福建中能電氣有限公司的研究人員陳晶華，在2019年第1期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，SF6是種良的緣以及滅弧介質(zhì)，廣泛被應(yīng)用在柜式氣體緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備中。但其是溫室效應(yīng)氣體，而且在滅弧時會產(chǎn)生有毒氣體，因此需要開發(fā)和使用環(huán)保型氣體作為SF6的替代氣體。在中壓開關(guān)柜域，采用真空開斷技術(shù)和使用環(huán)保型氣體緣的技術(shù)日趨成熟。

本文分別對N2、CO2、干燥空氣等替代氣體進(jìn)行對比分析，結(jié)果表明N2和干燥空氣可以作為緣介質(zhì)應(yīng)用在12kV中壓域的環(huán)保型充氣柜中。同時，本文還對環(huán)保型充氣柜的隔離斷口距離和對地距離的進(jìn)行設(shè)計確定，并確定如何提高氣隙中的擊穿電壓。

柜式氣體緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（C-GIS）般被稱為充氣柜，其將真空斷路器、高低壓進(jìn)出母線、三工位開關(guān)等高壓元件封閉在充有相對壓力為0～0.1MPa氣體的金屬殼體內(nèi)。充氣柜有以下點(diǎn)： ①利用氣體緣，大地縮小了開關(guān)柜的體積和占地面積；②高壓元件被封閉在充滿緣氣體的氣箱內(nèi)，不受外界環(huán)境影響。

充氣柜中的緣介質(zhì)通常采用六氟化硫（SF6）氣體。SF6的點(diǎn)是耐電強(qiáng)度高、滅弧能力強(qiáng)、無害及化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，是種良的緣及滅弧介質(zhì)。SF6的缺點(diǎn)是溫室效應(yīng)嚴(yán)重，全球變暖潛能值是23900，而且SF6的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可在大氣中存在3200年以上，排放到大氣中基本不會自然分解。

但在過去數(shù)十年中，全進(jìn)行了大量的探索和研究，還沒有發(fā)現(xiàn)或發(fā)明種氣體能在緣強(qiáng)度、滅弧性能及化學(xué)穩(wěn)定性等方面完全替代SF6。但在12～40.5kV的中壓域，由于可以采用真空開斷，所以僅需找到種能在耐電強(qiáng)度，化學(xué)穩(wěn)定性等方面能替代SF6的緣氣體即可。

本文通過中壓環(huán)保型氣體緣開關(guān)設(shè)備的設(shè)計，對緣氣體的特性進(jìn)行對比，提出制作干燥空氣的方法，提出提高氣體氣隙中擊穿電壓的方法，設(shè)計了12kV干燥空氣緣環(huán)網(wǎng)柜。

1 緣氣體的選擇

不考慮開斷性能的話，N2、CO2和干燥空氣可作為SF6替代氣體。通過查找有關(guān)資料，CO2緣性能低，且是溫室氣體。N2和干燥空氣的緣性能都約為SF6的1/3。

表1對SF6、N2及干燥空氣的特性進(jìn)行對比。N2及干燥空氣為非溫室效應(yīng)氣體，沸點(diǎn)低，正常使用時不用考慮其液化問題，可在高寒地區(qū)使用。干燥空氣的導(dǎo)熱性能較好，N2的比熱較高。

表1 SF6、N2及干燥空氣的特性對比

N2是空氣的主要成份，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定?？諝庵蠳2含量過高，會引起缺氧窒息。因此在采用N2緣時，應(yīng)使用通風(fēng)及防護(hù)設(shè)備。采用干燥空氣緣則不必使用通風(fēng)及防護(hù)設(shè)備。

研究表明，與SF6和N2相比，干燥空氣的耐壓對金屬微粒相對不敏感，故在生產(chǎn)過程或使用過程中產(chǎn)生的金屬微粒對于干燥空氣緣的開關(guān)設(shè)備危害較小。

綜上所述，干燥空氣作為緣介質(zhì)，具有以下點(diǎn)：①綠色環(huán)保；②導(dǎo)熱性好；③設(shè)備生產(chǎn)及維護(hù)過程中可以不使用通風(fēng)及防護(hù)設(shè)備；④在生產(chǎn)過程或使用過程中，產(chǎn)生的金屬微粒對于干燥空氣緣的開關(guān)設(shè)備危害較小。

2 干燥空氣的制作

緣用干燥空氣需符合ISO 8573-1或GB/T 13277.1《般用壓縮空氣 第部分：污染物和質(zhì)量等級》中規(guī)定的質(zhì)量等級2級標(biāo)準(zhǔn)?？赏ㄟ^干燥空氣發(fā)生裝置，過濾掉大氣中的雜質(zhì)及水分，得到符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的干燥空氣。

也可通過人工合成干燥空氣，采用工業(yè)用高純N2和工業(yè)用高純O2來合成干燥空氣。人工合成的干燥空氣中含78%N2、21%O2及1%He，1%He為示蹤氣體，根據(jù)道爾頓分壓定律可知，均勻混合的干燥空氣，只要控制組分氣體的分壓力就可實現(xiàn)。

