气体绝缘开关设备关键技术研究及其在糖业中的应用

张 茹，杨津听，汤晏文，周 川，杨彩玲，刘海田，周崇兴

0 引言

随着制糖工业规模化、大型甚至巨型化的发展，对制糖过程电力系统也提出了高电压大电流、高功率、高功率密度的要求。大型糖厂目前的撕裂机、锅炉鼓风机、引风机均采用10 kV启动设备，也就是将原传统供电电压从 400 V提高到万伏级别(10 kV)，根据发电机供电中心范围与直接使用电气设备就地原则。可以减少输电线路损耗 60%，故障率降低60%，同时可以减少铜消耗量及总投资额52%，技术经济效益非常可观[1]。开关设备制造业随着国民经济的迅猛发展，取得了一定的发展，也面临着一定的问题。部分中压开关设备制造企业生产工艺落后。部分中小企业还在使用国内外已接近淘汰的工艺，生产能耗较大，产品附加值较低，产品质量较差，虽然国家尚未强制淘汰，但新的工艺、优良的品质是确保用电安全、提高供电可靠性、降低设备成本必备手段。部分中压开关设备制造企业产品种类单一，抗市场风险能力较差，生产协作性差，是国内中压开关设备制造行业长期存在的问题。因此，积极采用先进的生产工艺、制造技术，形成一定规模的成套中压开关设备能力势在必行。本文研究了FBX型N2或SF6气体绝缘开关设备及其在糖厂的应用效果，以期为糖厂应用提供指导和参考。

1 FBX型气体绝缘开关设备的结构和特点

FBX气体绝缘开关设备是二次配电用的气体绝缘三级封装开关设备，其绝缘气体采用N2或SF6，设备安装在充满N2或SF6气体的金属封闭气室内，不受潮湿、灰尘、污染和鼠虫害等恶劣环境的影响，具有巨大的操作安全性、运行安全性，同时延长设备的使用寿命。FBX气体绝缘开关设备包含如下功能单元：带负荷开关的电缆进线或出线馈电单元、带负荷开关熔断器组的变压器保护单元、带真空断路器的变压器保护单元、无接地开关的直接进线单元、带接地开关的直接进线单元、用负荷开关的母线分断单元、用断路器的母线分断单元、计量单元(空气绝缘)。FBX气体绝缘开关设备的结构为：密封气室：设备中的高压导电部件安装在无毒稳定的惰性绝缘气体中；控制面板与操作面板：控制面板界面设计了清晰的模拟图和组合功能图，确保了操作的安全和可靠；熔断器室：熔断器装入绝缘的熔断器座，熔断器座组装在充气室内；电缆室：电缆连接室适用于全绝缘连接系统、金属封闭的连接系统和部分绝缘的连接系统；真空断路器：三相变压器保护包含一个真空断路器和一个三工位隔离开关进行线路分段和接地。

2 FBX型气体绝缘开关设备关键技术的研究

2.1 充气箱体组装与后盖焊接技术

FBX气体绝缘开关设备生产的关键技术之一是需要将三工位开关、套管、母线等部件，安装进充气箱体。由于N2或SF6充气柜为终身免维护柜，在安装过程中需要严格控制各部件的安装位置，同时，考虑到安装的复杂度，需设计特殊工装方便使用。为防止柜体在运输和使用过程中震动造成的内部故障，需要在箱体焊接以及零件安装过程中保证机械强度，在生产过程中记录和标记做到防护处理，以保证安装质量。充气箱采用2.5 mm不锈钢板材料制作，综合各种焊接工艺技术特点，气箱采用熔化极氩弧焊进行焊接。

