12kV中压环保型气体绝缘开关设备的研究与设计

12kV中压环保型气体绝缘开关设备的研究与设计

贺 腾 1 潘 慧 1 王利婧 2

1山东泰开成套电器有限公司， 山东 泰安 271000

2山东泰开互感器有限公司， 山东 泰安 271000

摘 要：SF₆是一种优良的绝缘灭弧介质，广泛应用于箱式气体绝缘金属封闭开关设备中。但它是一种温室气体，温室效应是CO₂气体的23500倍。因此，开发和使用环保气体作为SF6的替代品是十分必要的。在中压开关柜领域，真空断路器和环保型气体绝缘技术越来越成熟。本文分别对N₂、CO₂、干空气等替代气体进行了比较分析。结果表明，针对12kV充气式开关柜来说，绝缘气体可采用氮气或干燥空气来代替SF₆气体。

关键词：12kV中压环保柜；环保气体绝缘；研究与设计

1 绝缘气体的选择

在不考虑开断性能的情况下，可以用N₂、CO₂和干燥空气替代SF₆。通过查阅相关资料，纯CO₂的绝缘性能是最低的，且是一种温室气体。纯N₂和干燥空气的绝缘性能约为SF6的1/3，绝缘性能较纯CO₂高。

表1对SF₆、N₂及干燥空气的特性进行对比。

N₂和干空气是低沸点的非温室气体，可用于寒冷地区，无需液化。干燥空气的导热性较好，N₂的比热较高。

表1 SF₆、N₂及干燥空气的特性对比

N₂是空气的主要成分，化学性质稳定。空气中N₂含量过高会导致缺氧和窒息。因此，在采用N₂绝缘时，应采用通风防护设备。干燥空气绝缘消除了通风和保护设备的需要。

研究表明，与SF₆和N₂相比，干燥空气的耐压对金属微粒相对不敏感，故在生产过程或使用过程中产生的金属微粒对采用干燥空气绝缘的开关设备危害较小。

综上所述，以干燥空气作为绝缘介质，具有以下优点：①绿色环保；②导热性好；③设备生产及维护过程中可以不使用通风及防护设备；④在生产过程或使用过程中，产生的金属微粒对采用干燥空气绝缘的开关设备危害较小。

2 干燥空气的制作

充气柜内绝缘用干燥空气需符合ISO8573−1或GB/T13277.1《一般用压缩空气第一部分：污染物和质量等级》中规定的质量等级2级标准。可通过干燥空气发生装置，过滤掉大气中的杂质及水分，得到符合标准规定的干燥空气。也可通过人工合成干燥空气，采用工业用高纯N₂和工业用高纯O₂来合成干燥空气。人工合成的干燥空气中含78%N₂、21%O₂及1%He，1%He为示踪气体。根据道尔顿分压定律可知，均匀混合的干燥空气，只要控制组分气体的分压力就可实现。

干燥空气的配合比例及计算方法：

如需配制78%N₂+21%O₂+1%He，充气后混合气体压力为0.3MPa。计算如下：

（1）负压+正压=0.1MPa+0.3MPa=0.4MPa。

（2）N2应充气0.4MPa×78%=0.312MPa，减去负压的0.1MPa，等于0.212MPa，也就是说，将N₂充到0.212MP即可。

（3）O2应充气0.4MPa×21%=0.084MPa，加上N₂的0.212MPa等于0.296MPa。也就是说，将O2充到0.296MP即可。

（4）He继续充灌到0.3MPa，完成充灌。可见，干燥空气制备方便，经济性好。

3 干燥空气绝缘开关柜相对地距离及断口距离设计

单纯以空气作为绝缘介质的金属封闭开关设备，当额定电压为12kV时，相间和相对地的最小空气间隙为125mm。若能够通过凝露试验，则最小空气间隙可适当小于上述规定的距离[3]。因此，在用干燥空气绝缘的开关设备中可适当减少最小空气间隙。为实现环保气体的绝缘性能，可通过以下两种方式实现：

