6ES7223-1PL22-0XA8产品信息

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气体断路器的性能评价和使用环境的变化
        我国的电力系统随着社会经济的发展，城市的电力需求量急剧地增大，以及大容量电源也远距离化，为了率、高可靠性地送电而实现了送电设备的高电压大容量化。随着这种系统规模的扩张，则要求断路器在实现高电压大容量化的同时，保系统仍能可靠地在各种各样的严酷的条件下稳定地运行。
        另外，为了降低变电站建设成本和设备运行成本、与周围环境相协调等，还期望能够降低断路器的开断断口数以及进一步小型化、提高设备异常和寿命诊断水平、减小噪音和振动。对断路器开断性能的评价和操作特性及机械寿命的评价等必须要结合断路器的使用环境，将性能评价方法和评价基准一直不断地修改下去。
2.1    影响机械性能评价的系统及使用条件
        断路器是系统的保护设备，故极其重要。为此．一直实施的是定期地且按统一内容确认断路器的性能及健全性的检查。但是由于提高设备可靠性和运行维护省力化的要求等，较近倾向于省略掉6年一次的普通检查等，延长间隔。并且，针对SF6气体中零件的内部也倾向于不实施定期检查。主要采取通过外部诊断进行确认的方法。
        这样一来，有关影响到操作性能和开断性能的机械性能的诊断技术，从断路器的开发阶段开始，对设备的动作特性和强度•寿命都非常重要。下面对此方法做一介绍。
2.1.1    影响操作性能评价的系统及使用条件
        对断路器而言，除要求它在系统及设备出现故障时履行开断职责外，还要求它根据使用断路器的系统·设备的使用条件和自然环境条件履行各种职责。
        (1)  安装环境的变化
        由于变电站征地困难，为了有效地利用土地，在高层建筑物的地下设置变电站的例子已越来越多，从而要求包括断路器在内的GIS等设备的小型化。并且即使是户外变电站，由于考虑到环境因素，也同样要求设备要小型化。如三相共简化和重叠组合化等。为此，就必须要进行断路器相间影响以及GIS元件之间的相互影响等的评价。
        此外，由于地下变电站一般多设置在行政办公大楼及图书馆、大会堂等公共设施的地下，故要求进一步降低操作振动。
        (2)周围环境的变化
        在JEC-2300中，作为常规使用状态，标准规定的周围温度为-20～40℃。而在日本全年温度变化及1天的温度变化都很大的自然环境下，仍要求在温差很大的环境下能够确实地动作。此外，不单单是周围温度的变化，还要求在因冰雪及放射冷却等造成的急剧温度下降、因日照的影响造成的暂时性温度上升等苛刻的环境条件下也能使用。现在以油压操作及弹簧操作为主的SF6气体断路器由于周围环境会使动作特性发生变化，所以预先掌握其倾向、进行性能评价是很重要的。
        (3)  架空送电线用断路器
        为了系统的稳定性，就要求架空送电线路用断路器具有快速重合闸操作功能。在275kV以上(一部分为154kV)进行各相重合闸的事例很多，故必须对油压和弹簧等操作装置特性进行一连串动作功能的评价。
        另外，为了调整电缆系统的无功功率，需要分合电缆线路，故也必须进行频繁操作的评价。
        (4)非频繁操作
        许多断路器一般不太动作，根据不同场合，有些断路器2～3年以上也未动作一次。在长时间的静止状态下一旦接受指令，操作装置、整体驱动系统则必须要准确地动作，因此非频繁操作性能的评价很重要。
2.1.2    影响机械性能评价的系统及使用条件
        与上述相反，有的断路器需要动作多次，故对机械方面的要求很严格。
        (1)频繁分合操作功能
        较近为了迅速满足负荷变化的要求，需频繁地调整火力发电厂和扬水发电站的输出功率，增加发电机的起动、停止次数。例如有些地方几乎每日都要通过DSS(Daily Start Stop)操作来进行分合操作。为此，要求断路器具有多次操作性能。这种开断功能为励磁电流开断，非常地苛刻。另外，使用在电容器等调相设备中的开关，由于随着负荷的变化要进行日常频繁地分合操作故也要求要具有频繁操作功能。
        当然，为了降低运行成本、维护省力，需要提高频繁操作性能，因此，性能评价技术很重要。
2.2    影响开断性能评价的系统及使用条件
        如前所述，为了和周围环境相协调，降低变电站的建设费用，设备的小型化是当务之急。而实现小型化的技术良策关键就是断路器的小型化，较近通过热气流解析和电场解析等的数值解析技术、制造技术及试验技术的提高，迅速地推进了SF6气体断路器的高电压化和开断单元的大容量化。从而减少了开断断口数、通过减少零件个数提高了可靠性、随着小型化和三相共简化而缩小了安装面积，提高了经济性。有关开断断口数，500kV 63kA设备已经实现了单断口。1000kV 63kA设备也已开发出了双断口。且275kV63kA设备已经三相共简化，为满足这种小型化要求．开断性能的评价技术已变得越来越重要。
