环网开关柜绝缘气体环保化的研究

汪开龙，陈建新，傅智君，洪亮，汪兴旺，刘宪明，杨健标

（1.浙江冠源电气有限公司，浙江 建德 311600；2.国家电网浙江建德市供电公司，浙江 建德 311600 ；3.浙江开盛电气有限公司，浙江 杭州 310000 ）

环网开关柜绝缘气体环保化的研究

汪开龙1，陈建新1，傅智君1，洪亮2，汪兴旺3，刘宪明3，杨健标3

（1.浙江冠源电气有限公司，浙江 建德 311600；2.国家电网浙江建德市供电公司，浙江 建德 311600 ；3.浙江开盛电气有限公司，浙江 杭州 310000 ）

六氟化硫气体（SF6）一直用作中高压开关和环网开关柜的灭弧和绝缘介质。但由于六氟化硫气体被定为受限制的温室气体，因而在高压开关行业，应尽量减少六氟化硫气体的用量和排放量。开发一种环保型的气体，用以替代六氟化硫，是十分必要的。本文针对环网柜中绝缘气体环保化进行了探讨，对存在的问题进行认定和分析，最终针对相应的问题提出有效的解决方案和解决措施。

六氟化硫；氮气；绝缘气体；环保；环网柜

中高压环网开关设备的需求和发展趋势主要体现在高可靠性、小型化、免维护、智能化等方面。然而对于常规的空气绝缘金属封闭开关设备而言，高可靠性和小型化是相对矛盾的。

为合理解决这一矛盾，需要考虑将裸露的空气绝缘改为封闭空间的内绝缘，这是一种很好的思路,既能兼顾高可靠性，又可以实现小型化。基于这一理念,很多企业推出了以六氟化硫气体（SF6）作为封闭气箱绝缘介质的六氟化硫气体绝缘开关设备。该设备一经推广，立即受到了广泛应用和认可。但由于六氟化硫气体被定为受限制的温室气体，因而在高压开关行业应尽量减少六氟化硫气体的用量和排放量。此，开发一种环保型的气体，用以替代六氟化硫是十分必要的。

1 气体环保化的研究

1.1 各类气体的比较

在可选择的环保型气体中,主要是氮气（N2）和空气。空气的成分包含氮气、氧气和水分，其中氧气、水分对电气设备的电接触绝缘具有氧化和腐蚀作用，对电弧具有无法隔离和熄灭的隐患，如果将空气中的氧气、水蒸气等成分去除，剩下的就是氮气，因此选择氮气作为环网开关柜的环保型绝缘气体是一个不错的选择，表1是几种气体的物理特性比较。

由表1可以看出，氮气在热传导、绝缘性方面比六氟化硫略差，因此使用氮气作为绝缘气体时，应综合考虑环网柜结构的合理布局和优化设计。

1.2 氮气的击穿强度研究

在一些不是很均匀的电场中，六氟化硫的耐电强度相对要高很多，比干燥的空气和氮气的耐电强度要高出1.5～2倍。因为这一特性，六氟化硫气体的击穿电场得到很好的模拟，并广泛应用于很多低压力和高压力气体的设计中。

氮气和空气的耐电强度相比基本一样。在进行击穿试验时，一般采用的都是棒—棒或者是棒—板电极，在特定的大气压强度下进行。氮气的强度相对于空气有以下偏差：进行试验的电极棒的直径相差10～60mm，两电极间的净距偏差为10～100mm。根据实验的结果，氮气和空气的相对强度偏差在0.85～1.25左右。所以在进行氮气绝缘环网柜的设计时，所达到的击穿电场强度就可以按照空气击穿电场强度，根据经验式进行大致的计算，并把0.85作为绝缘裕度系数。这样可以估算出空气在绝缘的条件下，常见的开关柜中所遇到的圆柱间以及圆柱对板的击穿电场强度，这就是经验式：

