摘要：为控制温室效应气体的影响，需要寻找能够代替SF6气体的绝缘介质，并对气体绝缘开关柜的气室结构进行设计优化。文章将以40.5kV环保型气体绝缘开关柜作为研究对象，首先对其气室结构设计需求进行分析，进而探讨其设计策略，以期为环保型气体绝缘开关柜产品的开发设计提供参考。
关键词：环保型；气体绝缘开关柜；气室结构设计
前言
以往气体绝缘开关柜主要将SF6气体作为绝缘介质，并将断路器、母线和隔离开关等器件密封在气室结构中。由于SF6气体具有突出的绝缘特性和灭弧特性，这种开关柜在电力系统中得到广泛应用。但SF6气体是温室效应影响的主要气体之一，已经明确提出全球限制使用要求。在40.5kV气体绝缘开关柜产品设计创新过程中，应积极研发环保型产品，控制SF6气体使用量。
一、40.5kV环保型气体绝缘开关柜气室结构的设计需求
SF6气体在电力行业中的使用量占80%以上，其温室效应潜在值是CO2的23900倍，而且分解物质中含有许多有毒气体，必须对SF6气体使用作出有效控制。在采用SF6气体作为绝缘价值的气体绝缘开关柜中，由于装置泄露和回收处理不当等问题，会产生大量的SF6气体排放。根据相关环境保护要求，必须加快环保型气体绝缘开关柜的研发工作，寻找SF6气体代替品，从根本上解决SF6气体可能引发的环境问题。目前国内已有环保型气体绝缘开关柜开发案例，采用N2作为SF6气体代替品，但体积相较于同等级SF6气体开关柜，增加了33%左右，而且气密性问题和安全问题也需要关注。在开关柜气室结构设计过程中，应具体分析电场、气流场、温度场等方面的变化，合理设计气室结构，改善电场分布状态，并通过进行仿真试验，确保产品可靠性[1]。
二、40.5kV环保型气体绝缘开关柜气室结构的设计策略、
（一）SF6气体替代气体选择
在40.5kV环保性气体绝缘开关柜的气室结构设计过程中，首先应合理选择SF6气体的替代气体。目前可以作为SF6气体替代气体的主要包括CO2、N2、C2F6、C3F8、干燥空气以及其中几种的混合气体。综合考虑气密性、电压等级和经济性等方面的因素，可将CO2、N2和干燥空气作为拟替代气体，并对其绝缘强度进行分析计算。其中，均匀电厂中的干燥空气工频耐电强度主要与空气相对密度、间距等参数有关，可根据经验计算式进行计算，在0.15MPa条件下，其耐电强度为4.10MV/m，若气压在0.25MPa以上，耐电强度可达到7.00MV/m。纯CO2和N2在0.15MPa条件下的工频耐电强度分别为3.17MV/m和4.00MV/m。相比之下，混合气体的工频耐电强度更高，比如SF6与N2的混合气体，在SF6气体体积分数30%、0.15MPa条件下，工频耐电强度为5.73MV/m。其他几种混合气体的耐电强度虽然也高于单一气体，但考虑混合气体饱和度方面的因素，该方案为最佳替代气体选择方案[2]。
（二）开关柜气室结构建模
确定SF6气体替代气体后，需要通过采用三维建模方法，对开关柜气室结构进行建模分析。具体可采用Solodworks软件对40.5kV气体绝缘开关柜的气室结构进行建模，考虑到其内部结构较为复杂，在建模时可以在不影响电场分布情况的前提下进行简化。构建的模型尺寸为1150mm×990mm×780mm，将气室结构的外壳作为计算边界。内部器件建模主要包括母线及套管、内绝缘锥、真空灭弧室、隔离接地开关和连接部件等，忽略操动机构的建模。此外，考虑到气室电场计算的需要，还要明确气室外壳材料、母线套管、电缆外皮材料、母线排材料等的节点常数、导电率。通过合理确定模型材料参数，可以确保计算结果的准确性。
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（三）气室电场计算