2.2.1    影响有负荷开断性能的系统条件
        (1)  开断电流的增大
        由于发电机并联台数的增加以及电网的系统连系的加强，使相间短路和对地短路电流显著地增大，现在，一部分275kV、500kA系统中需进行63kA的电流开断。为了控制相间短路、对地短路电流，必须采取设备增强及系统分断、母线分离运行等措施，但从设备投资方面、系统使用的可靠性方面来考虑是有困难的，要研究将来的开断电流达80kA的问题。
        (2)  直流分量的增大
        随着电源的集中，变压器和发电机的阻抗占到短路阻抗一大半的系统扩大后，直流部分的衰减时间常数超过了现行JEG标准所规定的45ms(在500kA系统中为75ms)。
        (3)  TRV条件的多样化
        随着系统规模的扩大和复杂化，发生了一些新的系统现象和TRV过于苛刻。例如，在为抑制短路电流采用了放射状系统的275kV系统中，由于并联的送电线数量较少，通过变压器从500kV侧供给的故障电流增大，因此TRV十分苛刻，有时开断电流达60kA、TRV上升率为4kV/μs。并且，在开断线路远方故障的LIF开断条件下，TRV峰值有时令超过规定值。
        (4)高电压运行
        断路器为系统保护设备，考虑到因系流较高电压如变压器过电流等造成的电压调整的偏差，故其额定电压是公称电压的1.1倍。因此，断路器实际使用的系统电压要比额定电压低5～10%，即相对于断路器的额定电压有一定的裕度．较近由于系统的稳定性要求，断路器在比过去更接近额定电压的高电压下运行的情况增加了。
        (5)  开断电流的变化
        由于故障时的暂态过程会造成对地短路故障的故障电流发生高频电流重叠，所以开断电流会变化。这种高频电流因送电线和变压器的电阻会立即衰减。但是在1000kV系统中，有8个导体的多导体送电线路阻抗很小，使高频电流的衰减很慢，从而它的影响很明显。开断电流变化了的场合，由于与正弦波相比，di/dt变大，TRV初始上升率十分苛刻，所以就需要研讨开断性能。
2.2.2    影响无负荷开断性能的系统条件
        (1)  电缆系统的开断功能
        伴随着电缆系统的扩张。线路延长了，在275kV系统中，线路长度超过了30km。该场合的无负荷充电电流达600A，大大地超过了200A的标准值。尤其是今后500kV电缆系统的使用，必须要开断1000A的容性小电流。
        (2)  大容量并联电容器开断功能
        电容器组的投切对应于负荷的变化，每天要很频繁地进行，这就要求具有频繁操作性能。为此，一直多采用具有良好频繁操作性能的真空开关。当使用SF6气体断路器时，有时合闸予击穿电弧的发生所造成的触指的损耗会超过开断电弧所造成的损耗。因此，在评价频繁操作性能时，与一般的开断试验不同，要对合闸和开断这两个方面进行充分验证。
2.2.3    影响绝缘配合的系统条件
        在275kV电缆系统中由于充电电流非常大，作为补偿设置了150MVA、200MVA的大容量并联电抗器。在这种并联电抗器开断中，当发生截流、重燃弧、灭弧时，可能出现电压增大的现象，有可能发生电压升高，所以必须要掌握感性小电流开断现象和控制分闸相位等措施。
2.2.4    需要使用电阻开断方式的系统条件
        架空送电线的空气绝缘距离(间隙)主要是由操作过电压决定的。在1000kV级领域中，由于空气绝缘特性呈饱和倾向，所以伴随着断路器操作的操作过电压增大时，就会导致铁塔的大型化。在操作过电压中，有断路器合闸及开断时产生的过电压和故障时感应到健全相的对地短路过电压，如果能控制在无控制手段的对地短路过电压水平(1.6pu)的话，就可以实现合理的绝缘设计。因此，在1000kV系统中预计断路器要加上500kV系统的电阻合闸，并且采用电阻开断方式(1)(2)。合闸开断电阻值接近于1000kV送电线的波阻抗值700Ω。
        由于使用的是电阻开断方式、故开断时的TRV不算苛刻，这是因为与无电阻场合相比，初始TRV上升率被控制住。在开断性能的验证方面，在原来以电容器作为电压源的合成试验法中，存在电容器的残余电荷急剧地放电，不能获得所需的TRV等问题，故开断性能的验证方法是一个问题。
2.3    小结
        随着电力需求量的增加，系统规模的扩大和复杂化、围绕变电站环境的变化以及省力化维护等，期望实现断路器的高电压大容量化、小型化、高可靠性。图2.1所示为断路器所需的诸性能及期评价技术。针对这些要求，不但要开发设计技术、制造技术，还要开发断路器的电气和机械性能评价技术。这一点更加重要

