组合电器中真空绝缘替代SF6绝缘的研究

组合电器中真空绝缘替代SF6绝缘的研究
何永成
（新疆大学，新疆乌鲁木齐830047）
摘要：SF6气体具有优良的电气强度和灭弧功能，在电力系统中得到了广泛的应用，但当SF6气体被排到大气中时，作为高度稳定的温室效应气体，它却能促使地球气候变化，给人类的生存环境带来了严重的影响。

限制SF6气体的排放量，探索新的可替SF6气体势在必行。

人们一直在寻找在高压开关设备中SF6气体的替代品,真空是备选方案之一。

关键词：SF6组合电器真空组合电器替代品
Clear Gas Has Many Advantages Over SF6 Gas In Electric Products
Abstract：SF6 gas has some good characteristics ,So it is used in the electric power system on a larger
scale .But SF6 gas is let out into the air, It is harmful to nature . It change our climate and bring serious influence .We must control SF6 gas and explore new gas . Recently a lot of people think that clear gas has many advantages over SF6 gas.
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引言
六氟化硫(SF6)气体是目前发现的六种温室气体之一。

在高压电器制造行业使用着大量的SF6
气体，由于使用管理不当或没有按正确的方法对其进行回收、再生处娌，导致SF6气体及在高温电弧作用下产生的有毒分解物排放到大气中，给人类赖以生存的环境带来污染和破坏，同时给电器设备的正常运行和我们身体健康带来不利影响。

随着人们环境保护意识的增强，在今后相当长一段时期，少用和不用SF6气体的电器设备才是高压电器制造行业的发展方向。

1 新型组合电器——真空断路器
最近出现的真空断路器是环保的，它是指触头在真空中关合、开断的断路器。

真空断路器最初由英、美研究,随后发展到日本、德国和原苏联等其他国家。

我国从1959年起开始研究真空断路器的理论,到20世纪70年代初正式生产各类真空断路器。

真空灭弧室、操动机构、绝缘水平等制造技术的不断创新和改进,使真空断路器的发展极为迅速,在大容量、小型化、智能化及可靠性研究方面取得了一系列重大成果。

真空断路器以具备良好的灭弧特性,适宜频繁操作,电气寿命长、运行可靠性高、不检修周期长的优势,在当今我国电力工业城乡电网改造、化工、冶金、-铁道电气化以及矿山等行业得到了广泛的应用。

产品从过去的ZN1-ZN5几个品种到现在数十个型号、品种,额定电流达到4000A,开断电流达到5OKA,甚至有63kA,电压达到35kV等级。

在中压开关领域，特别在12 kV 级，由于真空断路器无任何有害物质的排放，加上其优良的电器性能，逐步成为这个领域的主流产品。

据统计资料，2002年真空断路器所占比例已攀升到92.27%，产量达133 519台。

我国继美国、德国和日本之后，已进入真空断路器生产大国的行列。

但是，SF6开关在小电流领域市场有很高的市场占有率。

这是由于SF6开关在小电流（800A以下）产品上，特别是负荷开关方面，具有体积小，结构简单，成本低的优势，这两年挤占了真空开关市场，使真空开关的市场占有率有所下降。

仔细分析，中压开关市场
的主流，仍然是真空开关。

目前，急需研制一种小电流等级的真空组合电器产品。

类似于现在110kV 的组合电器，不允许充有SF6气体，以替代目前的SF6开关小电流产品。

这是由于，真空开关可以做到不检修，不排放有毒气体，寿命上做到数倍于SF6开关的寿命，而SF6开关却做不到。

除了永磁驱动机构技术之外，真空断路器同时还采用了一项固封极柱技术，使真空断路器技术从空气绝缘-复合绝缘过渡到固体绝缘。

现在又有一种新的技术就叫做固体迷宫式绝缘结构。

在第一代空气绝缘的真空电器中中，带电部分完全裸露在空气中，它的绝缘水平随着空气中的湿度、灰尘以及运输过程的磕碰而变化，并易受小动物等异物的影响。

在第二代复合绝缘中，将灭弧室保护在环氧树脂套筒内。

但这种套筒没有完全把高压带电部分包起来，里面还会受灰尘、潮气、昆虫等影响。

固封极柱，通过APG 工艺，利用环氧树脂将灭弧室及上下出线端全部包封。

这样做，不仅缩小了灭弧室尺寸，而且不受外界环境（灰尘、潮气等）的影响，提高了耐气候性，此时环氧树脂不仅作为一次部分的主绝缘，而又是它的机械支撑，其电场分布和应力分布优于各种形状的绝缘隔板结构。

110kV级以上电压等级，现在使用组合电器已经很普遍了，这不仅仅因为是体积小，更主要的是封闭绝缘，有很高的使用可靠性。

来自外界的不可靠因素都排除了。

因此，有些工程技术人员，试图把3-36kV电压等级也搞成组合电器。

于是就出现了充气的中压组合电器。

但在中压领域，这不是发展方向，脱离使用SF6气体，将现在的固封技术发扬光大，完全实现不充任何气体的真空组合电器，这已经实现了。

这里介绍一种固体迷宫式结构的真空组合电器。

真空灭弧室固封技术已经突破了，进入到成熟的批量生产阶段，将电压互感器，电流互感器，隔离开关，接地开关，避雷器，统统采用固封，就相当于给各个单独的元件加上了充有绝缘气体的容器，但这还不够，结合部位如何达到绝缘要求，固体迷宫式绝缘结构，解决了这个难题，而且在绝缘体表面还完全可以包上一层半导体或金属层，与地相接，达到完全可以触摸，而且完全避免了充气组合电器的泄漏问题。