（1）提高气体气隙中击穿电压。方法有2种：①改善气隙中的电场分布，均匀电场；②设法削弱和抑制干燥空气中的电离过程。

（2）改善电场分布。方法有3种：①改善电极形状；②利用空间电荷；③极不均匀电场中增加屏障。电极间电场不均匀系数越低，气隙的最大电场强度也就越小。因此，可以通过改善电极形状的方法来减小气隙中的最大电场强度，以改善电场分布，提高气隙的击穿电压，如图1所示，出线母线选用圆形母线，相对同等截面的铜排，电场不均匀系数更低，从而减小最大电场强度。

图1出线母线

如图2所示，动触头采用R角铜排，边缘导圆角，消除表面尖角。开关上的钣金件，均需消除表面毛刺及表面尖角。

气箱内表面焊渣和带电体表面尖角均会导致电场集中，故均需清除。

在极不均匀电场中，放入绝缘板，在一定条件下可以显著提高间隙的击穿电压。绝缘板能拦住与电晕电极同号的空间电荷，这样就能使电晕电极与绝缘板之间的空间电场减小，使得气隙电场分布均匀。如图3所示，本充气柜在相间及相对地间的气隙间加入绝缘板，可显著的缩小相间及相对地的绝缘距离，从而缩小气箱深度。

图2动触头

图3三工位开关

削弱和抑制干燥空气中的电离过程的方法有3种：①高气压的采用；②高真空的采用；③高电气强度气体的采用。高气压及高真空对气箱强度要求高，且容易发生泄漏。常用的、能工业化应用的高强度气体就是SF

₆，其他替代气体（PFC气体、CF3I气体）仍未工业化。

综上所述，在本充气柜的设计中，提高气体气隙中击穿电压主要采用的方法为改进电极形状、极不均匀电场中增加屏障。

另外，需控制气箱内干燥空气的微水含量，水分过高，容易发生凝露，导致局部电场集中，绝缘件表面发生沿面闪络，故气箱内绝缘件需烘干，消除水分对沿面绝缘的影响。

通过上述措施，经过反复绝缘实验，在零表压下，得到的最小空气间隙为：圆形母线相间、相对地80mm；隔离断口105mm，可以保证相间及相对地的工频耐压可以达到42kV/min，雷电冲击可以达到75kV。隔离断口工频耐压可以达到48kV/min，雷电冲击可以达到85kV。

结束语

本文介绍了中压环保型气体绝缘开关设备的设计及相关问题，总结如下：

（1）通过比较分析氮气、二氧化碳、干燥的空气和其他气体,结论是：干燥的空气有更好的绝缘性能和热导率,变电室内无需安装通风和保护设备，减小运维过程中的设备维护,因此它是一个理想的环境友好型气体绝缘介质。

（2）本文介绍了干燥空气的生产方法，干燥空气可以通过干燥空气发生器合成，也可以通过工业用N₂和O₂的比例合成来合成。

（3）在 12kV 环保型充气柜设计中，在微正压（相对压力 0.01MPa）干燥空气下，提高气体气隙中击穿电压的两种方法是，改进电极形状和极不均匀电场中增加屏障。

参考文献

[1]张交锁.中压环保型气体绝缘开关设备的实现及关键技术[J].中国电业:技术版,2014(6):35-38.

[2]崔文军,张交锁.无SF6气体绝缘开关设备中干燥空气作为绝缘介质的使用[J].高压电器,2016(12):221-226.

[3]DL/T404—2007.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备[S].

[4]钱立骁,陈慎言.12-24kV氮气绝缘环网柜的研制[J].高电压技术,2014,12(12):3717-3724.

[5]陈波,许爱东,韩利群,等.环保气体绝缘金属封闭开关设备研究现状及发展动向[J].科技创新与应用,2017(3):1-3.