环网开关柜绝缘气体环保化的研究

环网开关柜绝缘气体环保化的研究

摘要：中压气体绝缘环网开关柜，操作方便，控制和保护相对简单，成本较低，在二次配电系统中得到广泛应用，受到供电部门和终端用户的欢迎。但目前的环

网柜大都采用六氟化硫(SF6)气体作为绝缘和开断介质。因此，对于开关设备，特

别是对于中压等级的开关设备，去SF6化具有重要的环境保护意义，并成为发展

方向。本文对环网柜中绝缘气体环保化进行了分析。

关键词：六氟化硫；绝缘气体；环保；环网柜

中高压环网开关设备的需求和发展趋势主要体现在高可靠性、小型化、免维护、智能化等方面。然而对于常规的空气绝缘金属封闭开关设备而言，高可靠性

和小型化是相对矛盾的。为合理解决这一矛盾，需要考虑将裸露的空气绝缘改为

封闭空间的内绝缘，这是一种很好的思路, 既能兼顾高可靠性，又可以实现小型化。该设备一经推广，立即受到了广泛应用和认可。因此，开发一种环保型的气体，用以替代六氟化硫是十分必要的。

一、气体环保化的分析

1、各类气体的比较。在可选择的环保型气体中, 主要是氮气（N2）和空气。

空气的成分包含氮气、氧气和水分，其中氧气、水分对电气设备的电接触绝缘具

有氧化和腐蚀作用，对电弧具有无法隔离和熄灭的隐患，如果将空气中的氧气、

水蒸气等成分去除，剩下的就是氮气，因此选择氮气作为环网开关柜的环保型绝

缘气体是一个不错的选择，氮气在热传导、绝缘性方面比六氟化硫略差，因此使

用氮气作为绝缘气体时，应综合考虑环网柜结构的合理布局和优化设计。

2、氮气的击穿强度研究

在一些不是很均匀的电场中，六氟化硫的耐电强度相对要高很多，比干燥的

空气和氮气的耐电强度要高出1.5～2 倍。因为这一特性，六氟化硫气体的击穿电

场得到很好的模拟，并广泛应用于很多低压力和高压力气体的设计中。氮气和空

气的耐电强度相比基本一样。在进行击穿试验时，一般采用的都是棒—棒或者是棒—板电极，在特定的大气压强度下进行。氮气的强度相对于空气有以下偏差：

进行试验的电极棒的直径相差10～60mm，两电极间的净距偏差为10～100mm。

根据实验的结果，氮气和空气的相对强度偏差在0.85～1.25 左右。所以在进行氮

气绝缘环网柜的设计时，所达到的击穿电场强度就可以按照空气击穿电场强度，

根据经验式进行大致的计算，并把0.85 作为绝缘裕度系数。这样可以估算出空气

在绝缘的条件下，常见的开关柜中所遇到的圆柱间以及圆柱对板的击穿电场强度，这就是经验式：

式中：Eb 表示击穿电场强度，单位是kV／m；r表示电极的半径，国际单位

是m；δ表示一个标准大气压下的相对气体的密度。将相关参数带入计算公式：

由于氮气和空气之间具有相对电气强度，取最小偏差0.85 作为绝缘裕度系数，通过计算公式可得，击穿电场强度为：0.85×3840kV/m=3264kV/m，这个结果满足

氮气的绝缘条件。

3、氮气的耐电强度研究

在均匀或稍不均匀的场中, 氮气的击穿强度与电气间隙距离有关，电气间隙距

离越大，耐电强度越好, 经过试验分析, 如图所示。

4、气压对氮气电性能的影响

在一些特定的冲击电压的作用下，比如工频、直流以及雷电。在均匀的或者

是不太均匀的电场中，在一定的范围内，氮气的耐电强度和气压基本上呈线性关系。这个规律在不均匀的电场中却不适用，氮气在极不均匀场中，在直流或者是

工频电压的作用下会出现驼峰现象；但是在冲击或者是快速而短暂的电压作用下，氮气的击穿电压与气压也呈基本的线性关系。在设计环网柜时，一般采用的都是

均匀场，或者是稍不均匀的电场，所以可以认为氮气和气压基本上呈现线性关系。再依据前面所提到的计算式，我们就可以大致估算，在环网柜结构合理的情况下，用氮气取代纯六氟化硫需要的气压值。试验分析表明，在真空的内部灭弧结构中，可以很好地减少对氮气的气压值限制，只要采用微正压就可以实现结果。

二、环保型气体绝缘开关设备的优异性能及特点

1、运行的高可靠性、免维护性。传统敞开式开关设备（简称AIS）在维修过

程中，需要对断路器拆卸与维护检修，这无疑会造成安装过程的差异导致局部过

热及故障。据统计，绝大多数缺陷及故障均发生在设备的运行和维护过程中。因此，传统AIS设备并不是免维护设备而且易于出现故障，而环保气体绝缘开关设

备由于采用了密封设计，不受环境及海拔影响，完整的GIS系统可以应用在任何

严苛环境下，甚至是高海拔地区。同时，真空断路器的发展及其长寿命特性，也

不再需要检修。因此，环保气体绝缘开关设备是免维护产品，而且具有更长的生

命周期、更高的操作安全性和可靠性。

2、环保型气体绝缘开关设备更加方便运行维护。长期使用后的SF6气体除对

环境污染，还会在开断电流后产生有毒分解物。因此，传统开关设备智能化检测中，需要注意有毒分解物的检测。使用干燥空气或者氮气为主的开关设备的智能

化检测中，由于采用了真空开断技术，应重点检测气体的压力和泄露及水分，而

对有毒分解物的检测将不再进行。由于没有了SF6气体，取消了SF6的检漏设备，更不需要SF6气体回收装置，简化了监测项目，减少了运行维护工作量和维护成本。

三、环保型气体绝缘开关设备生产的质量保证

按照ISO质量保证体系，必须制定严格的质量检测与控制过程，对零件及部

件的制造质量及装配进行严格的过程控制，以保证整体设备的质量。在工艺过程

方面，采用进口的激光焊接与切割技术，保证气箱的焊接一致且质量稳定，同时

对每一个气箱可通过氦气检漏仪进行测试，以保证其泄漏率小于0.1%的质量要求

标准。对于绝缘件，采用先进的进口APG自动化浇筑成型技术，严格控制工艺参数，确保绝缘件的合格率，并对每个绝缘件进行局放测试，使其局放量小于3PC

的标准要求。经过大量的工艺验证及改进，产品的质量和稳定性得到了改善和保证。这些工艺过程及设备是保证设备整体质量性能的重要手段，是生产合格的环

保型气体绝缘开关设备的重要保障。

结论

通过特定的结构设计以及合理的充注氮气，在12～24 kV 的电压等级下，通

常采用低压力下的氮气绝缘作为主要部分，局部采用的是复合绝缘，这样就可以

实现环网柜绝缘气体的环保化，即采用环保绿色无污染的氮气替代难分解温室效

应显著的六氟化硫气体。

（1）把氮气当做绝缘的介质，绝缘的设计是环网柜研制的重点环节。我们需

要优化电极形态，合理布局来实现这一要求。考虑到不同部位绝缘可能失效的方

式不同，因此绝缘结构的优化设计需要因结构而异。