这样的组合电器，其使用寿命中，完全可以做到免维护。

这项工作是这样完成的，把固封脊柱的出线和封闭母线连在一起，固封脊柱的进线就是隔离开关静触头，同时向电压互感器和避雷器引线，因为，电压互感器和避雷器电流很小，这部分导线，还起到了散热的作用。

隔离开关采用双断口，这就减少了隔离开关动触头的行程，隔离开关的另一个静触头连结电流互感器，电流互感器的另一端作为出线端。

这样的结构，电流的路径最短，把省下来的铜材加粗导电截面，使封闭在绝缘材料里的导体减少发热。

由于全部导体封闭，相与相之间，带电体与地之间都有良好的绝缘，就像高压电力电缆那样，导体被保护在钢壳里面，因此整个柜体的尺寸大为减小。

开关柜的体积也变得很小。

在解决大电流组合电器的问题上，关键是要解决发热问题。

迷宫式绝缘结构真空组合电器的大电流的问题是如何解决的呢？一是尽量少产生热量，二是该散热的时候把热量散出去。

在高压电器中，最棘手的两个问题，一个是绝缘问题，一个是发热问题。

由于固封脊柱减小了整个结构的尺寸，导体之间的连接变得很紧凑，距离也很短，因此基本的办法是将
导体的导电电截面放大，使导电回路电阻降低。

使整个回路少发热。

因为结构很小，即使这样作也不必担心增加材料。

另一方面，还要考虑散热，现在有一种叫做热管的技术，西藏铁路解决永久冻土层，就用了这项技术。

就是在进行APG注射的时候，将热管放到容易发热的地方，当这个地方发热的时候，热管就会起作用，把热量吸收出来，散发到固封部位的体外，使发热点降温。

当然，热管本身也是要做绝缘处理的。

热管技术还有一个特性，温度不到一定程度，他不散热，可以给电器本身保温。

使设备经常处于一种温度变化不大的近于恒温的状态。

这样就改善了设备的运行环境，避免了忽冷忽热，延长使用寿命。

目前，额定电流在1600A 及以下电流等级，没有采取热管技术，靠自然通风。

额定电流在1600A以上—3150A采取热管技术，靠自然通风。

4000A以上，考虑强冷。

笔者目前正在做这方面的试验和研究工作。

组合电器采用两种结构，固定式结构和手车式结构。

这是考虑不同用户的不同要求。

大多数情况下，开断短路电流的次数很少，固定式结构完全可以满足使用，一些特殊用途的用户，还是要考虑用手车是结构，比较方便。

像那些炼钢，化工行业的用户，开关的短路故障是经常发生的。

因此，在考虑短路故障频繁发生的条件下，还是用手车式结构比较实际，这样对于用户来说，作更换部件的工作方便一些。

真空组合电器的运行控制保护电源来自于本身的电压互感器，无需增添备用的直流电源。

自动控制及远程信号数据的传输采集采用光缆，不受任何气候，任何信号效应的干扰，运行可靠性高。

2迷宫式绝缘结构真空组合电器和SF6组合电器相比有以下优点：第一，有利于环保，没有有害气体的排放，也没有热效应气体的排放。

第二，适应性强，从南方到北方的各种气候条件都能够使用，而SF6组合电器在高纬度时不适合使用。

第三，自动化程度高，无需维护，无需检修，节省运行费用。

第四，安全性强，由于组合电器内部所有带电部位不裸露，所以基本杜绝了触电事故。

就操作而言，不按操作规程操作，一是发出警告，二是自动闭锁，另外同时采用机械闭锁。

第五，体积小，重量轻，可以按整机配套供应，无需现场安装调试，只需现场接线，就可以使用，提高了工作效率。

第六，由于结构紧凑，所用原材料有所降低，元件都是积木式拼装，单独元件的数量很少，有利于工业化大批量生产。

综上所述，迷宫式绝缘结构真空组合电器有着良好的市场发展前景，这是继固封脊柱技术之后的对真空电器的又一项重大技术发展。

在中压电器领域里必将结出丰硕的成果。

迷宫式绝缘结构已经申报发明专利，这项技术将逐步向中压电器领域的其他产品方面扩展。

同样有着良好的发展前景。

结论
1 SF6是高度稳定的温室效应气体，它却能促使地球气候变化，给人类的生存环境带来了严重的影响。

限制SF6气体的排放量，探索新的可替SF6 气体势在必行。

2 真空断路器具备良好的灭弧特性,适宜频繁操作,电气寿命长、运行可靠性高、不检修周期长,对环境无污染的优势，在今后可能会取代SF6电器。

参考文献：
1 熊信银，朱永利发电厂电气部分（第四版）
2 周泽存，沈其工方瑜等高电压技术（第三版）
3 张丽娜美国环境保护局的新思考：减少SF6排放量.高电压电气，1999,36（5）：60
4 朱德桓，严璋. 高电压绝缘（第一版）.北京大学出版社，1992。