環(huán)保型空氣絕緣高壓開關(guān)柜研究

楊愛璜 海龍

摘要：電氣絕緣領(lǐng)域要求所應(yīng)用的絕緣氣體具有優(yōu)異的絕緣和滅弧性質(zhì)，化學(xué)和物理性質(zhì)穩(wěn)定的SF6氣體便得到了廣泛的運(yùn)用。但SF6有著促進(jìn)溫室效應(yīng)的缺點(diǎn)，而近些年隨著溫室效應(yīng)不斷加劇，環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)的研制迫在眉睫。本文對比分析了三種氣體的主要物理特性，提出了一種環(huán)新型保型空氣絕緣開關(guān)柜，并在麗江市開展了試點(diǎn)應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)該類型開關(guān)柜不僅能夠減少絕緣氣體對環(huán)境的污染，而且還可以降低設(shè)備的運(yùn)行檢修工作的復(fù)雜程度也使得供電變得更加可靠。

Abstract： In the field of electrical insulation， SF6 gas with stable chemical and physical properties has been widely used because of its excellent insulation and arc extinguishing properties. However， SF6 has the disadvantage of promoting greenhouse effect. In recent years， with the increasing greenhouse effect， the development of environmental protection gas insulated switch is imminent. This paper compares and analyzes the main physical characteristics of the three gases， and puts forward a new type of environmental protection air insulated switchgear， and carries out the pilot application in Lijiang City. It is found that this type of switch cabinet can not only reduce the environmental pollution caused by insulating gas， but also reduce the complexity of equipment operation and maintenance， and make the power supply more reliable.

關(guān)鍵詞：SF6;溫室效應(yīng);環(huán)保型氣體絕緣開關(guān);供電可靠性

Key words： SF6;greenhouse effect;environmental protection gas insulated switch;power supply reliability

中圖分類號：TM591? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）31-0162-02

0? 引言

隨著“兩型一化”政策在國家電網(wǎng)中的不斷推進(jìn)和實(shí)施，以及環(huán)境的要求限制，電網(wǎng)一次設(shè)備的建設(shè)逐漸向著結(jié)構(gòu)緊湊型、環(huán)境友好型、無人值守型的方向推進(jìn)[1]。與此同時隨著“智能、綠色電網(wǎng)”概念的提出、政策的制定、具體工作的推進(jìn)，環(huán)境友好型的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)理念深植于電網(wǎng)發(fā)展的各方各面。為此國家電網(wǎng)公司近年來針對發(fā)電側(cè)、輸電側(cè)、配電側(cè)和用電側(cè)的設(shè)備環(huán)境友好型技術(shù)變革，進(jìn)行多次重大技術(shù)革新。特別是針對配網(wǎng)側(cè)廣泛應(yīng)用的開關(guān)柜，在進(jìn)行小型化和緊湊化設(shè)計的同時，減少電力行業(yè)對環(huán)境的污染，電網(wǎng)技術(shù)不斷更新進(jìn)步的同時自然環(huán)境也能夠不受影響。

1? 高壓開關(guān)柜發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 傳統(tǒng)高壓開關(guān)柜缺陷

高壓開關(guān)柜通常是指3.6～40.5kV交流金屬封閉開關(guān)設(shè)備，在配電網(wǎng)絡(luò)中扮演重要角色。傳統(tǒng)高壓開關(guān)柜中的絕緣介質(zhì)主要使用的是常見的復(fù)合絕緣材料或者普通絕緣氣體，這些絕緣介質(zhì)扮演著接受并分配電網(wǎng)三相電能的重要角色[2]。近年來由于SF6優(yōu)良的絕緣特性和滅弧性能，傳統(tǒng)高壓開關(guān)柜一般都選用SF6作為絕緣氣體。