采用熔化极氩弧焊焊接不锈钢时，若使用纯氩气作为保护气体，奥氏体会使液体金属的粘度及表面张力较大，产生气孔；焊缝金属润湿性差，焊缝两侧易产生咬边；电弧阴极斑点不稳定，产生所谓阴极飘移现象，使焊缝的成形很差。为解决上述问题，采用氧化性混合气体作保护气体，即在纯氩气中加入少量氧气或CO2气体。焊接厚板时以射流过渡焊接，保护气体的质量分数为 98%Ar+2%O2。由于射流过渡采用较高的电压和电流值，熔池流动性好，故只适于平焊和横焊；焊接薄板时以短路过渡焊接，保护气体的质量分数为97.5%Ar+2.5%CO2。短路过渡时电压和电流值均较低，熔滴短路时会熄弧，熔池温度较低容易控制成形，因此适用于任意位置的焊接。同时，为了保证气箱的焊接质量，避免由于焊接习惯和水平的不同造成焊接质量问题，采用机器人焊接和人工焊接共同完成。

2.2 充气和检漏技术

FBX气体绝缘开关设备是充分利用绝缘气体的绝缘和灭弧性质的电气设备。充气、密封和捡漏技术是FBX气体绝缘开关设备的关键技术[2]。高性能FBX气体绝缘开关设备对漏气率具有极高的要求。漏气率一直是各生产厂家和用户关注的焦点。N2或SF6充气柜年漏气率都在 0.5%以下。开关或断路器使用寿命一般都在30年左右。密封要考虑到密封元件的压缩量、寿命、老化、可靠性方面的因素。当箱体内N2或SF6气体压力下降到大气压力时，似乎内外压力相等，气体不存在泄漏。但从渗透角度考虑，箱体内 N2或 SF6气体浓度显然高于柜外，SF6气体仍向外渗出，反之箱体外空气浓度高于箱体内，空气又将通过缝隙进入箱体内。时间一长，虽然箱体内气体压力仍为大气压强，但气体成分发生变化。N2或SF6气体所占百分比减少，待N2或SF6比例降到40%时，有可能由于绝缘性能下降而导致事故，因此密封问题必须重视。N2或SF6负荷开关普遍采用密封圈来实现气体的动静密封，也有极个别采用不锈钢焊接和密封圈相结合的密封形式；充气柜的密封方式有焊接密封、密封圈密封及金属波纹管密封等。采用了焊接密封，要保证焊缝的气密性，一般焊接设备和焊接技术达不到要求，至少要用氩弧焊或激光焊接设备进行焊接，以保证焊接质量。常用的N2或SF6气体检漏方法有2种：一是定性检漏即查漏点：二是定量检漏即密封24 h后测量密封容积内的气体浓度来推算年泄漏率。另外还要考虑环境因素对密封性能的影响，如高温或低温条件下密封性能是否满足要求。

2.3 局部放电检测技术

在有气体或液体的固体电介质中，当击穿场强的气体或液体的局部场强达到其击穿场强时，这部分气体或液体开始放电。局部放电一般是由于绝缘体内部或绝缘表面局部电场特别集中引起的。通常这种放电表现为持续时间小于l μs的脉冲[3]。

这种放电以仅造成导体间的绝缘局部短路桥接而不形成导电通道为限。每一次局部放电对绝缘介质都会有一定的影响，轻微的局部放电对电力设备绝缘的影响较小，绝缘强度的下降较慢；而强烈的局部放电，则会使绝缘强度很快下降。这是使高压电力设备绝缘损坏的一个重要因素。因此，设计高压电力设备绝缘时，要考虑在长期工作电压的作用下，不允许绝缘结构内发生较强烈的局部放电。对运行中的设备要加强监测，当局部放电超过一定程度时，应将设备退出运行，进行检修或更换。

局部放电测试主要是为了确定气体绝缘开关设备是否存在放电及放电是否超标，确定局部放电起始和熄灭电压。发现其它绝缘试验不能检查出来的绝缘局部隐形缺陷及故障。局部放电的主要电参量有：局部放电的视在电荷、局部放电试验电压、规定的局部放电量值、局部放电起始电压、局部放电熄灭电压。