在气室电场计算过程中，40.5kV电压等级的三工位开关必须保证其绝缘强度能够承受住工频电压，其接地断口为95kV/min，隔离断口为118kV/min。同时三工位开关绝缘强度也要承受住雷电的冲击电压，接地断口为185kV，隔离断口为215kV。在仿真计算过程中，可以分别在接地断口、隔离断口间施加185kV和215kV电压，并将接地静触头、外壳设置为零点位。通过进行电场分析和强度计算，可以得出气室内许多器件的电场强度较大，而且集中在三工位开关的接地断口、隔离断口和绝缘拉杆等部分。其中，接地断口最大电场强度可达到6.60MV/m，隔离断口最大电场强度可达到6.30MV/m，绝缘拉杆最大电场强度可达到8.24MV/m，其余部分的电场强度则在5.00MV/m以内。
（四）气室结构优化
根据上述气室模型的电场强度结算结果，需要对气室中电场强度较为集中的部分进行优化设计，确保气室结构的合理性。对于三工位开关接地断口和隔离断口电场强度过高的问题，可以为其增设屏蔽装置，同时对灭弧室的上下接线端子结构进行改进。对于绝缘拉杆部分电场强度较为集中的问题，也需要对绝缘拉杆进行重新设计。通过对气室结构进行优化，三工位开关的接地断口最大电场强度可控制在4.33MV/m左右，隔离断口最大电场强度可控制在4.15MV/m左右，绝缘拉杆最大电场强度可控制在3.65MV/m左右，均在5.00MV/m以下，可以保证混合气体耐电强度满足气室绝缘需求。
（五）气室温升仿真检测
采用SF6和N2混合气体后，气室温升情况也会发生变化，需要对充入混合气体的开关柜气室温升情况、气流情况进行仿真检测，确保正常工作条件下的混合气体可以满足气室散热需求。开关柜气室的热量主要来源于导体和基础电阻的焦耳损耗，以及铁磁材料的涡流损耗。其传热途径则包括固体与气体间的传热、自然对流、载流导体的热辐射、外表面散热以及周围空气对流等。只有保证热量产生与消耗达到平衡状态，才能保证气室温升的稳定性。若气室温升超出规定值，则应对其散热能力进行相应提高，比如增加散热元件、减少接触电阻和铁磁材料元件等。经过仿真计算得出，充入混合气体会影响气室散热效果，其内部最高温度可达到67℃左右，仍低于允许的最高发热温度，因此不需要采用上述改进措施。但应注意，在环保性气体绝缘开关柜的气室设计中，气室温升仿真是不能省略的一个重要步骤。
（六）气室简易工装检测
为进一步验证环保性气体绝缘开关柜结构设计的可行性，在完成上述仿真计算后，可以搭建简易工装柜，根据仿真结构设置简易工装柜中的构件。具体包括母线、绝缘内锥和绝缘套管的安装等，然后对简易工装柜进行雷电冲击电压检测试验。在试验过程中，可分别充入N2、干燥空气、SF6和N2混合气体，进行比较。从试验结果来看，N2和干燥空气在雷电冲击下的最大耐受电压值分别为170kV和185kV，其中N2无法满足40.5kV电压等级绝缘要求。SF6和N2混合气体按照3：7进行充入，最大耐受电压值可达到185kV，能够满足绝缘性能要求。仿真设计中确定的气室构件尺寸、距离等参数，也均能满足绝缘要求，可以保证开关柜运行的安全性。
三、结语
综上所述，通过合理选择SF6气体的替代气体，并对气室结构进行优化，开发环保性气体绝缘开关柜产品，可以有效解决SF6气体可能引发的温室效应问题。在具体的设计过程中，应通过开展科学计算、仿真分析和试验检测方法，确定气室结构设计的合理性，确保新型绝缘气体以及气室结构设计能够满足绝缘开关柜的运行需求。
参考文献：
[1]张伟，姚光，左杰，于晋海.35kV及10kV环保型气体绝缘开关柜的应用研究[J].科技经济导刊，2018，26（22）：44+46.
[2]李鸿一. 40.5kV智能C-GIS开关柜设计与绝缘分析[D].沈阳工业大学，2017.
论文作者:林勤旭
论文发表刊物:《基层建设》2019年第17期
论文发表时间:2019/9/16
标签：气体论文; 开关柜论文; 电场论文; 断口论文; 强度论文; 结构论文; 环保型论文; 《基层建设》2019年第17期论文;