中压环保型气体绝缘开关设备的设计
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福建中能电气有限公司的研究人员陈晶华，在2019年第1期《电气技术》杂志上撰文指出，SF6是一种优良的绝缘以及灭弧介质，广泛被应用在柜式气体绝缘金属封闭开关设备中。但其是温室效应气体，而且在灭弧时会产生有毒气体，因此需要开发和使用环保型气体作为SF6的替代气体。在中压开关柜领域，采用真空开断技术和使用环保型气体绝缘的技术日趋成熟。
本文分别对N2、CO2、干燥空气等替代气体进行对比分析，结果表明N2和干燥空气可以作为绝缘介质应用在12kV中压领域的环保型充气柜中。同时，本文还对环保型充气柜的隔离断口距离和对地距离的进行设计确定，并确定如何提高气隙中的击穿电压。
柜式气体绝缘金属封闭开关设备（C-GIS）一般被称为充气柜，其将真空断路器、高低压进出母线、三工位开关等高压元件封闭在充有相对压力为0～0.1MPa气体的金属壳体内。充气柜有以下优点： ①利用气体绝缘，极大地缩小了开关柜的体积和占地面积；②高压元件被封闭在充满绝缘气体的气箱内，不受外界环境影响。
充气柜中的绝缘介质通常采用六氟化硫（SF6）气体。SF6的优点是耐电强度高、灭弧能力强、无毒及化学性质稳定，是一种优良的绝缘及灭弧介质。SF6的缺点是温室效应严重，全球变暖潜能值是23900，而且SF6的化学性质稳定，可在大气中存在3200年以上，排放到大气中基本不会自然分解。
但在过去数十年中，全世界进行了大量的探索和研究，还没有发现或发明一种气体能在绝缘强度、灭弧性能及化学稳定性等方面全面替代SF6。但在12～40.5kV的中压领域，由于可以采用真空开断，所以仅需找到一种能在耐电强度，化学稳定性等方面能替代SF6的绝缘气体即可。
本文通过中压环保型气体绝缘开关设备的设计，对绝缘气体的特性进行对比，提出制作干燥空气的方法，提出提高气体气隙中击穿电压的方法，设计了12kV干燥空气绝缘环网柜。
1 绝缘气体的选择
不考虑开断性能的话，N2、CO2和干燥空气可作为SF6替代气体。通过查找有关资料，CO2绝缘性能最低，且是温室气体。N2和干燥空气的绝缘性能都约为SF6的1/3。
表1对SF6、N2及干燥空气的特性进行对比。N2及干燥空气为非温室效应气体，沸点低，正常使用时不用考虑其液化问题，可在高寒地区使用。干燥空气的导热性能较好，N2的比热较高。
表1 SF6、N2及干燥空气的特性对比
N2是空气的主要成份，化学性质稳定。空气中N2含量过高，会引起缺氧窒息。因此在采用N2绝缘时，应使用通风及防护设备。采用干燥空气绝缘则不必使用通风及防护设备。
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于干燥空气绝缘的开关设备危害较小。
综上所述，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，产生的金属微粒对于干燥空气绝缘的开关设备危害较小。
2 干燥空气的制作
绝缘用干燥空气需符合ISO 85731或GB/T 13277.1《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。
需要充灌78%N2+21%O2+1%He，充灌后混合气体压力为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 干燥空气下对地距离及隔离断口距离
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。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。
提高气体气隙中击穿电压有两种方法：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。
改善电场分布的方法有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
图2 动触头
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SF6，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。
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）通过对N2、CO2，干燥空气等替代气体进行对比分析，得出结论，即干燥空气具有较好的绝缘性能和导热性能，设备生产及维护过程中可以不使用通风及防护设备，是理想的环保型气体绝缘介质。
2）本文介绍了干燥空气的制作方法，可通过干燥空气发生装置或用工业用N2和O2按比例合成。
3）在10kV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。