当高压电气设备中绝缘体内(如电缆绝缘内部)或高压导体附近在高电压作用下，如果存在缺陷，在缺陷处出现局部放电，也就是在缺陷处会有瞬时的微小电压变化，那么在电气回路中会出现微小的脉冲信号(电压或电流)，此脉冲信号叫放电脉冲信号。放电信号的频谱非常宽，大约从数百赫兹到数百兆赫，放电信号波形很陡、很尖[4]。

一般情况下当电气设备绝缘体内局部区域的电场强度到达击穿场强时，该区域就发生放电。局部区域是指类似于气泡、微孔、气隙和不同介质的界面等，在放电理论中用气体放电机理去分析，气体放电机理分为电子碰撞电离理论和流注理论。在大气中当电极的距离比较大、气压比较高时或绝缘体的表面电阻很高、放电产生的空间电荷累积在气隙两端的介质表面上，使电场集中从而可能产生流注放电；在绝缘内部的气隙，一般都是很薄的，通常都是电子碰撞电离放电，无论是流注放电还是电子碰撞电离放电，其放电脉冲的上升时间都小于 100 ns。

图1 气隙放电等值电路图

气体绝缘开关设备内部气隙发生局部放电时，在放电的瞬间，其等值回路如图1所示。

图中各点电压可用此时工频电压的瞬时值为幅值的直流电压来代替。气体绝缘开关设备测点两端在工频电压作用下，当其两端电压上升到Us(瞬时值)时，绝缘内部气隙发生放电，此时气隙两端的引燃电压为Us。当气隙放电终止，其两端电压下降到熄灭电压Ur，在此放电过程中，气隙两端的电压变化为ΔUc，ΔUc=Us-Ur。由于这个电压变化，使测点两端的电压降低，也就是说Ca要给Cc和Cb补充电荷(在此瞬间，电源还来不及向极板充电)。因 ΔUc所引起测点两端的电压变化 ΔUs可由图 1(c)算得。由图 1(c)可知，r上的电压降应等于气隙 Cc两端的电压Uc，即：

化简得：

这时，电容 Ca对 Cc和 Cb补充电荷时引起 Ca测点两端的电压变化ΔUa为：

Qa=Ca·ΔUa，即为 Ca对 Cc和 Cb所补充的电荷，其等效作用回路可准确地用图1(d)来表示。

由式7可知，气隙在放电过程中，反应在测点两端的电压变化并不是个理想的方波脉冲波，而是一个有一定上升时间(气隙放电时间在 0.01～0.1 μs之间，油隙放电时间或沿面爬电的放电时间为数微秒)的指数脉冲波。这对判断用多大的方波陡度来校正测量系统的刻度系数是很重要。若校正用的方波陡度与ΔUa的陡度相差很大，将引起较大测量误差。

图1是假定在整个气隙内放电的一个理想等值回路。与实际情况会有一定的差距，事实上可能只在气隙内某个局部的位置放电；气隙表面电阻不可能是无穷大，是一个有限数值的电阻；在放电过程中，由于空间电荷的存在，使得放电过程复杂化。由于这些复杂情况的存在，不可能用一个简单的等值回路来详尽地描述出这种微观现象以及产生这些现象的本质。但图1是分析研究局部放电的基本物理模型。

目前，工程上普遍采用脉冲电流法测量局部放电，脉冲电流法测量局部放电的依据是：

式中：ΔU：局部放电产生的电压变化；Cx测点两端电容；Ck：测试回路中的耦合电容；Cd：检测阻抗电容；q：视在放电量。

式中：ΔUd：检测阻抗两端放电电压变化。由式9、式10可以得出视在放电量与检测阻抗两端放电电压变化量的关系，如果能测出 ΔUd，就可以获得放电的视在放电量。从以上2个公式中可以看出，ΔUd的大小与测点两端电容、耦合电容和检测阻抗电容的大小有关。测点两端电容愈大，ΔUd愈小，测得的视在放电量就愈小；耦合电容愈大，ΔUd愈大，测得的视在放电量就愈大；检测阻抗电容愈小，ΔUd愈大，测得的视在放电量就愈大。

