SF6气体绝缘开关装置的小型化与智能化探讨

概述了SF6气体绝缘开关设备如金属封闭开关设备和户外紧凑型开关设备的发展，指出小型化和智能化是发展趋势。关键词：六氟化硫；开关设备；小型化；人工智能SF6气体具有电气强度高、灭弧能力强、无液化问题、化学稳定性好等优点。它是迄今为止最理想的绝缘和灭弧介质1并已广泛应用于开关器件领域。目前，SF6气体绝缘开关设备主要包括SF6气体绝缘金属封闭开关设备和户外紧凑型组合开关设备(如PASS)。随着电力工业的不断发展和高新技术的应用，世界几大开关制造公司的SF6气体绝缘开关设备的设计和制造水平不断提高。小型化和智能化是SF6气体绝缘开关设备的发展趋势。以下分别描述了地理信息系统和户外紧凑型组合开关设备。小型化的意义随着城市用电量的迅速增加，252座变电站和550kV变电站已经进入城市或郊区。在现代城市征地成本高、征地困难的情况下，使用小型化的地理信息系统可以减少占地面积，大大降低投资成本。与传统的地理信息系统相比，小型化的地理信息系统结构更简单，零部件更少，价格明显低于传统的地理信息系统。在相同的技术参数配置条件下，价格一般是传统地理信息系统的70% 80%。目前，制约地理信息系统广泛应用的主要因素是其设备成本高。因此，从经济角度来看，地理信息系统的小型化可以促进地理信息系统的进一步普及和应用。与传统地理信息系统相比，小型化地理信息系统安装更加灵活，可以满足一些城市的需求。变电站特殊布局的要求将为变电站布局与周围环境的协调创造更好的条件。更重要的是，地理信息系统的小型化有利于环境保护。由于SF6气体是一种温室气体，它被列为需要全球控制的六种气体之一。因此，如何减少电力设备中SF6气体的使用量是人们非常关心的问题。地理信息系统的小型化可以减少SF6气体的量，并且由于小型化地理信息系统的密封零部件数量远少于普通地理信息系统，可以减少SF6气体的泄漏，因此小型化是目前减少SF6排放和保护环境的较好解决方案。简而言之，从经济角度、安装灵活性或环境保护角度来看，小型化应该成为地理信息系统发展的趋势。实现小型化的主要途径地理信息系统的小型化不仅简化了体积，而且合理地简化了组件和布局，提高了运行的可靠性。实现小型化有三种主要方法：(1)减少断路器断裂的次数。早期SF6断路器单元断裂电压等级为126kV.目前，断路器制造技术发展迅速。一些大型外国开关设备制造公司已经达到550kV和800kV.的单位断裂电压目前，中国也有工厂。研究人员已经成功开发了550kV单断路器。与双断口断路器相比，相同技术参数的单断口断路器的技术经济性能有了很大提高。以中国生产的363 (420) kv SF6柜式断路器为例2，将双断口断路器与单断口断路器(如图1所示)进行比较，可以看出单断口断路器在柜长、气室容积、质量或零件数量等方面均优于双断口断路器。在地理信息系统中使用单断口SF6断路器，可以简化结构布置，大大减少占地面积和零件数量，从而实现地理信息系统的小型化。两组主接线和技术参数相同，分别采用SF6单断口柜式断路器和SF6双断口柜式断路器的典型双母线间距进行对比。前者的体积仅为后者的56%。图1 363(420)kV双断口断路器与单断口断路器的比较1-罐体长度；双气室vo(2)三相共缸。与分相布置结构相比，三相共缸结构一般可减少40%以上的占地面积，节省材料，减少密封零部件数量，减少SF6气体泄漏，提高产品可靠性。此外，还可以减少壳体的涡流损耗以及现场安装和维护的工作量。目前，日本的产品已经实现了363kV GIS三相共缸结构和550kV GIS母线三相共缸结构，同时探索开发了550 kV三相共缸GIS。世界上所有主要的开关设备制造公司都在开发一种三相圆柱结构。电压低于170kV的GIS产品几乎都是三相圆柱形结构。(3)使用小部件。用小组件代替传统的地理信息系统组件，可以使地理信息系统的布局更加紧凑，大大减少地理信息系统的体积，实现地理信息系统的小型化。例如，日本三菱公司为地理信息系统开发了一种新型的氧化物避雷器3，它使用一种新型的氧化锌阀板，并通过使用新的添加剂来减小氧化锌颗粒的尺寸。图2示出了氧化锌阀板和传统氧化锌阀板之间的伏安特性的比较。可以看出，在相同的厚度下，新阀板的耐压大约是传统阀板的两倍，因此串联阀板的数量减半。新型避雷器的体积是传统避雷器的40%-60%，更重要的是，避雷器的剩余电压降低，从而降低被保护设备的雷电冲击耐受水平(LIWL)，减小地理信息系统的绝缘尺寸，实现地理信息系统的进一步小型化。此外，日本日立公司还在地理信息系统4中使用了高电位梯度(400伏/毫米)阀板的氧化锌避雷器，减少了被保护设备的LIWL，减小了地理信息系统的尺寸。图3显示了安装有传统阀板和高电位梯度阀板的22kV GIS内部避雷器的结构比较。从图中可以看出，新型避雷器的高度仅为传统避雷器的53.2%。图4显示了66 77kv地理信息系统结构与传统避雷器和新型避雷器的比较。可以看出，带有新型避雷器的地理信息系统在尺寸上明显更小，在布局上更紧凑。又如，光电电压/电流传感器被用来代替传统的电磁变压器。基于法拉第效应的光电电流传感器和基于普克尔斯效应的电压传感器可用于地理信息系统。