我國幅員遼闊，各地氣候差異巨大。在新疆、內(nèi)蒙古及東北地區(qū)，冬季氣溫較低，戶外環(huán)境溫度會降到-40℃以下，部分地區(qū)甚至達到-50℃，SF6氣體在這種溫度下會產(chǎn)生部分液化，導(dǎo)致SF6氣體壓力及密度下降。根據(jù)內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院統(tǒng)計報告，在冬季嚴寒情況下，SF6開關(guān)設(shè)備因氣體密度下降，報警和閉鎖情況經(jīng)常發(fā)生。

在這種情況下，運行部門通常的做法是用保溫材料將SF6開關(guān)設(shè)備局部包裹起來，有時也起到一定作用，但效果不好。對瓷柱式SF6開關(guān)設(shè)備，由于瓷套外側(cè)無法加裝保溫層，只好采取降低SF6氣壓的辦法運行，至使SF6開關(guān)設(shè)備存在安全運行隱患。

由于SF6氣體具有優(yōu)良的絕緣性能和開斷性能，而被廣泛應(yīng)用于輸配電設(shè)備領(lǐng)域，如變壓器、組合電器、斷路器、輸電管道、互感器、避雷器等。目前，SF6氣體絕緣設(shè)備已經(jīng)占有了絕對優(yōu)勢而且還有進一步擴大其應(yīng)用范圍的趨勢。

由于SF6氣體的低溫液化，造成氣體密度的下降，必然導(dǎo)致SF6開關(guān)設(shè)備的滅弧性能和絕緣性能的降低。當SF6開關(guān)設(shè)備用于嚴寒地區(qū)時，若發(fā)生SF6氣體的低溫液化，SF6氣體壓力降低到閉鎖壓力值時，將閉鎖斷路器的跳閘回路，如果這時線路發(fā)生故障，保護啟動后，而斷路器不能可靠動作，將會引起事故擴大，造成保護越級動作，或者是設(shè)備損壞事故的發(fā)生。

為解決SF6開關(guān)設(shè)備在嚴寒地區(qū)能夠可靠運行的問題，國內(nèi)外相關(guān)的研究院(所)和開關(guān)制造廠家對此進行了大量的分析、試驗及研制工作，取得了許多寶貴經(jīng)驗和研究成果。其中，采取對SF6開關(guān)設(shè)備中的SF6氣體進行電加熱，使SF6氣體的溫度可以始終高于SF6氣體的液化溫度，就是一種有效的技術(shù)解決方案。

SF6開關(guān)設(shè)備中的電加熱方案

采用電加熱裝置對SF6開關(guān)設(shè)備中的SF6氣體進行加熱，可以有效的解決超低溫下SF6氣體的低溫液化問題。電加熱設(shè)計方案的技術(shù)關(guān)鍵為：在SF6開關(guān)設(shè)備上，增加了SF6氣體電加熱裝置，當環(huán)境溫度下降到一定數(shù)值時（如：-25℃），加熱器能夠自動投入運行，對SF6開關(guān)設(shè)備內(nèi)的滅弧、絕緣介質(zhì)進行加熱；無論環(huán)境溫度如何低（如：-50℃），SF6開關(guān)設(shè)備內(nèi)的氣體溫度始終高于SF6氣體液化所需要的溫度，從而很好地解決了嚴寒地區(qū)SF6氣體低溫液化的問題。

SF6開關(guān)設(shè)備的電加熱設(shè)計方案中，加熱裝置的熱傳遞方式，包含了熱傳導(dǎo)、熱輻射及熱對流。針對SF6開關(guān)設(shè)備的不同結(jié)構(gòu)形式，采取的電加熱方式也略有差別，常用的設(shè)計結(jié)構(gòu)有：① 在設(shè)備罐體外壁纏繞電加熱帶的加熱方式；② 將加熱器插入SF6氣室內(nèi)部，對SF6氣體直接進行加熱。

1 罐體外纏繞電加熱帶的加熱方案

圖1為罐式SF6斷路器的典型外形圖，它主要由氣體套管、CT裝配、斷路器部分、操動機構(gòu)等幾部分組成。針對罐式SF6斷路器的結(jié)構(gòu)特點，可采用在罐體外側(cè)加裝加熱裝置，當環(huán)境溫度下降到一定數(shù)值時（如：-25℃），加熱器能夠自動投入運行，人為地向設(shè)備內(nèi)輸入熱量，加熱后的熱氣向上流動，套管內(nèi)的冷氣向下流動，從而通過SF6氣體的熱對流、熱傳導(dǎo)、熱輻射進行能量傳遞，確保設(shè)備內(nèi)的SF6氣體溫度始終高于SF6氣體液化溫度。

