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浅析环境友好型中压开关设备技术优劣

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  摘  要:随着智能电网的普及,配电网建设成为研究的热点这对于配电网中压开关设备的要求越来越高。该文以我国配电开关关注热点和发展趋势为背景,介绍了环境友好型中压开关设备的发展现状,综述了气体绝缘柜、固体绝缘开关设备等环境友好型中压设备的发展现状,性能优劣,希望为配电开关行业的发展提供建设性建议。
  关键词:配电开关;中压开关设备;环境友好型
  中图分类号:F323.3             文献标志码:A
  0 引言
  近年来,随着智能电网的普及,配电网建设成为研究的热点,这对于配电网中压开关设备的要求越来越高。目前,开关电器设备要向着高可靠性、低污染性、易维护性、高智能型的方向发展。其中低污染性的和高智能性是我国配电开关的发展重点。笔者就中压开关设备的发展趋势,总结了智能化中压开关设备、环境友好型设备的技术特点,性能优势,并展望了未来的发展方向。
  1 环境友好型中压开关设备概述
  有研究表明,以分SF6分子的温室效应影响是一个二氧化碳分子温室效应影响的240 000倍,且SF6分子很难被分解,在自然环境下要约3200年才能自然分解。在全球范围内,SF6气体生产约50%用于电力行业,这其中开关设备的使用占据了约80%。我国的SF6气体污染情况更加严重,在电力行业安装人员检修SF6充气设备时,由于检修人员环保意识薄弱,常常出现SF6没有全部回收的情况。因此,虽然SF6的中压设备性能良好,但是由于其对环境不友好,发展不用SF6气体的中压开关设备技术成为研究的热点,例如固体绝缘开关设备、干燥空气或者氮气绝缘设备以及SF6和氮气混合气体绝缘开关设备[1]。
  2 环境友好型中压开关设备现状
  目前在中压开关设备制造领域,避免SF6气体应用的技术路线有2种,一种是固体绝缘开关设备(SIS),即使用固体绝缘介质替代SF气体;另一种称之为环保气体绝缘开关设备(GIS或者C-GIS),这种技术采用没有温室效应的气体替代SF6气体,例如清洁干燥的空气、氮气等。2种技术都有其特有的优势,例如SIS设备结构更加紧凑,在低额定电流配电网应用较多;而GIS在额定电流等级较高的配电网应用较多。GIS目前已经成为日本中压开关配电市场的主流产品。我国在该领域的研究起步较晚,21世纪初才开始投入研发,到目前为止已经实现了GIS设备的小批量生产以及小范围试运行,目前正在从小批量生产走向大批量供应的道路。
  2.1系统结构
  笔者以我国某电器公司自主研发的环保气体绝缘开关设备为例,阐述其系统构型。在环保型气体绝缘开关中,技术关键是能否实现在无SF6气体情况下的真空开断,该公司经过不懈的科研努力,目前已将真空开断技术应用于生产的设备之中。而目前国内中压开关设备领域也已经近9成实现了真空开断技术的应用。该设备断路器极柱采用了谷丰设计,降低內部气体氩气要求,以提高外绝缘强度。该设备尺寸与目前市场上的SF6C-GIS设备基本相同,且具备独立的自主知识产权,为我国首台未利用SF6气体工艺的C-GIS环保气体绝缘开关设备。
  2.2 中压智能开关设备优点
  智能化中压开关设备集开断功能与控制功能于一体,不仅具备基本的开关控制功能,还可以在运行过程中对运行数据进行检测以及智能故障诊断。它配备变送器、执行器和电子分析设备等。其优点包括操作自动化、自我诊断与在线检测、配电系统自动化、智能化保护测控等。
  2.2.1 操作自动化
  操作自动化是智能化中压设备的初级功能,它实现了中压设备操作流程的程序化和自动化,使设备按照事先设计好的程序自行运转,减少人工管理成本。
  2.2.2 自我诊断与在线检测
  智能化的中压开关设备可利用设备装配的数据搜集传感器采集运行过程中的各种参数,实现数据的及时监控,同时可将数据上传至数据分析设备集中分析,从而实现对设备自身运行状态的及时检测,并根据数据分析结果,及时及时发出故障报警,还能智能定位故障发生区域。
  2.2.3 配电系统自动化
  配电系统自动化使较高级的智能化阶段,具备该功能的中压开关能实现配电网的自动化配电,即以每个智能化开关柜为基本元素,把每个开闭所和配电室作为智能网络,从而实现日常管理的智能化[2]。