常溫狀態(tài)下，SF6呈現(xiàn)氣體狀態(tài)，性能很穩(wěn)定，不易發(fā)生化學(xué)變化。是一種透明狀、沒有氣味、無毒性且不易燃燒，具有良好絕緣強(qiáng)度特性、很高的耐壓特性、很強(qiáng)的滅弧特性、很低的離解溫度特性，是近年來在電網(wǎng)中廣泛應(yīng)用的新型絕緣氣體[3，4]。自上世紀(jì)90年代以來，SF6氣體絕緣柜因其運(yùn)行的高度可靠性和顯著的經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)勢得到了蓬勃發(fā)展。然而，造成地球變暖、冰川面積減小、海平面升高的一個主要原因就是SF6氣體的排放，雖然CO2在6種主要溫室氣體占比60%，SF6僅為0.1%。但SF6氣體自然降解周期長，其溫室效應(yīng)潛能值約為CO2的2.4萬倍[5]。電力行業(yè)所排放的SF6約占大氣中其含量的一半，其中開關(guān)設(shè)備的排放量占比最大，僅我國電力開關(guān)行業(yè)的SF6氣體年排放量都不少于107kg。

2013年11月國家發(fā)改委編制了《中國電網(wǎng)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南》，要求各電網(wǎng)相關(guān)部門嚴(yán)格控制CO2和SF6的排放，制定標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格把關(guān)。因此，環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的研制成為開關(guān)電器領(lǐng)域重要的研究課題。

1.2 環(huán)保型絕緣氣體的選擇

僅考慮絕緣特性的話，在開關(guān)柜中SF6可以被N2和干燥空氣所代替。查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料可知，SF6的絕緣性能是N2和干燥空氣的3倍[6，7]。表1所示為SF6、N2和干燥空氣三種氣體的性能對比分析。其中N2和干燥空氣為環(huán)境友好型氣體，不會對環(huán)境造成惡劣影響。且常溫下都為氣體狀態(tài)，能夠適應(yīng)電力開關(guān)設(shè)備的應(yīng)用要求。

N2是空氣的主要成份，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。雖然N2本身無色無味無毒，但當(dāng)空氣中N2的比例過高時，會使氧氣在人體中產(chǎn)生逆滲透性，嚴(yán)重時可引起缺氧和窒息 [8]。若將N2當(dāng)作絕緣氣體介質(zhì)時，要安裝良好的換氣設(shè)備。如果采用干燥空氣，相應(yīng)換氣設(shè)備則可以省去[9]。對比N2和干燥空氣的特性，干燥空氣的絕緣特性受金屬微粒的影響更小，因此使用干燥空氣作為高壓開關(guān)柜的絕緣氣體性能更加優(yōu)良。

2? 環(huán)保型空氣絕緣開關(guān)柜特點(diǎn)

2.1 技術(shù)先進(jìn)性

環(huán)保型空氣絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備主要有以下幾個技術(shù)優(yōu)勢：①綠色環(huán)保。實(shí)現(xiàn)溫室氣體零排放，開關(guān)設(shè)備達(dá)到使用年限后，材料的二次利用率超過90%。②環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。金屬外殼可將所有的高壓元件密封起來，可以在低溫、潮濕、低壓、污穢等惡劣外界條件下正常使用。③安全可靠性有保障。大氣壓略低于絕緣氣體的氣壓，一般不會出現(xiàn)絕緣氣體的泄露，即便開關(guān)柜氣箱出現(xiàn)意外漏氣，在零表壓時的絕緣強(qiáng)度仍然能夠保證設(shè)備的正常工作;此外通過開關(guān)柜外的金屬接地，能夠很好的保障運(yùn)維工作者的安全。④維護(hù)量小。由于高壓開關(guān)柜通過金屬密封，外界條件不會影響到氣體的絕緣性能，絕緣不易老化;此外減少了現(xiàn)場測設(shè)保護(hù)氣體泄漏的工作，在設(shè)備整個運(yùn)行周期上降低維護(hù)成本。⑤體積小。環(huán)保型空氣開關(guān)柜保持了柜體尺寸小，占地面積小的優(yōu)點(diǎn)，21世紀(jì)初期，我國開關(guān)設(shè)備制造業(yè)開始研究相關(guān)的環(huán)保絕緣開關(guān)設(shè)備，截至今日，能夠完成試驗(yàn)并正式投入電網(wǎng)使用的企業(yè)還在穩(wěn)步增加。截止2020年6月，已有幾十家研制并通過監(jiān)測，并且已經(jīng)投入大量電網(wǎng)和國防工程中。