圖1 罐式SF6斷路器外形圖（機構(gòu)下置）

這種設(shè)計結(jié)構(gòu)已被國內(nèi)外部分開關(guān)制造廠家所采用，并取得了寶貴的使用經(jīng)驗。如：國內(nèi)某公司生產(chǎn)的LW13—550型罐式SF6斷路器，為解決產(chǎn)品在低溫下可靠運行的問題，在罐體外殼上裝了兩個加熱保溫套，加熱套的熱元件是線繞板式SP型加熱器。

試驗結(jié)果表明，加熱功率4800W時，罐體內(nèi)SF6氣體溫升為13.5K～17.5K，當加熱功率7200W時，罐體內(nèi)SF6氣體溫升為15K～21K。據(jù)報道， 俄聯(lián)邦核中心高壓電器研究所研制的126kV罐式SF6斷路器，額定短路開斷電流40kA，SF6氣體額定壓力為0.55MPa（20℃），產(chǎn)品可以在-50℃的環(huán)境下正常工作，其技術(shù)關(guān)鍵就是在罐體外側(cè)加裝了兩個300W的電加熱帶。

2 罐體內(nèi)裝入加熱棒的加熱方案

圖2為另一種常見的罐式SF6斷路器外形圖，它與圖1最大的不同點是，操作機構(gòu)安裝在斷路器筒體端部，可以在筒體下部（靠近中間位置）加裝電加熱裝置。為提高電加熱效率，將加熱器插入SF6氣室內(nèi)部，對SF6氣體直接進行加熱。

為驗證這種結(jié)構(gòu)的加熱效果，河南省高壓電器產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站曾在某220kV罐式SF6斷路器上進行過低溫試驗，試驗時罐體內(nèi)充入0.6MPa(20℃時，表壓)的SF6氣體，加熱器的總功率約900W，當試驗室內(nèi)的溫度降為-40℃時，罐體中心部位的SF6氣體溫度約-26.5℃。

圖2 罐式SF6斷路器外形圖（機構(gòu)側(cè)置）

如圖2所示的自動電加熱及保溫裝置，是由加熱裝置、溫度檢測裝置和控制執(zhí)行裝置等3部分組成。加熱裝置設(shè)置在罐式SF6斷路器的罐體上開設(shè)的拔口里，溫度檢測裝置安裝在罐體外，溫度檢測裝置的輸出端與控制執(zhí)行裝置的輸入端連接，控制執(zhí)行裝置的輸出端與加熱裝置的電源端連接。

當環(huán)境溫度下降到下限設(shè)定溫度時，自動啟動加熱裝置對罐體內(nèi)的SF6氣體進行加熱，當環(huán)境溫度上升到上限設(shè)定溫度時，加熱裝置電源被自動切斷，從而解決了罐式SF6斷路器在低溫環(huán)境下的可靠使用問題。

3 瓷柱式SF6開關(guān)設(shè)備的加熱方案

瓷柱式SF6開關(guān)設(shè)備的氣體加熱裝置，一般裝設(shè)在支柱瓷套的下端，由于支柱瓷套及滅弧室瓷套均為細長型結(jié)構(gòu)，散熱面積較大，而結(jié)構(gòu)設(shè)計又不允許在瓷套外側(cè)加裝保溫層，為確保滅弧、絕緣介質(zhì)在低溫下不液化，所需加熱器的功率一般都比較大；但加熱器功率過大后，又會產(chǎn)生局部過熱，影響產(chǎn)品運行的可靠性。因此，必須選擇合理的加熱器功率。下面以某型號的252kV單柱單斷口SF6斷路器為例，介紹其電加熱器結(jié)構(gòu)及加熱器功率的確定。

圖3為電加熱器座的局部放大圖，它主要由支撐座、屏蔽筒、散熱器、電加熱器等部件組成，在拉桿四周均勻分布2～4只500W的電加熱器，由于所需加熱器功率較大，選用了棒式電加熱器；在加熱器座內(nèi)部裝設(shè)屏蔽筒和散熱器的目的，是為了保證熱場均勻、有利于向上熱輻射。

圖3 加熱器座局部放大圖

圖4為252kV單柱單斷口SF6斷路器的低溫試驗測量點示意圖。試品內(nèi)SF6氣體額定壓力為0.6MPa(20℃時，表壓)。為了對產(chǎn)品樣機進行低溫試驗，在斷路器內(nèi)部裝設(shè)了11支熱電偶，熱電偶主要用于測量斷路器內(nèi)部的SF6氣體溫度分布情況。11支熱電偶的測溫端在裝設(shè)時，盡量接近設(shè)備中心線附近。

測溫點1在試驗樣機上蓋板的內(nèi)側(cè)，距金屬蓋板約5mm；測溫點11在加熱器座中心點附近；其它9個測溫點均勻分布（每兩個測溫點的距離約：0.5m）。

圖4 低溫試驗測量點示意圖

表1為試驗樣機內(nèi)的溫度試驗數(shù)據(jù)，試驗數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：

