一种环保型智能HGIS组合电器的技术研究

一种环保型智能HGIS组合电器的技术研究

张亮1吕亮2傅三川3张锴玮4包红旗5张闪

（1国网绍兴供电公司浙江绍兴312000；2国网绍兴供电公司浙江绍兴312000；

3国网绍兴供电公司浙江绍兴312000；4国网绍兴供电公司浙江绍兴312000；

5中电新源智能电网科技有限公司江苏南京211113；6中电新源智能电网科技有限公司江苏南京211113）

摘要：主要讲述一种新型环保型HGIS高压组合电器，它用N2替代SF6气体绝缘，解决了灭弧用SF6气体产生的有毒低氟化合物的问题；通过研究一种具有选项功能和串联结构的模块化真空断路器，即采用两套完全独立运行的永磁操动机构的罐式真空断路器（即双断口形式的真空灭弧室）灭弧，提高了设备的可靠性和安全性，由于不再使用SF6气体，避免了环境污染。该环保型智能HGIS组合电器适用于高寒地带的工矿企业、发电厂及变电站，其技术应用具有极其重要的研究价值和推广意义。

关键词：真空环保；HGIS；SF6

TechnicalResearchonEnvironment-friendlyCompositeApparatusofIntelligentHGIS.

FuSanchuan[1]，LvLiang[2]，ZhangKaiwei[3]，ZhangLiang[4]，BaoHongqi[5]，ZhangShan[6]

（［1］StdteGridofShaoxingElectricPowerCo.，Ltd.，ZhejiangShaoxing312000；［2］StdteGridofShaoxingElectricPowerCo.，Ltd.，ZhejiangShaoxing312000；［3］StdteGridofShaoxingElectricPowerCo.，Ltd.，ZhejiangShaoxing312000；［4］StdteGridofShaoxingElectricPowerCo.，Ltd.，ZhejiangShaoxing312000；［5］ChinaPowerNewEnergySmartGridTechnologyCo.，Ltd.，JiangsuNanjing211113；［6］ChinaPowerNewEnergySmartGridTechnologyCo.，Ltd.，JiangsuNanjing211113；）

[Abstract]Anenvironment-friendlycompositeapparatusofintelligentHGISisintroducedinthispaper.ItusesN2insteadofSF6forgasinsulationtogetridofthetoxiclowfluorinecompoundsgeneratedbySF6inthearcextinctionprocess.Byconsideringacertainmodularvacuumcircuitbreakerwithselectivefunctionandseriesstructure，twoindependentlyoperatedtankvacuumcircuitbreakerswithpermanentmagneticactuator（i.e.vacuuminterrupterwithdoublebreakforms）areusedtoextinguishthearcsoastoguaranteethereliabilityandsafetyoftheequipments.EnvironmentalpollutionisavoidedasaresultofabandoningtheSF6.Thiskindofcompositeapparatusisexpectedtobeusedinindustrialandminingenterprises，powerplantsandsubstationsinhighandcoldarea，itstechniquehasthepotentialvaluetoberesearched.

【Keywords】Vacuumenvironment-friendly，HGIS，SF6

1概述

目前电力系统在高电压领域主要使用SF6断路器，在110kV以上的高压领域，SF6断路器已占居断路器总产量的90%，在252kV电压等级，SF6断路器更是占到100%，SF6气体虽然具有优异的熄弧特性，但是其温室效应系数很大，为CO₂的23900倍，且在大气中的寿命长达3200年。根据《京都议定书》协议以及哥本哈根气候变化峰会决议，在全球都在倡导低碳生活的今天，SF6开关作为SF6气体的主要泄漏源，其未来不容乐观，因此在高压大电流领域使用真空断路器代替SF6断路器，对解决温室效应等问题具有一定的现实意义。

随着电力系统的快速发展，对断路器等电器设备提出了更新的要求，如快速切断故障、选相动作和长寿命的开断次数。但目前真空断路器主要应用于中低压配电系统，110kV及以上的单断口真空断路器还在研制阶段，尚不成熟。另一方面，虽然真空断路器的开断容量有了很大提高，但是仍不能满足某些输电系统的大容量短路开断的需要。

本文论述一种具有选项功能和串联结构的模块化真空断路器，即采用一种通过永磁机构操动的单项真空断路器，通过串联组合方式实现具有选相分合闸功能的大容量、高电压等级真空断路器。利用短真空间隙优良的介质恢复特性，构造一种基于永磁操动机构的真空断路器。采用两套完全独立运行的永磁操动机构的罐式真空断路器（即双断口形式的真空灭弧室）灭弧，提高了设备的可靠性和安全性。

2技术特点

本文论述研究的一种具有选项功能和串联结构的模块化真空断路器，具有一定的技术特点：

（1）整体结构采用模块化设计。与同电压等级、同容量断路器相比，绝缘结构简单；与常规断路器相比，无绝缘拉杆，独立性强，可扩展和装配化程度高。

（2）运用电子操控控制系统，控制精度高，可靠性好。

（3）采用直动式永磁操动机构，结构简单。由于每个操动机构与断路器形成独立模块，使得机构整体结构紧凑，零部件减少，从而进一步提高系统的可靠性。

虽然真空介质距离饱和性明显，单个灭弧室额定电压过高，但真空断路器触头开距小，可模块化程度高。在综合考虑双断口真空断路器的击穿统计特性、静态和动态绝缘特性、电场分布特性等相关问题，加装合适的均压组件，可以获得较为理想的双断口电压均匀分布特性，有效提高其击穿电压增益倍数，降低击穿外力，使双断口真空断路器具备优异的静态和动态绝缘特性，满足电力系统高电压领域的短路保护需要。

