，常采用以下3种方法来保证GIS设备在低温工况下的安全稳定运行。

1.1 降低气体压力

实验表明，SF6气体的液化温度随压力升高而近线性升高，例如：0.6 MPa时，SF6气体的液化温度约为-27.5 ℃；0.4 MPa时，SF6气体的液化温度为-38 ℃。因此，可采取适当降低气体压力的方法降低液化温度，从而避免气体的液化对绝缘性能的影响。

但是，气体压力降低将极大减弱气体自身的绝缘能力，虽然可通过其他方式在一定程度上弥补绝缘性能的恶化，但仍然限制了此方法在超、特高压领域的应用。

1.2 采用混合气体

结合SF6气体优良的电气性能，与N2，CO2，CF4等混合后，将其作为绝缘介质，能够有效降低气体介质的液化温度。只是与降低气体压力方法相似，该方法加速了气体绝缘性能的劣化，应用范围也非常有限。

1.3 加热

当环境温度下降到接近气体介质的液化温度时，加热该气体以避免液化对相应绝缘性能的恶化，是目前超、特高压GIS设备在高寒地区应用的唯一保障手段。不同结构的断路器，其加热方式各不相同，如采用加热棒、加热带等，具有不同的优劣性。

目前，国内外采用的加热方式多为“外包伴热式”，即外包伴热装置附着在断路器罐体表面。由于伴热装置外表面直接暴露于大气中，为了达到低热扩散的目标，还需要在伴热装置外部附加保温层。但因外包伴热装置易被污染、耐腐蚀性差，所以“外包伴热式”也不利于稳定运行和维护。

2 罐式断路器的设计思路

该罐式断路器采用直热式加热方式，即采用在气室内直接加热SF6气体的方式。与“外包伴热式”的区别在于采用了内置式设计布局，使加热装置的防护水平与断路器设备同等级，有效解决了加热装置的环境适应问题，耐腐蚀性好；本体采用不回收气体更换加热装置的易维护设计结构。“直热式”热传递途径直接，安全性和热效率高，并且在更换加热器时无需回收罐体内的SF6气体，可直接更换加热管，方便运行维护。

252 kV罐式SF6断路器的结构如图1所示，罐体内充满SF6气体，在罐身上设置2组加热器。

图1 罐式断路器结构

3 直热式加热系统

3.1 主要参数

252 kV罐式断路器中，与SF6气体相关的主要参数如表1所示。对于额定气压0.55 MPa的SF6气体，其临界液化温度为-29.2 ℃。考虑温升安全裕度为1.2-1.5 ℃，结合经验并且按照断路器“冷备用”的苛刻运行条件，只要实现SF6气室内温度升高10-15 ℃，罐体等表面部位温升不超过30 ℃的目标，则能够保证在-40 ℃的环境下，额定气压时SF6的温度不低于-27.5 ℃，从而保证SF6不会液化。

3.2 加热器

加热器由7根加热管和1个管体组成，分别如图2和3所示。加热管产生的热量大部分通过对流方式传导给SF6气体，一小部分通过管体传导给SF6气体；热量散失则主要通过罐体周围的空气对流。由于管体置于罐体内部，与SF6气体直接接触，因此加热器产生的热量绝大部分能够施加于罐体内的SF6气体，热效率较高。当加热器启动后，向SF6气体输送的热量是恒定的，只是随着SF6气体温度的升高，断路器罐体表面温度随之升高，与周围环境温差变大，散热速度也加快。当SF6气体温度上升到某一阈值后，热量的输入与消散达到平衡，则SF6气体温度得以保持稳定。此温度的设计值为-27 ℃，若设计值太高则加热管不易满足要求，反之SF6气体有液化的可能。

表1 252 kV罐式断路器中SF6气体参数

图2 加热管

图3 加热器管体

根据热计算结果，当环境温度下降到-40 ℃时，只要保证罐体内SF6气体温升达到10 ℃以上，即可保障该断路器的工况稳定。结合市场调研，选择了某型号62.5 W的加热管(见图2a)，采用2组配置，单组由7根加热管组成(见图2b)。经验表明，如果单根加热管功率过大，易引起管体表面温度过高，最高达400 ℃时，SF6气体可能分解，分解产物与铁反应生成氟化铁，加热器管体腐蚀，引起漏气事故。因此，该加热装置在满足热能需求的前提下，采取2组、多根低功率配置，这样既增加了热传递效率，又能够提高工作的可靠性，延长断路器的使用寿命。