2.2 產(chǎn)品簡介

環(huán)保型空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜由獨(dú)立的功能單元（負(fù)荷開關(guān)+隔離接地開關(guān)單元或斷路器+隔離接地開關(guān)單元）單元柜并柜組成。采用全絕緣、全密封型式，將負(fù)荷開關(guān)、斷路器和隔離接地開關(guān)等一次元件密封于以干燥空氣為絕緣介質(zhì)的不銹鋼殼體中，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖1所示。為迎合環(huán)保理念，避免SF6的使用和污染，少量使用環(huán)氧樹脂包覆結(jié)構(gòu)，外形和體積大小上保持與SF6絕緣柜相似，體積不大且便于使用。

柜子的進(jìn)出線均配備相應(yīng)的獨(dú)立開關(guān)單元，減少停電范圍的同時，降低運(yùn)行檢修人員工作的復(fù)雜程度，大大減小了發(fā)生錯誤操作的可能性，同時涉及到線路轉(zhuǎn)供時施工更加容易，保證了施工人員的安全。

3? 環(huán)保型絕緣開關(guān)柜的實(shí)際應(yīng)用

本項(xiàng)目研發(fā)地環(huán)保型空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜，預(yù)期在云南省麗江市10kV花馬街線、10kV清溪線覆蓋的11臺電纜分支箱進(jìn)行10kV緊湊型空氣絕緣固定式高壓開關(guān)柜改造;并在10kV仁和線292號桿段處，進(jìn)行架空線路多分支情況下的具體改造實(shí)施。以達(dá)到分支獨(dú)立停電，減少配電工作拔插電纜頭的繁瑣、復(fù)雜、高危險工作。

3.1 設(shè)備運(yùn)維效率提升

開關(guān)柜更換以后將具有更長壽命、少（免）維護(hù)，按照長壽命、少（免）維護(hù)設(shè)計，完成滿足南方電網(wǎng)最新壽命要求，大幅降低停電維修時間，更緊湊小型，更節(jié)能，按照少（免）維護(hù)技術(shù)規(guī)范構(gòu)筑的配電房，按照差異化運(yùn)維的要求將大大減少麗江電網(wǎng)公司運(yùn)維班組的工作量，進(jìn)而使古城內(nèi)運(yùn)維班組的工作更加精益、有條不紊，提高麗江電網(wǎng)行業(yè)在大眾心中的認(rèn)可度。

3.2 供電可靠性提升

在滿足現(xiàn)階段供電可靠性要求的同時，從長遠(yuǎn)角度來看，使用環(huán)保型空氣絕緣開關(guān)柜更能夠大幅度減少客戶年平均停電時間，提升了涉電公共安全，從而達(dá)到公司在南網(wǎng)《提升供電可靠性暨“185611”停電時間1小時行動方案》當(dāng)中對2020年以前所有的市中心客戶年平均停電時間不超過1小時的要求。麗江古城作為世界著名的旅游城市，人口流量大，文化娛樂消費(fèi)需求高，供電可靠性的進(jìn)一步提高和鞏固，更有利于保障游客的消費(fèi)需求，維護(hù)好麗江古城的美好形象。

4? 總結(jié)與展望

對空氣絕緣型環(huán)網(wǎng)柜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行緊湊化和小型化設(shè)計優(yōu)化，逐步替代SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜，在電網(wǎng)中加大環(huán)境友好型開關(guān)柜的推廣和使用，以及環(huán)境友好型氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜新技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)設(shè)備的生態(tài)友好化和可持續(xù)化。環(huán)保型空氣絕緣開關(guān)柜的使用，在保證原有SF6氣體絕緣開關(guān)柜的優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，還能夠有效的減緩溫室效應(yīng)，同時能夠保證整個電力系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定，提升運(yùn)維效率，對生態(tài)持續(xù)發(fā)展及電網(wǎng)高效發(fā)展均有重大的意義。

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