3产品结构特点

一种新型环保型HGIS高压组合电器，它是用N2替代SF6气体绝缘，解决了灭弧用SF6气体产生的有毒低氟化合物的问题；它采用两套完全独立运行的永磁操动机构的罐式真空断路器（即双断口形式的真空灭弧室）灭弧，复合绝缘套管安装在灭弧室两侧，下面安装三工位隔离开关，套管下部套装电子式电流、电压互感器，套管及罐体内充有高纯N2（或者SF6与N2的混合气体）做内绝缘，真空灭弧室与罐体间采用高纯N2（或者SF6与N2的混合气体）做内绝缘，每个双断口形式的真空灭弧室的断口配置分布电容（均压电容器），断路器配永磁操动机构，三工位隔离开关采用高纯N2做内绝缘，其高纯N2压力为0.4~0.8MPa（或者SF6与N2的混合气体压力为0.25Mpa~0.3Mpa），这样的配置满足了智能变电站的需求，减少了占地面积，缩短了安装时间，提高了设备的可靠性和安全性，特别是不使用SF6气体，避免了环境污染。设备外形如图1~2所示，其产品特点主要有：

图1~2环保型HGIS高压组合电器外形图

（1）采用了先进的真空灭弧原理，额定电压为126kV，开断短路电流可达31.5kA，热稳定电流通流时间长，31.5kA通流4s。断路器为机械联动操作，可实现远距离控制或就地手控。其切断能力强、性能可靠；永磁操作机构机械寿命达到10万次以上，其技术性能达到了国际同类产品先进水平；

（2）配有两套完全独立运行的永磁操动机构的罐式真空断路器。两套串联的罐式真空断路器的使用方式是：正常情况下两套断路器同时使用，只有当某一罐式真空断路器发生真空泄露或机构故障时，才将故障罐式真空断路器闭锁，使用非故障的罐式真空断路器断开回路中的负荷电流，以便对故障罐式真空断路器进行检修。使用两个独立的真空灭弧室且在断口处设置分布电容环，用于分别探测各罐式真空断路器真空灭弧室的真空度；

（3）使用高纯N2或者SF6与N2的混合气体作为绝缘气体，并采用三工位隔离/接地开关一体化设计，形成整体的HGIS高压组合电器；

（4）整体结构的设计：采用罐式断路器结构布置，便与现场整体运输与安装。采用三工位隔离开关，隔离开关的传动机构采用全密封直动方式。套管使用硅橡胶材料。罐式真空断路器的罐体为铝镁合金无缝铝管，管壁的内侧安装有复合绝缘材料，以提高其绝缘水平。

（5）可配置独立的电磁式电流互感器、电压互感器，可安装断路器的出线端或进线端，亦或两端都装，其精度均可满足用户要求。

（6）产品底架的优化协同设计使产品具有高的抗地震性能，抗震设防烈度为9度。

（7）亦可配置电子式电流互感器和电子式电压互感器及合并单元，控制柜配置数字化智能终端、HGIS状态监测系统等设备，满足智能变电站设计的规范要求。

（8）分相开断功能，三相断路器分别有各自的操作机构，通过本身智能控制系统实现分相过零点断开操作，提高开断次数。

（9）作为新型的户外高压开关设备，特别适用于高寒地带的工矿企业、发电厂及变电站。

4结论

就在目前电力系统短路电流日益增大，现有断路器面临严峻考验的背景下，具有重要的应用价值和深远的意义。通过研发新一代高压真空组合电器，可以弥补我国在该技术领域的空白，全面提高国内开关设备制造的技术水平，使我国开关行业的创新能力和国际竞争能力跃上新的台阶，更好的适应超大规模输配电网发展的需求，因而具有很高的推广价值和良好的产业前景。

参考文献：

［1］包红旗，HGIS与数字化变电站，北京，中国电力出版社，2009.

［2］包红旗，智能模块化变电站，北京，中国水利水电出版社，2016.

［3］72.5kV真空环保型HGIS的可行性研究，吴兴林，鲁旭臣，李爽，韩洪刚，陈鹏飞，国网辽宁省电力有限公司，东北电力技术，20104.

作者简介：

傅三川，1961年8月，男，浙江绍兴人，高级工程师，大学本科，长期从事变电电气设计，曾任变电电气室主任，在变电工程设计、管理具有丰富的经验，敢于探索新技术，为坚强电网作出贡献。

吕亮，1983年7月21日，男，浙江绍兴人。高级工程师，大学学士，从事智能变电站设计工作。

张锴玮，1984年5月，男，浙江绍兴人。工程师，学士，从事变电兼通信设计工作。

张亮，1962年，男。高级工程，本科，长期从事电力系统技术研究，多次承担国家电网公司、浙江省电力公司的重点科技项目，并获得多项电力科技进步奖和发明、实用新型专利，在国内著名刊物中发表过多篇技术论文。

包红旗，1958年6月，男，内蒙古通辽人。教授级高级工程，硕士，从事电力生产管理、电网调度等技术、科研工作，曾任电力公司生产部主任、调度局总工程师、中国电力科学院供用电研究所副所长等职务，在高压电器领域有很高的建树，致力于将HGIS技术引入数字化变电站，并在国内成功的建设了多个数字化变电站示范项目，为我国输变电事业的科技进步做出了贡献。

张闪，1989年7月，女，安徽淮北人。工程师，学士，从事35kV~220kV变电站设计及有关高压组合电器设备技术支持工作。