摘要：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。基于这一理念,很多企业推出了以六氟化硫气体（SF6）作为封闭气箱绝缘介质的六氟化硫气体绝缘开关设备。该设备一经推广，立即受到了广泛应用和认可。但由于六氟化硫气体被定为受限制的温室气体，因而在高压开关行业应尽量减少六氟化硫气体的用量和排放量。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。
关键词：环网开关柜；绝缘气体；环保化
1气体环保化的研究
1.1 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，表1是几种气体的物理特性比较。由表1可以看出，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。
表1
1.2 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，国际单位是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。
1.3 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1所示。
1.4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，所以我们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。
图1
2气体绝缘环网柜的使用技术
2.1负荷开关和限流熔断器的配合
电流在GB16926-1997交流高压负荷开关与熔断器的组合中被分为四个区域，其在每一个区域内都被规定负荷开关和熔断器之间的配合。在工作电流区和过负荷电流区域内，由负荷开关三相开断并熄弧；在转移电流区域内，组合共同完成开断，其在三相电路中熔断器首先开断故障电流，触撞击器并熄弧，负荷开关在撞击器的作用下被断开，熄灭另外两相的电流；在限流区域之内，熔断器熄灭大于转移电流的故障电流，撞击器撞开负荷开关，不开断电流。之所以，环网柜应当可以承担开断工作。但系统短路，故障电流在转移电流区域内，三相熔断器熔体融化有时间差，其中一相首先断开，撞击器动作，而此时有可能发生的是，另外两相熔断器还没有熄弧开断，撞击器触发，负荷开关切断电流故障，也就是说由熔断器承担的开关任务被转移给负荷开关。因而，转移电流是指此过程中的三相对称电流。如果低于该值，由熔断器开断首开相电流，由负荷开关开断其他两相电流；如果高于该值，仅仅由熔断器断开三相电流。在选择组合电器时，应当注意的一个重要指标是转移电流，如果选择不够恰当，负荷开关所能够承受的转移电流也会不充足，则会因无力承担开断两相短路电流的任务，从而引发开关爆炸。依据转移电流的含义和负荷开关的开断时间及特点，负荷开关转移电流需要避开最大的短路电流。首先分析负荷开关和熔断器技术系数，然后考虑产品的离散性，依据转移电流的验算结果，10kV系统中的容量小于1250kVA的变压器，负荷开关可实现保护和控制；当容量大于该值，选择熔断器。进行保护和控制。
2.2限流熔断器的选配
在二者组合电器中，正常电流或者转移电流的断开由负荷开关负责，过载电流和电路电流的断开由熔断器负责。二者的开断能力互相配合才能确保开断的顺利进行，因而，选择限流熔断器非常重要，需要考虑下述因素。其一，熔断器的熔断时间-电流曲线应当比变压器励磁涌流曲线高；其二，需要考虑变压器短时过载能力；其三，变压器低压侧保护装置后短路所引致的故障电流不应当引起高压侧熔断器熔断；其四，变压器低压侧电动机自起电流不应当引起高压侧熔断器熔断。
3讨论
通过特定的结构设计以及合理的充注氮气，在12～24kV的电压等级下，我们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。（2）
采用复合绝缘是降低氮气介质内电场强度的有效方法，但是要想有效降低把氮气作为介质的电场强度，需要有一定厚度以及强度的复合绝缘层。（3）在绝缘的纯氮气中，我们需要特别注意如何选择母线的直径。相对较大的直径，可以使得绝缘几何特性的系数之间的间距得到降低，这样可以得到相对比较低电场的不均匀系数。所以氮气绝缘柜需要保证电场的不均匀系数为2～3，这样获得的绝缘距离较小，柜体尺寸得到较低。（4）采用真空和屏蔽环的方式是降低氮气介质内电场强度，实现断口绝缘水平的有效途径。由于断路器特有的结构特点，所以当开关在分闸的位置，气室中的高压导体可以中断隔离的断口，这就导致了断口处的电场比较集中，绝缘也就很薄弱。在12kV的电压等级之下，氮气在绝缘中，如果采用的是传统的六氟化硫气体，绝缘环网柜的断口处的闸刀形式，就会需要比六氟化硫大很多的气体绝缘的空间尺寸，这样就不能实现使得六氟化硫气体绝缘环网柜具有相似的尺寸。
结论
气体绝缘环网柜在设计过程和制造过程中，要严格控制、检测柜体的密封、充气气体水含量、零部件质量。在使用的过程中，注意合理地选配负荷开关和熔断器等参数，以保证环网柜的安全可靠性，使得环网柜在后续过程中操作简单、安装便捷、免维护等。
参考文献：
[1]崔成恕，赵伯楠.国内外中压开关柜的现状与发展趋势.供用电[J].2015,10(2-4).
[2]熊舟.中压开关柜的绝缘方式与趋势,电气时空[J].2016.6(17-18).
论文作者:赵国庆
论文发表刊物:《电力设备》2017年第33期
论文发表时间:2018/4/28
标签：氮气论文; 电流论文; 熔断器论文; 气体论文; 电场论文; 强度论文; 负荷论文; 《电力设备》2017年第33期论文;