摘 要：本文通过对SF6气体的液化温度的计算，分析比较不同额定气压下SF6气体的液化温度，并通过试验得出不同气温下防止126kVGIS断路器液化的加热功率，提出断路器加热结构的新型设计，讨论新型设计对GIS运行可靠性的影响。

关键词：组合电器；防止液化；电加热结构

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.176

1 引言

气体绝缘金属封闭开关设备（以下简称GIS组合电器）对于电网而言，是重要的输变电设备之一，其安全可靠性对电网的安全运行至关重要。

现在国内日趋发展的城市化建设，对输变电设备的小型化设计尤为突出。尤其体现在GIS组合电器上，如上海、江苏等电网公司，由于GIS室面积小，间隔间距普遍要求在1米以内，更有甚要求做到0.8米。这对GIS组合电器来说，要有更小型化的设计，突出的设计要求就是GIS组合电器内部的导体绝缘距离缩小。绝缘距离的缩小，就要连带SF6气体气压尽可能的高。但是高压力SF6气体在极寒地区使用易液化，这对设备的绝缘是致命的，严重的会影响GIS组合电器的安全运行。

基于此原因，现亟需设计一款新型的加热装置安装于断路器内，具有结构简单、安装方便、成本低廉以及较高的运行稳定性特点，并满足于户外不同低温气候设备的运行要求。

2 SF6气体的绝缘性能

SF6气体无色、无味、无毒，化学性质稳定，不易分解，热稳定性极高。SF6气体是优良的绝缘介质，其分为气态、液态及固态。液态、固态时，绝缘灭弧性能几乎为零。在均匀电场中，SF6气体绝缘性能极高，其气体间隙越大，压力越大，绝缘性能越好，在均匀电场中，他的击穿场强是空气的3倍[1]。但SF6气体压力增加到0.6MPa以后，压力增高，绝缘性能增加量减小，即超过0.6MPa后，再增加SF6气体压力，不利于GIS组合电器厂精益化生产。本文以某GIS厂126kVGIS组合电器额定气压为0.6MPa为例。

3 SF6氣体的液化温度

现典型的计算SF6气体压力与温度的关系，可使用Beattie-Bridgman经验公式[2]：

P=0.58×10-3γT（1+B）+γ2A

A=0.764×10-3（1-0.727×10-3γ）

B=2.51×10-3γ（1-0.846×10-3γ）

式中 P—压力，kgf/cm2（绝对压力）；

γ—密度，kg/m3；

T—温度，K。

由此可计算出SF6气体在0.6MPa时的液化温度为-26℃，0.5MPa时的液化温度为-31℃，0.4MPa时的液化温度为-36℃。

4 极寒地区防止SF6气体液化的设计与分析

目前用于高海拔地区的126kVGIS组合电器设备，各生产厂家的设计方案主要采用以下三种措施防止气体液化：

（1）降低气压。由上可知，SF6气体气压每降低0.1MPa，其液化温度会降低5摄氏度。GIS组合电器，断路器SF6气体压力一般不能低于0.3MPa，按照极端情况，采用SF6气体降压的方式，最多能做到-41℃运行。不能满足更极端寒冷地区对GIS组合电器的安全使用要求。SF6气体气压的降低，设备的绝缘性能也会降低，这对生产厂家设备的绝缘裕度有一定关系。对部分变电站的小型化设计要求不利。

（2）在SF6气体中混合N2等气体。目前有部分生产厂家也采用这个方式进行设计。由于混入了N2气体，由于N2气体是有极分子，混合气体的绝缘性能大概为纯SF6气体的85%，而为了保证绝缘性能不变，需对混合气体的气压提高，一般需提高15至20个百分点[1]。这种方式效果较好，但是其混合比例不容易掌握，灭弧室结构也相对纯SF6气体的GIS组合电器更加复杂。而增加的额外的其他，对断路器动端阻力也最值增加，其断路器机构能量要求更高，对GIS组合电器生产厂家来说，按此方式设计要付出高额的研发、试验等费用，经济成本较高。

（3）采用外部加热装置。结构为板装结构的伴热带、测温装置，包裹在断路器壳体的外端。此技术在早期的GIS设备上已经使用多年。效果明显。但是由于其完全暴露在户外，伴热带容易产生腐蚀、短路等损坏现象，导致伴热带频繁的维修更换，增加了维护成本；暴露在外，会使大量的热气量发到空气中，造成热能的浪费，加热效率不高；影响美观；安装位置不固定，需要过多的使用连接板、搭扣等设备连接，增加了安装难度，安装工作量过大；成本较高。