① 測溫點1的溫度值最低，這是因為該測溫點距加熱源最遠，并且距上面的金屬蓋板只有5mm的距離。

② 測溫點5與測溫點6之間的溫差約為10℃，而測溫點5與測溫點4、測溫點3、測溫點2的溫差確非常小（約為：1℃）。這是因為測溫點1到測溫點5，均處在滅弧室瓷套內(nèi)，SF6氣體流動比較暢通；而測溫點6處于支柱瓷套內(nèi)，支柱瓷套與滅弧室瓷套之間的SF6氣體，只有通過幾個小孔相通，造成熱對流通道不暢通。

③ 測溫點11的溫度值最高，這是因為該測溫點距加熱源最近。

同時，從表1中的試驗數(shù)據(jù)分析可知：① 當環(huán)境溫度達到-40℃時，產(chǎn)品內(nèi)裝設(shè)1000W的加熱器就可滿足使用要求。② 當環(huán)境溫度達到-50℃時，產(chǎn)品內(nèi)裝設(shè)1500W的加熱器就可滿足使用要求。

表1 試驗樣機內(nèi)的溫度試驗數(shù)據(jù)

低溫環(huán)境下的其它解決方案

1 采用混合氣體作為滅弧、絕緣介質(zhì)

由于純SF6氣體存在著價格昂貴且不適用于嚴寒地區(qū)等問題，近年來已有用SF6混合氣體來取代純SF6氣體的趨勢，其中SF6/N2混合氣體已在工業(yè)中獲得初步應(yīng)用。

但是，采用SF6/N2混合氣體作為開關(guān)設(shè)備的滅弧、絕緣介質(zhì)也存在一些問題：① 當保持產(chǎn)品結(jié)構(gòu)不變時，采用SF6/N2混合氣體替代純SF6氣體后，設(shè)備的開斷能力要下降，如：ELF SL4-1型斷路器中采用了SF6/N2混合氣體作為滅弧、絕緣介質(zhì)后，額定短路開斷電流從40kA降低到31.5kA。② 采用SF6/N2混合氣體作為斷路器的滅弧、絕緣介質(zhì)后，若要維持斷路器的開斷能力不變，就要對滅弧室及操動機構(gòu)的結(jié)構(gòu)進行修改，同時要提高混合氣體的額定氣壓。這些變化都給產(chǎn)品的設(shè)計和試驗帶來很大工作量。

2 采用降低SF6氣體壓力的方案

降低SF6開關(guān)設(shè)備內(nèi)SF6氣體的額定壓力，可以達到降低SF6氣體的液化點。因此國內(nèi)有些廠家在原有開關(guān)設(shè)備的基礎(chǔ)上，充入低壓力SF6氣體以滿足低溫環(huán)境的需要。由于在低壓力、低溫度的條件下，SF6氣體密度亦降低，影響了設(shè)備的絕緣性能和開斷性能。國內(nèi)用此方法按標準GB1984進行全部開斷試驗項目的產(chǎn)品很少。據(jù)報道，國內(nèi)亦有部分廠家采取降低SF6氣體壓力的方法用在126kV產(chǎn)品上，但是僅做了T100s(b)單項試驗，并沒有進行降低SF6氣壓后的其他試驗項目。設(shè)備能否滿足可靠使用要求，尚待驗證。

結(jié)語

為解決高壓SF6斷路器在超低溫下可靠運行的問題，可以采用電加熱裝置對SF6開關(guān)設(shè)備中的SF6氣體進行加熱；也可以采用SF6/N2混合氣體作為開關(guān)設(shè)備的滅弧、絕緣介質(zhì)；另外，也可以采用降低SF6開關(guān)設(shè)備內(nèi)SF6氣體的額定壓力，達到降低SF6氣體液化點的方案。然而，無論采取那種方法，都存在其優(yōu)點和不足之處。

采用降低SF6氣體壓力或采用SF6/N2混合氣體的方法，會導(dǎo)致設(shè)備的開斷性能下降，往往滿足不了招標書中對設(shè)備短路開斷能力的要求，同時需要按標準GB1984進行相關(guān)的型式試驗，試驗周期長、費用高。電加熱方式，需要對設(shè)備的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)進行變更，材料費增加。

綜合分析認為，電加熱方式是一種最為經(jīng)濟有效的解決方案。除此之外，低溫產(chǎn)品在設(shè)計上還應(yīng)注意：選用耐低溫的密封圈、選用耐低溫的潤滑脂、操作機構(gòu)箱內(nèi)宜進行加熱以確保分合閘特性不變、能夠跨越較大溫度范圍使用的瓷套等。

（編自《電氣技術(shù)》，作者為李松琴。）