2.4 工频耐压测试技术

工频交流耐压试验是考验气体绝缘开关设备承受各种过电压能力最严格有效的方法，通过实验的设备，能够保证安全运行。交流耐压试验的电压形式、波形、频率和在气体绝缘开关设备内部电压的分布，均符合实际运行情况，试验能够有效地发现绝缘缺陷。交流耐压试验在气体绝缘开关设备的绝缘电阻及吸收比测量、直流泄漏电流测量及介质损失角正切值 tgδ测量均合格后进行。如在这些试验中己查明绝缘有缺陷，则应设法消除，并重新试验合格后才能进行交流耐压试验，以免造成损坏。交流耐压试验对于固体有机绝缘来说，会使原来存在的绝缘弱点进一步扩大，使绝缘强度逐渐衰减，形成绝缘劣化的积累。必须正确地选择试验电压的标准和时间。试验电压越高，发现绝缘缺陷的有效性越高，但被试品被击穿的可能性越大，积累效应越严重。试验电压低，使设备在运行中被击穿的可能性增加。

3 FBX型气体绝缘开关设备的特点及在糖业中的应用

糖厂大型电动机普遍使用在相对恶劣的环境之中，根据启动设备就近原则：撕裂机环境潮湿，糖雾易吸附在启动电器设备上，造成设备绝缘等级降低。鼓、引风机易吸入大量煤粉，易产生爆炸和着火，给设备安全运行带来隐患。另一方面糖厂从 3月份以后气温就高达40℃以上，如果在封闭室内气温则高达70℃以上，给设备运行与稳定带来隐患。采用FBX气体绝缘开关设备可帮助解决这些问题。

FBX气体绝缘开关设备是充分利用绝缘气体的绝缘和灭弧性质的电气设备。绝缘气体常用的有N2、SF6、CF4、CF3I、CO2和 C4F7N 等等，以及它们的二元及多元组合，不同的绝缘气体或绝缘气体组合其绝缘和灭弧性质各有不同[4]，但经过精心选择的绝缘气体，其各种指标均比较理想。基于 N2或 SF6的 FBX气体绝缘开关设备的高电压承受能力、大电流分断能力与空气绝缘开关设备相比均有大幅的提升，与传统空气绝缘开关设备相比在空间占用、使用维护、可靠性、使用寿命、安全性、投资等方面都极具优势。

对提高制糖过程电力系统高电压、大电流、高功率、高功率密度最有效的直接手段。目前，应用于制糖行业的撕裂机、球磨机、锅炉鼓、引风机、排粉风机等的拖动电机，单机功率普遍达到和超过0.6 MW；同时随着糖业电力网络的复杂化，还有部份糖厂处在孤网运行，电力系统电压的高压化发展，对开关设备的耐压等级、灭弧能力、大电流分断能力均提出了更高要求。这些要求与FBX气体绝缘开关设备的功能性能恰恰吻合，同时也能给制糖业带来可观的收入。

4 结论

本文对基于 N2或 SF6的 FBX气体绝缘开关设备生产制造过程中的生产实践、质量控制、关键技术等几类问题进行了研究。研究了FBX型N2或SF6气体绝缘开关设备的功能和结构；研究了 FBX型N2或 SF6气体绝缘开关设备的关键技术；总结了FBX型 N2或 SF6气体绝缘开关设备的功能性能特点；总结了与传统空气绝缘开关设备相比较的对比优势；分析了 FBX型N2或SF6气体绝缘开关设备在糖业中应用的可行性、场景。展望未来，N2或SF6气体绝缘开关设备仍将以其多样性和高增长速度在我国各地的糖厂中乃至电网中发挥着越来越重要的作用。