5 极寒地区防止SF6气体液化的新型设计

基于以上原因，考虑采用一种新型加热装置，即电加热管，安装于断路器下底板内，避免裸露在外。

（1）设计要求。安装到126kVGIS组合电器断路器下底板内，设计简单，维护方便。由于SF6气体在0.60MPa时液化温度为-26℃，为确定加热棒功率以及数量，需做一系列试验，保证设备在极端气候下，断路器内温度不低于-26℃。即环境温度为-35℃时，安装加热棒后温升要不小于10K。境温度为-40℃时，安装加热棒后温升要不小于15K。

（2）制定对策。为考虑加热效果，需确认涂导热脂、加保温层，电加热管功率及数量纳入试验项目。

（3）对策实施。考虑加热功率、加热棒数量以及导热脂、保温层对GIS组合电器断路器内SF6气体温升的影响。分别做六组试验，试验一和试验二不加保温层，不涂导热脂，试验三至试验六加保温层，涂导热脂。具体试验细目如下：试验一使用300W电加热管（3根）、试验二使用300W电加热管（6根）、试验三使用300W电加热管（3根）、试验四使用400W电加热管（3根）、试验五使用300W电加热管（4根）、试验六使用300W电加热管（5根）。

并按照图1的7个测量点测量温升。

（4）效果及效益分析。由于加热8小时后，试验各个温升点温升基本保持恒定，以8小时后试验数据为例，并取测温点4（临近下底板附近SF6气体温升）、测温点5（断路器远端SF6气体温升）、测温点6（电流互感器最远端SF6气体温升）数据，数据如下：

试验一：测温点4温升为8K，测温点5温升为10.8K，测温点6温升为8.9K； 试验二：测温点4温升为20K，测温点5温升为18.7K，测温点6温升为15.1K； 试验三：测温点4温升为14.8K，测温点5温升为13.7K，测温点6温升为11.5K； 试验四：测温点4温升为12.5K，测温点5温升为13K，测温点6温升为10.8K； 试验五：测温点4温升为13.3K，测温点5温升为13.1K，测温点6温升为10.8K； 试验六：测温点4温升为20.6K，测温点5温升为17.7K，测温点6温升为14.8K；

数据分析：

1）关于导热脂、保温层对加热温升的影响，试验一加热8个小时，断路器气室最近端气体温升不到10K，试验三3小時可达到13.2K。

结论：涂导热脂、加保温层对断路器加热有利。

2）试验三与试验六对比：

分析：试验三与试验五效果相差不大，都满足温升要求；试验六效果更好，与加热面积大、加热功率高有关。

结论：根据试验效果及经济性，可将3*300W用于-35℃低温户外工程；5*300W用于-40℃户外工程。

设计过程需考虑下底板尺寸，电加热管过长，下底板安装孔不易加工；电加热管过短，会影响加热效果。同时要考虑GIS组合电器断路器外筒壁尺寸，如电加热管分布不均匀，有效断路器伸入尺寸过小均会影响加热效果。

6 结束语

随着GIS组合电器在电力系统中得到越来越广泛的应用。电力系统多样化的需求要求GIS组合电器厂家不得不考虑极寒地区GIS组合电器运行安全的经济性。本电加热管加热结构同现有技术相比，将加热结构从组合电器的外部移入了组合电器的内部，完全避免了因为暴露在外从而造成损坏和浪费的现象，同时在设计中使加热器进行交叉排布，使得加热结构在工作中所散发的热量更加均匀，使组合电器中的气体得到充分的加热，避免液化的产生；在位置上将原本包围一圈的伴热带改为了铺设在底部的加热结构，利用了热气上升蒸腾的原理，充分利用了电热器散发出来的热能，避免了能量的损耗，同时本装置结构简易，拆卸也极为方便，只要将电热器引出线与组合电器中的断路器相断开就可完成电热结构的拆出，既方便快捷又不会损坏装置，同时维护方便，维护成本也随之降低。本文对极寒地区GIS组合电器防止液化提供了新的设计思路。目前此结构已经申请专利（专利号：ZL201520460050.8）

参考文献：

[1]黎斌.SF6高压电器设计[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]张宗九，陈少波.SF6气体压力和温度的关系[J].华东电力，2002（09）.

作者简介：王凯（1989-），男，黑龙江哈尔滨人，本科，助理工程师，主要研究方向：电气工程及其自动化。