空气绝缘的优化设计

摘要：本文以72.5 kV HGIS空气绝缘设备为例，深入研究了空气绝缘的优化设计。本文通过对CO2、N2、干燥空气的绝缘特性进行比较分析，设计出一种新型72.5 kV单断口真空断路器和HGIS样机。本设备不会产生温室效应气体或者无毒污染气体，促使高压开关设备具有了环保性能，有助于环境的绿色可持续发展，具有重要意义。

关键词：72.5 kV；HGIS；空气绝缘；优化设计

当前我国输变电设备行业亟待解决的一大重要问题，就是对SF6的利用和排放进行有效减少或者杜绝。针对SF6，德国电力企业对其深入评估了它在开关设备全寿命过程的情况，即便严格根据IEC标准来有效管理SF6，在实际生产和运用过程中，还是至少会有20%的SF6排放在大气中，严重污染环境。尤其是部分安装工作人员在现场进行检修过程中，因自身缺乏环保意识，常常会忽略回收SF6，导致出现向大气中随意排放SF6，对周边环境造成极为严重的污染后果。因此，当前我国电力设备制造企业的一大研发热点，就是无SF6环保气体充气绝缘开关设备。为对SF6避免使用，中压配电开关设备制造领域可以选择以下两种方法，即：其一，选用N2、干燥清洁空气等环保气体，或者选用其他类型的环保型绝缘气体，以取代SF6，相应地，电流开断主要对真空熄弧技术进行利用，常将其称为环保气体绝缘开关设备；其二，将气体绝缘介质被替换为固体绝缘，电流开断主要对真空熄弧技术进行利用。常将其称为固体绝缘开关设备。针对以上两种技术，它们均具有自身的独特优势。因为固体绝缘开关设备的结构非常紧凑，无需监测气压，所以当一些场合中的额定电流等级、环网柜不太高时，选用固体绝缘开关设备是比较合适的，当一些场合中额定电流等级较高时，选用环保气体绝缘开关设备是比较合适的。本文以空气绝缘的72.5 kV HGIS设备为例，深入研究了空气绝缘的优化设计，具有重要意义。

1 环保气体绝缘开关设备的基础

迄今为止，在我国开关柜系统中广泛使用了SF6绝缘气体。不过SF6这种气体在使用过程中，常常会导致全球变暖现象的发生。为能够对SF6绝缘气体的使用量进行有效降低，在最近几年中，很多专家均对其进行了大量的深入研究。不过到目前为止，仍未找到在高压领域中可以取代SF6的一种绝缘气体，特别是能够用作开断介质的一种绝缘气体。而在中压领域中，随着真空开断技术的出现和不断发展，促使绝缘气体用于开关设备的绝缘介质变成了一种可能。在当前发展背景下，本文深入研究了N2、CO2、干燥空气在各种气压条件中的绝缘性能，同时成功将N2、干燥空气作为中压开关设备的绝缘气体，并将其投入到72.5 kV HGIS产品中进行使用，获取比较好的效果。

1.1 N2、CO2、干燥空气的绝缘性能

和N2、CO2相比，干燥空气的绝缘性能更高一些，特别是当气压大于0.05MPa时，在N2、CO2、干燥空气这3种气体中，绝缘性能最低的就是CO2。针对N2、干燥空气，二者的绝缘性能在O2的影响作用下有所提高，当气压小于0.05MPa时，和N2、干燥空气相比，CO2的雷电冲击耐受电压高更高一些。

通过以上深入分析，同时因CO2气体的温干燥空气能够作为中压CGIS的绝缘介质，所以通过利用电场分析软件，对其进行进一步优化。通过分析和优化母线形状，能够有效优化环保气体绝缘开关设备的设计，对电场设计进行有效优化，以有助于设备绝缘性能的有效提高。

1.2 绝缘结构模块化技术的深度开发

随着我国开断技术水平、高压元件插接技术水平的不断提高和绝缘结构的不断改进，空气绝缘结构变得越来越灵活、统一、简单化。积木式結构主要组成基本模块，包括隔离开关气室、断路器气室。而以上基本模块在通过有效组合或者派生后，便会形成单母线、双母线和他柜型。且不同气室是互相独立，互不影响的。根据对上述文中模块的设计和开发，72.5 kV HGIS绝缘设备的电气主接线，如下图所示。

72.5 kV HGIS 绝缘设备的电气主接线图

2 环保气体绝缘开关设备的特点和性能

在维修传统敞开式开关设备（AIS）时，一定要对断路器的维护检修、拆卸进行全面考虑，因此在整个安装过程中，便会出现差异现象，出现局部故障问题或者过热现象。实际上，在维护AIS过程中，危险事故的发生概率是非常高的。对于传统AIS设备，它并非属于免维护产品，这种产品的可靠性比较小。对于环保气体绝缘开关设备，因为选用了密封设计，不会影响海拔和周边环境，无论在何种环境中，均可以选用环保气体绝缘开关设备。另外，因为真空断路器的使用寿命比较长，所以无需对其进行检修，因此环保气体绝缘开关设备属于免维护产品，具有很多优点，如可靠性较高、操作安全性较高、使用寿命长等。和传统开关设备相比，环保气体绝缘开关设备的占地面积偏小，使用的材料不多，具有很多优势，所以环保气体绝缘开关设备的发展趋势。

3 小结

本文以72.5 kV HGIS空气绝缘设备为例，深入研究了空气绝缘的优化设计，得出以下结论：

（1）通过对CO2、N2、干燥空气进行绝缘性能试验后发现，和CO2、N2相比，干燥空气的绝缘性能更好，能够作为环保气体绝缘。

（2）通过进行进行绝缘优化设计，成功开发出72.5 kV HGIS绝缘设备。

（3）环保气体绝缘开关设备不需要运用充气装置和SF6，不会产生有毒的电弧分解物，便于维修。

参考文献：

[1]雷鹏.SF6开关设备的微量水分及现场处理[J].高压电器，2017（01）.

[2]漆振侠.我国进口SF6开关设备调查综述[J].华中电力，2018（S1）.

作者简介：宋方龙（1988），男，宁夏人，大专，助理工程师，研究方向：工业电气。