它们的体积比传统的电磁变压器小得多，可以消除测量过程中的电磁干扰，并具有良好的光纤绝缘可靠性。光电传感器的输出稳定性很好，其输出特性曲线如图5 5所示。从图中可以看出，光电传感器的输出变化率在1%以内。光电倍增管的安装空间仅为传统电压互感器的1/3，光电倍增管的安装空间仅为传统电流互感器的1/24。因此，使用光电传感器是实现地理信息系统小型化的途径之一。图2新氧化锌阀板与传统氧化锌阀板的伏安特性(相同厚度)比较1-新的氧化锌阀板；2-常规氧化锌阀板图3 22kvGIS避雷器结构比较常规氧化锌阀板；新的氧化锌阀板图4 66 77kvGIS结构与不同类型避雷器的比较(a)常规避雷器；(b)新的避雷器图5光电传感器输出特性曲线(a)光电电流传感器(I=1200 a)；(b)光电电压传感器3智能地理信息系统地理信息系统的智能化主要是指二次监控系统的智能化。传统地理信息系统的二次监控系统由多个电磁继电器、多触点辅助开关、行程开关和压力开关组成，可靠性差。由于产品运行状态不明，地理信息系统的维护只能以传统方式进行。采用二次监控智能系统可以解决上述问题。二次监控智能系统主要包括6号：电压和电流传感器；(2)断路器执行器；(3)气体密度测量传感器；(4)隔离开关和接地开关(1)采用高可靠性、长寿命的信息传感器。近年来，罗果夫斯基线圈已被用作电流传感器。它是一个空心环形线圈，在测量范围内没有磁饱和问题，测量电流范围宽，频带响应范围宽，无信号失真，结构简单，体积比传统电流互感器小得多。(2)数据处理采用微机数据处理系统。微机数据处理系统安装在地理信息系统中，体积小，功能强。它能对采集的数据进行模数转换、算术逻辑运算、记录等操作，具有良好的实时性、准确性和可靠性。(3)根据维修情况。通过对微机数据处理系统处理的数据进行分析，并根据运行经验和运行规则确定是否需要维护，可以最大限度地减少地理信息系统的维护工作量，提高地理信息系统的使用寿命。目前，该监测系统主要监测GIS的绝缘性能、机械性能和电气性能，并采用了一些相对较新的技术，如红外技术和超声波技术。4户外紧凑型组合开关设备户外紧凑型组合开关设备与地理信息系统的主要区别在于，它采用高度集成的高压部件，这些部件可制成模块，包括SF6气体绝缘模块和空气绝缘模块。这种开关设备的主要优点是：(1)与开式开关设备相比，可大大节省占地面积，有时可将占地面积减少到60%。(2)与地理信息系统相比，大大节约了成本。户外紧凑型组合开关设备的发展趋势也是小型化和智能化。目前，这类产品的代表主要是ABB的插入式开关系统(PASS)。本文主要以PASS为例介绍户外紧凑型组合开关设备。ABB的插头和开关系统有一个金属外壳，带有断路器、隔离开关、接地开关和电压/电流传感器。绝缘介质是SF6气体，其结构如图6 7所示。图6孔型系统结构图1-组合电压/电流传感器；2-断路器；3-组合隔离开关/接地开关；4间隔控制单元；5-主要保护；6-后备保护；7-光纤总线PASS的主要功能包括：(1)采用先进的组合电压/电流传感器技术和组合隔离开关/接地开关技术，使设备更加紧凑。(2)在测控保护系统中，采用计算机技术、数字技术和光纤通信技术来支持数字继电器。继电保护系统引入微机处理和分段监控保护，实现二次监控系统的智能化。(3)采用预安装技术，整套设备出厂前安装调试完毕。设备到达现场后，可在几个小时内安装PASS，实现“即插即用”功能。(4)每台PASS每隔一段时间配备一个现场控制柜，带内部控制和保护装置，即二次技术集成。与地理信息系统相比，具有相同技术参数的管道系统比地理信息系统使用更少的SF6气体。因此，从环境保护的角度来看，PASS比GIS有更多的优势。图7 7将通过间隔与传统开放式变电站的布线进行比较。可以看出，PASS在间隔线路侧节省了一组隔离开关和接地开关。这是因为线路侧的隔离开关和接地开关主要是为了维护而安装的。由于PASS间隔安全可靠，其长期工作稳定性是传统敞开式变电站的5 10倍。因此，可以省略线路侧的隔离开关和接地开关。图7传统开放式变电站的通过间隔与连接的比较(a)通过间隔；传统的开放式变电站目前PASS广泛应用于变电站的新建、改建和扩建工程中。许多国外大型制造公司都非常重视户外紧凑型开关设备，并相继开发了许多产品，如日本三菱公司、CAIS三菱公司和ABB公司的紧凑型等。目前正朝着更小型化和智能化的方向发展。结论马口铁皮和户外紧凑型组合式开关设备的未来发展趋势主要是小型化和智能化。户外紧凑型组合式开关设备具有可靠性高，方便灵活的特点，将是未来新建、改造和扩建变电站的首选。总之，未来的SF6气体绝缘开关装置的发展将更加重视环保问题，减少SF6气体的使用和泄漏率，在二次监控系统中采用高新技术，提高装置的灵活性和适应性，加快小型化和智能化的进程。6 参考文献1邱毓昌。马口铁皮装置及其绝缘技术。北京：水利电力出版社，1994年年.2侯平印，江洪。马口铁皮小型化探讨。西安高压电器技术，2002，(4):1 5.3石基米亚s。等。新型氧化锌避雷器的研制.电气和电子工程师学会学报”.电力输送，1998，13(2):465472 .4白川方明等。高梯度氧化