表1

式中：Eb表示击穿电场强度，国际单位是kV／m；r表示电极的半径，国际单位是m；δ表示一个标准大气压下的相对气体的密度。

将相关参数带入计算公式：

由于氮气和空气之间具有相对电气强度，取最小偏差0.85作为绝缘裕度系数，通过计算公式可得，击穿电场强度为：0.85×3840kV/m=3264kV/m，这个结果满足氮气的绝缘条件。

1.3 氮气的耐电强度研究

在均匀或稍不均匀的场中,氮气的击穿强度与电气间隙距离有关，电气间隙距离越大，耐电强度越好,经过试验分析,如图1所示。

图1

1.4 气压对氮气电性能的影响

在一些特定的冲击电压的作用下，比如工频、直流以及雷电。在均匀的或者是不太均匀的电场中，在一定的范围内，氮气的耐电强度和气压基本上呈线性关系。这个规律在不均匀的电场中却不适用，氮气在极不均匀场中，在直流或者是工频电压的作用下会出现驼峰现象；但是在冲击或者是快速而短暂的电压作用下，氮气的击穿电压与气压也呈基本的线性关系。在设计环网柜时，一般采用的都是均匀场，或者是稍不均匀的电场，所以我们可以认为氮气和气压基本上呈现线性关系。再依据前面所提到的计算式，我们就可以大致估算，在环网柜结构合理的情况下，用氮气取代纯六氟化硫需要的气压值。试验分析表明，在真空的内部灭弧结构中，可以很好地减少对氮气的气压值限制，只要采用微正压就可以实现结果。

2 结语

通过特定的结构设计以及合理的充注氮气，在12～24 kV的电压等级下，我们通常采用低压力下的氮气绝缘作为主要部分，局部采用的是复合绝缘，这样就可以实现环网柜绝缘气体的环保化，即采用环保绿色无污染的氮气替代难分解温室效应显著的六氟化硫气体。

（1）把氮气当做绝缘的介质，绝缘的设计是环网柜研制的重点环节。我们需要优化电极形态，合理布局来实现这一要求。考虑到不同部位绝缘可能失效的方式不同，因此绝缘结构的优化设计需要因结构而异。

（2）采用复合绝缘是降低氮气介质内电场强度的有效方法，但是要想有效降低把氮气作为介质的电场强度，需要有一定厚度以及强度的复合绝缘层。

（3）在绝缘的纯氮气中，我们需要特别注意如何选择母线的直径。相对较大的直径，可以使得绝缘几何特性的系数之间的间距得到降低，这样可以得到相对比较低电场的不均匀系数。所以氮气绝缘柜需要保证电场的不均匀系数为2～3，这样获得的绝缘距离较小，柜体尺寸得到较低。

（4） 采用真空和屏蔽环的方式是降低氮气介质内电场强度，实现断口绝缘水平的有效途径。由于断路器特有的结构特点，所以当开关在分闸的位置，气室中的高压导体可以中断隔离的断口，这就导致了断口处的电场比较集中，绝缘也就很薄弱。在12kV的电压等级之下，氮气在绝缘中，如果采用的是传统的六氟化硫气体，绝缘环网柜的断口处的闸刀形式，就会需要比六氟化硫大很多的气体绝缘的空间尺寸，这样就不能实现使得六氟化硫气体绝缘环网柜具有相似的尺寸。

[1]严璋，朱德恒.高电压绝缘技术[M].北京：中国电力出版社，2007:148.172.

[2]邓云坤，肖登明，陈炯. CF3l-N2混合气体作为六氟化硫替代气体用于GlS／C—GIS的绝缘性能分析[J]. 高电压技术，2013,39(9):2288-2293.

[3]邱毓昌. GIs装置及其绝缘技术[M]. 北京：水利电力出版社，1998:10-16.

[4]D.P. Bernardon，G. Iop, M.D. Gundel，J. Fernandes，A realtime operation analysis system for distribution networks，Electric Power Systems Research, In Press, Corrected Proof, Available online，2015-4-10.

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