依据GB 150—2011《压力容器》得知：在-40 ℃环境下，有些材料机械强度下降高达20 %-30 %，极易出现“冷脆”现象。结合该断路器额定电流4 000 A、管体烧穿时间300 ms及设计压力0.76 MPa的条件，经过性价比分析，管体材料应采用0Cr18Ni9不锈钢，法兰材料采用16MnDR低合金钢，O型密封圈采用耐寒材料NBR+BR(硬度HS=60±5，使用温度范围(-40)-100 ℃)。

3.3 机构箱和压力表

机构箱顶部采用110°圆角棱设计，使顶部不会大量积雪，避免积雪覆盖压坏设备。为了应对-40 ℃的极寒天气，在机构箱内放置防凝露加热器和保温层。另外，利用机构箱的耐寒防积雪设计，将压力表放进机构箱内部，保障压力表的正常使用，避免了极低温对压力表的苛刻要求，解决了压力表在低温环境下难以监测的难题。

3.4 电气控制部分

加热器的自动控制与故障诊断系统的结构如图4所示。利用温控器实现加热器的投入与切断：当环境温度低于某个设置的阈值时，温控器控制开关闭合，加热器上电而开始加热；当环境温度高于设定阈值时，温控器控制开关切断电源，加热管停止加热。在加热管前，串联1个电流继电器，如果加热管出现故障，电流继电器检测电流异常并通过中间继电器输出诊断信号，上传至监控装置，实现加热管的自诊断功能。

图4 加热器自动控制与故障诊断系统结构

3.5 局部优化

加热管体的散热效率与表面形状紧密相关，综合考虑加工工艺与散热效率，从光滑柱体、开槽柱体、螺纹柱体3种形状中选择开槽柱体，既强化了散热效果，又避免增加加工的工作量。另外，在罐体内壁安置聚四氟乙烯隔热板，以减少热量消散。从试验结果可知，采用这种局部优化方法，能够提高加热器15 %-30 %的综合热效。

4 低温试验

按照GB 1984—2014《高压交流断路器》要求，严格进行断路器的低温试验。测量管体内表面、外表面、加热管外表面与罐体内SF6气体在不同外界环境温度时的温升。

由样机低温试验可知：罐体内充0.6 MPa SF6气体，当环境温度为-35 ℃时，SF6气体的最低温度为-23.92 ℃；当环境温度为-40 ℃时，SF6气体的最低温度为-27.95 ℃。在这2种情况下，SF6气体未液化。由于实际运行时的SF6气体额定压力为0.55 MPa，从SF6气体压力与温度之间的关系可知：与0.6 MPa气压时相比，0.55 MPa时对应的SF6气体液化温度更低，这就表明该加热器对于断路器的工况运行具有一定的裕度。

5 结束语

这种应用于252 kV罐式SF6断路器的直热式加热装置，与其他加热方式相比，具有以下优点：

(1) 具有较强的环境适应性，能够防锈、防腐；

(2) 可维护性强，无需回收SF6气体即可直接更换加热管；

(3) 热传递直接、安全，均匀性好，热效率高；

(4) 可辅以相应的电气控制线路，使之具有较高的智能控制和故障自诊断能力。

该装置具有良好的应用前景，在现代的制造技术与材料工艺水平基础上，通过进一步优化结构和改善热效率，在极寒条件下能够为更高电压级别GIS设备提供保障方案。

1 梁曦东，陈昌渔，周远翔，等.高电压工程[M].北京：清华大学出版社，2003.

2 赵建沛，田刚领.严寒地区SF6断路器安全运行的应对措施[J].电力安全技术，2011，13(10)：4-7.

3 刘海析，潘世岩，董元清，等.气体绝缘金属封闭开关设备低温环境运行的改进设计[J].上海电气技术，2013，6(2)：38-42.

4 朱 科，张 军，张 磊，等.SF6气体断路器应对低温的方法研究及应用[J].河南科技，2013(10)：143-145.

5 唐立文，禹锦绣.SF6断路器低温加热的分析计算[J].电气制造，2013(7)：68-69.

6 全国高压开关标准化技术委员会.GB 1984—2014高压交流断路器[S].北京：中国标准出版社，2015.

7 全国锅炉压力容器标准化技术委员会.GB50—2011压力容器[S].北京：中国标准出版社，2011.

2016-09-28。

范钦晓(1982-)，男，工程师，主要从事高压开关设备研发工作，email：gangling_tian@126.com。

田刚领(1977-)，男，高级工程师，主要从事高电压开关设备研发工作。

黄文力(1974-)，男，副教授，主要从事高电压技术研究工作。

朱 科(1974-)，男，高级工程师，主要从事GIS设计研究和科技管理工作。