需要充灌78%N2+21%O2+1%He，充灌后混合氣體壓力為0.3MPa。計算如下：

1）負(fù)壓+正壓=0.1MPa+0.3MPa=0.4MPa。

2）N2應(yīng)充氣0.4MPa×78%=0.312MPa，減去負(fù)壓的0.1MPa，等于0.212MPa，也就是說，將N2充到0.212MP即可。

3）O2應(yīng)充氣0.4MPa×21%=0.084MPa，加上N2的0.212MPa等于0.296MPa。也就是說，將O2充到0.296MP即可。

4）He繼續(xù)充灌到0.3MPa，完成充灌。

可見，干燥空氣制備方便，經(jīng)濟(jì)性好。

3 干燥空氣下對地距離及隔離斷口距離

單純以空氣作為緣介質(zhì)的金屬封閉開關(guān)設(shè)備，當(dāng)額定電壓為12kV時，相間和相對地的小空氣間隙為125mm。若能夠通過凝露試驗，則小空氣間隙可適當(dāng)小于上述規(guī)定的距離。因此，在用干燥空氣緣的開關(guān)設(shè)備中可適當(dāng)減少小空氣間隙。

提高氣體氣隙中擊穿電壓有兩種方法：①改善氣隙中的電場分布，均勻電場；②設(shè)法削弱和抑制干燥空氣中的電離過程。

改善電場分布的方法有3種：①改善電形狀；②利用空間電荷；③不均勻電場中增加屏障。

電間電場不均勻系數(shù)越低，氣隙的大電場強(qiáng)度也就越小。因此，可以通過改善電形狀的方法來減小氣隙中的大電場強(qiáng)度，以改善電場分布，提高氣隙的擊穿電壓，如圖1所示，出線母線選用圓形母線，相對同等截面的銅排，電場不均勻系數(shù)更低，從而減小大電場強(qiáng)度。

圖1 出線母線

如圖2所示，動觸頭采用R角銅排，邊緣導(dǎo)圓角，消除表面尖角。開關(guān)上的鈑金件，均需消除表面毛刺及表面尖角。

氣箱內(nèi)表面焊渣和帶電體表面尖角均會導(dǎo)致電場集中，故均需清除。在不均勻電場中，放入緣板，在定條件下可以顯著提高間隙的擊穿電壓。緣板能攔住與電暈電同號的空間電荷，這樣就能使電暈電與緣板之間的空間電場減小，使得氣隙電場分布均勻。如圖3所示，本充氣柜在相間及相對地間的氣隙間加入緣板，可顯著的縮小相間及相對地的緣距離，從而縮小氣箱深度。

圖2 動觸頭

圖3 三工位開關(guān)

削弱和抑制干燥空氣中的電離過程的方法有3種：①高氣壓的采用；②高真空的采用；③高電氣強(qiáng)度氣體的采用。高氣壓及高真空對氣箱強(qiáng)度要求高，且容易發(fā)生泄漏。常用的、能工業(yè)化應(yīng)用的高強(qiáng)度氣體就是SF6，其他替代氣體（PFC氣體、CF3I氣體）仍未工業(yè)化。

綜上所述，在本充氣柜的設(shè)計中，提高氣體氣隙中擊穿電壓主要采用的方法為改進(jìn)電形狀、不均勻電場中增加屏障。

另外，需控制氣箱內(nèi)干燥空氣的微水含量，水分過高，容易發(fā)生凝露，導(dǎo)致局部電場集中，緣件表面發(fā)生沿面閃絡(luò)，故氣箱內(nèi)緣件需烘干，消除水分對沿面緣的影響。

通過上述措施，經(jīng)過反復(fù)緣實驗，在零表壓下，得到的小空氣間隙為：圓形母線相間、相對地80mm；隔離斷口105mm，可以保證相間及相對地的工頻耐壓可以達(dá)到42kV/min，雷電沖擊可以達(dá)到75kV。隔離斷口工頻耐壓可以達(dá)到48kV/min，雷電沖擊可以達(dá)到85kV。

結(jié)論

本文介紹了中壓環(huán)保型氣體緣開關(guān)設(shè)備的設(shè)計及相關(guān)問題，總結(jié)如下：

1）通過對N2、CO2，干燥空氣等替代氣體進(jìn)行對比分析，得出結(jié)論，即干燥空氣具有較好的緣性能和導(dǎo)熱性能，設(shè)備生產(chǎn)及維護(hù)過程中可以不使用通風(fēng)及防護(hù)設(shè)備，是理想的環(huán)保型氣體緣介質(zhì)。

2）本文介紹了干燥空氣的制作方法，可通過干燥空氣發(fā)生裝置或用工業(yè)用N2和O2按比例合成。

3）在10kV環(huán)保型充氣柜設(shè)計中，在微正壓（相對壓力0.01MPa）干燥空氣下，提高氣體氣隙中擊穿電壓的兩種方法是，改進(jìn)電形狀和不均勻電場中增加屏障。