220 kV瓷柱式SF6断路器加热保温装置设计及应用

李东旭，蔡利忠，莘尚军，李树鹏，杨明月

（锡林郭勒电业局，内蒙古 锡林浩特 026000）

0 引言

六氟化硫（SF6）断路器已广泛用于超高压大容量电力系统中，具有灭弧性能优异、运行可靠及长期免维护等优点[1]。但由于北方冬季天气寒冷，SF6断路器气室裸露在大气中，当环境温度低于-15℃时，SF6断路器气室压力急剧下降；环境温度低于-25℃时，SF6气体会出现液化现象，导致断路器告警，甚至出现压力闭锁、无法分合闸情况，影响电网安全稳定运行。

锡林郭勒电业局所辖部分变电站瓷柱式SF6断路器由于加热保温装置结构设计不合理、运行维护不及时等问题，造成了加热装置功率不足、气室易腐蚀漏气、保温性能较差等现象，对此，设计了一种220 kV瓷柱式SF6断路器加热保温装置，可避免断路器在冬季寒冷天气条件下频繁告警及闭锁现象。

1 SF6断路器故障概况

内蒙古东北部地区出现大雪天气后，气温急剧下降，锡林郭勒电业局所辖变电站多地发生瓷柱式SF6断路器告警或闭锁故障，仅1月发生告警故障6台次，闭锁故障30台次，严重影响了变电站的安全运行。发生告警及闭锁现象的主要原因为断路器未加装保温装置，其气室均裸露于大气环境中，环境温度过低，导致气室压力低于报警和闭锁的限定压力值[2]。图1为瓷柱式SF6断路器在不同气压下允许的最低工作温度[1]，可以看出，当温度逐渐降低时，断路器气室气体液化临界压力逐渐降低，当气体压力高于该温度下液化临界压力时即出现气体液化现象[3]。

图1 瓷柱式SF6断路器在不同气压下允许的最低工作温度

2 瓷柱式SF6断路器传统加热方式存在的问题

瓷柱式断路器由灭弧室瓷套、支柱瓷套、操动机构、支撑架等组成。灭弧室瓷套下方是支柱瓷套，2个瓷套相通充满SF6气体。一般瓷柱式断路器瓷套长度在2 m左右，外壁材料为高强度陶瓷。为了保持瓷柱式断路器的绝缘距离和陶瓷的机械性能，瓷套外壁不能包裹导电加热装置[4]。

瓷柱式SF6断路器的加热方式与罐式SF6断路器有很大差别，一般采用马蹄形结构加热、换气式加热方式。马蹄形结构加热是在瓷套底部对其金属壳体进行包裹加热，但因其热利用率低、散热过快等缺点，该加热方式逐渐被淘汰；换气式加热方式是在断路器外部加装SF6气罐，通过加热外部SF6气罐，气体循环加热内部SF6气体，该方法安装难度较大，在现场复杂的工况下更是难以实施，会造成不必要的安全隐患。

3 新型加热保温装置设计

针对传统加热装置存在的问题，根据瓷柱式SF6断路器的结构特点，设计了220 kV瓷柱式SF6断路器加热保温装置，结构如图2所示，包括3个主要装置：加热控温装置、保温箱体、防雨雪顶棚。

3.1 加热控温装置

图2 瓷柱式SF6断路器气室加热保温装置结构示意图

加热控温装置为本文设计的重点，加热器、加热带数量、安装位置、加热功率、加热时间等因素，均会影响整体装置的保温效果。现场220 kV瓷柱式SF6断路器气室本体上端为瓷套，下端为压力表。对此，在保证原设备正常运行的条件下，进行加热控温装置设计。

3.1.1 加热器

加热保温装置共安装3组JRD2-3铝合金加热器（电压为AC 220 V，功率为100 W），SF6气室本体及支撑钢筋上均缠绕多组DXW防爆伴热带（电压为AC 220 V），伴热带的长度可以根据现场断路器结构灵活选取[5]。

3组铝合金加热器采用“三孔插排口”的排列方式（见图2），固定于气室本体下端，由于JRD2-3铝合金加热器主要通过顶端的铝合金翅片散热，热气流易上升扩散，所以安装于气室本体下端，便于快速调节气室SF6气体温度；在气室本体及四周固定钢筋加装伴热带，目的是在铝合金加热器升温过程中，减少与周围冷空气的对流温度损失，使得保温箱内部快速加热，且达到长时间的保温效果。

3.1.2 温控装置

选取YITAI-2双通道智能温控仪作为控温设备（见图3），该温控仪同时配接2路Cu50热电偶传感器（-50～150℃）进行温度监测，具有自整定模式和PID调控模块，实现双路监测、报警及PID控制，具体参数信息如表1所示。

图3 YITAI-2双通道智能温控仪正视图

表1 温控仪参数

3.1.3 控制电路

YITAI-2双通道智能温控仪包含2路独立温度监控电路，分别控制铝合金加热器和伴热带，可分别设置2路加热装置启和停的温度限值，其电气控制连接示意图如图4所示。

图4 温度控制电气连线示意图

设置伴热带加热的起始温度为-5℃，铝合金加热器的起始温度为-15℃，箱体内温度维持在-15～-5℃，即当箱体环境温度过低时（如箱体内部环境温度为-30℃），2个加热装置同时加热，达到快速升温的效果；当温度逐渐升高到目标温度区间时，由伴热带加热保温，经济性较好且箱体内部温差波动较小。

3.2 保温箱体

保温箱体既是防止温度流失的屏障，又是内层结构的保护壳，其外层箱体由不锈钢体焊接而成，具有较强的抗冲击性，防水防潮。箱体上端开孔，便于气室上端瓷套伸出、内部潮气扩散，防止内部电气设备断路；不锈钢壳体内层有防火保温硅胶棉，具有良好的保温和防火效果。

箱门上设有开关和玻璃监测窗，可不打开箱门观测内部电气设备、温控仪以及压力表的运行状态及相关参数。

3.3 防雨雪顶棚

在保温箱体的顶端安装防雨雪顶棚，能够有效防止雨雪及重物对箱体的冲击，以及积灰、积水对箱体的腐蚀，有利于加热保温装置的经济运行。

4 现场测试及效果

选择告警及闭锁故障较频繁的锡林浩特变电站内断路器进行加热保温装置测试，试验结果如图5所示。

图5 现场试验结果曲线

每天记录SF6气室压力的时刻为22：00、23：30、次日01：00、02：30，每天监测4次（间隔1.5 h），1月26日、27日未加装保温箱，由图可知，由于气温逐渐降低，SF6气室压力逐渐下降，并出现告警及闭锁事故；28日加装保温箱后，气室压力保持在0.55 MPa以上，且随着环境温度的不断变化，保温箱内部能够自适应调节温度，气室压力保持在一定范围内，有效保障了断路器的稳定运行，解决了断路器由于低温频繁告警、闭锁问题。

该加热保温装置可用于低温环境下运行的断路器，应用成本低，具有较好的推广价值。