  2.2.4 智能化保护测控
  智能控制设备要求能够适应开关的智能保护测控。其具有的功能包括保护功能;监视功能;控制功能、测量功能和通信功能。1)保护功能。其包括短路保护、低电压保护、过电压保护、接地故障保护以及断路器失灵保护等。2)监视功能。其能够实现终端设备的自我检测、电闸过后回路电流的监视以及断路器运行状态的实时监控等。3)控制功能。可以通过远程计算机或者遥感设备对设备进行远程或就地信号控制,可以保护合闸和跳闸。4)测量功能。测量功能能测量相电流、相电压相对地电压的数值。5)通信功能。该功能能够与远程计算机或者变电站进行远程通信。
  3 环境友好型中压开关设备的发展
  如前文所述,环境友好型中压开关设备包括两条技术路线:环保型气体绝缘技术和固体绝缘技术,本节就该两条技术路线应用下的环保型中压设备产品进行简要讨论。
  3.1 气体绝缘柜
  气体绝缘柜也叫做GIS,或者C-GIS。设备通常是把各种高压原件密封在容器内,并在容器中充入少量的绝缘气体。目前,应用绝缘气体有混合气体、改造空气、氮气、二氧化碳等,而先前提到的具备强烈温室效应的SF6气体已基本不采用了。就国内来说,环保气体绝缘柜一般有3种类型。1)采用干燥空气的设备,使用电压一般在12 kV~40.5 kV。2)采用氮气和二氧化碳的设备,12 kV的设备使用较多。3)采用SF6设备,国内基本已经很少采用,但是SF6和氮气的混合设备在40.5 kV的设备中使用较广泛。   环保气体绝缘柜优势明显,除了低污染以外还包括4点。1)体积小,采用环保气体的设备柜体尺寸小,节约成本,不占地。2)易于维护,外界环境很难影响到柜体内的高压环境,高压元器件在高压环境下不易老化,即使需要维护,维修人员在维护过程中也不需对气体进行回收,维护操作简单方便。3)高模块化,设备之间可灵活组合,拼接方便。4)可靠性强,高压元器件均密封在充满气体的金属容器箱内,容器箱接地,确保在运行维护过程中工作人员的安全[3]。
  3.2 固体绝缘开关设备
  我国最早引入国内的固体绝缘开关设备为荷兰的霍力克公司生产的真空型环网柜,该设备尺寸较小,北京于2007年首次应用该设备。
  该设备的开关和灭弧室绝缘材料采用真空介质,固体材料应用在外绝缘处,运用固封极柱技术密封绝缘筒,以上技术使得真空灭弧室、主导点回路和绝缘支撑等形成一个整体,实现整个设备的全密封、全绝缘结构。且设备无需维护,体积小,各单元可拆卸更换,方便组合。环氧树脂材料制作的绝缘筒以及硅橡胶制作的母线密封性良好,具有很强的耐极端环境性能,从根本上解决了SF6气体高温膨胀的问题。
  3.3 性能比较
  2种技术路线的中压开关设备性能各有侧重,适用范围各有不同。就体积来说,两者产品体积都小,不占用地,且维护量小,维护安全。而固体绝缘环網柜无温室气体排放,而环保绝缘开关柜有少部分温室气体排放,原因是SF6混合气体柜含少量SF6气体。两者对使用环境要求低,其中固体绝缘环网柜无使用环境要求,而环保气体绝缘开关柜因含少量SF6气体,因此对使用环境有少许要求。就使用安全性而言,固体绝缘环网柜局部放电不稳定,绝缘材料一旦损坏难以恢复,而环保气体绝缘开关柜则不存在以上问题。固体绝缘环网柜在使用过程中材料损耗较多,环保气体绝缘开关柜则较少,且前者大额定电流较小,后者较大,在使用过后,前者难以回收再利用,后者可回收再利用。性能比较见表1。
  4 结论与展望
  环境友好型中压开关设备市场效益好,环境代价小,其越来越受到人们的关注,在未来,中压开关设备必然也要继续向着智能化、低污染化的方向发展,企业应该加大投入,智能化、低污染化的中压设备必然能赢得市场的青睐。
  参考文献
  [1]孙竹森,兰剑.环保型金属封闭开关设备的技术特点与发展趋势[J].中国电业(技术版), 2014(6):53-56.
  [2]张交锁.中压环保型气体绝缘开关设备的实现及关键技术[J].中国电业(技术版),2014(6):35-38.
  [3]兰剑,王承玉,李庆余.中国配电开关应关注的发展热点[J].高压电器,2015(10):223-226.
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