高压开关设备一般为空气绝缘开关设备（AIS）、气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）。20世纪90年代后期，世界上出现了一种紧凑型组合式高压开关设备。这种设备综合了敞开式和封闭式开关设备的优势。它将高压元件高度集成，使高压开关设备更加紧凑。目前多数人称其为HGIS，即“半GIS（Half GIS）”，这与敞开式开关设备相比，把断路器、隔离/接地开关、CT、PT、避雷器等集成为一个模块，大大节省了占地面积，提高了设备可靠性；与GIS设备相比，省略了封闭式母线，大大节省了费用。欧洲当时正处于20世纪50年代和60年代老变电站改造期间，用此设备可节省费用和减少占地面积。因此，欧洲几大公司竟相开发此种产品。包括ABB的PASS型、三菱的MITS型、西门子的HIS型、Alstom的GIM型等。随着HGIS设备使用的升温，我国高压开关制造厂家也应更多关注这种设备，以满足电力部门要求缩小占地面积又节省投资的要求。

近年，在某些地方受限制不能选用AIS、投资又较紧张不能选用GIS的电站，推广使用H.GIS更适合中国国情，能给使用维护带来多的方便和实惠。HGIS推动组合电器的技术进步迈上新台阶。

1 解决了隔离/接地开关的运行可靠性难题

在高压输变电设备中，户外高压隔离开关是受环境和气候影响较大的电器设备之一，其运行条件比较恶劣，毫无遮挡地矗立在变电站之中，常年累月受到各种环境和气候条件的作用，如：风吹、雨淋、日晒和冰雪、霜露、湿热的影响，加上沙尘、盐雾、污秽和鸟虫等的侵害，容易产生机械或电气方面的故障。随着设备的老化和用电负荷的增加，隔离开关由于年久失修和某些缺陷而引起的停电事故不断发生，而且呈上升趋势，威胁着电力系统的运行安全。因此，我国电力系统中隔离开关运行可靠性问题，越来越引起电力运行部门和设备制造厂家的关注。近年来，根据我国电力系统实际运行统计和调查分析，户外高压隔离开关经常出现的四大问题是瓷瓶断裂、操作失灵、导电回路过热、锈蚀。

从以下2004、2003年全国12类输变电设施主要可靠性指标完成情况表中可以看出隔离开关非计划停时间的**数是很高的，因为隔离/接地开关的总数是很高的。其中，导电回路过热是主要问题之一。

注：上表中强迫停运率单位：架空线路、电缆线路为“次／百公里年”，其它设备为“次／百台（段）年”;非停、计停时间单位：架空线路、电缆线路为“小时／百公里年”，其它设备为“小时／台(段)年”。

隔离开关导电回路的过热现象主要出现在动静触头的接触部位，其直接原因是暴露在大气中的触头受到沙尘、雨雪、潮气、盐雾及腐蚀性气体的侵蚀，致使接触表面积灰、积垢、锈蚀、生成化合物薄膜，导致接触表面电阻增大，温升过高。根据运行经验，户外隔离开关的工作电流如果达到其额定电流的70%，一般会发生过热。当然，针对这些问题，设计时都是经过考虑的，如让触头具有一定自清扫能力以及接触表面镀银或锡。但是，在实际带电运行中还是经受不住考验。

HGIS采用新型全六氟化硫密封三工位隔离/接地开关，并且使用新型触指，使隔离开关（DS）与接地开关（ES）结构合二为一，动触头公用，变直动操作为转动，且公用一个操动机构。这种新型全密封组合隔离开关的特点是：（1）完全解决了户外高压隔离开关经常出现的四大问题既：瓷瓶断裂、操作失灵、导电回路过热、锈蚀。（2）DS—ES合一，整体结构简化，尺寸显著变小；DS与ES结合的三工位结构，不存在常规DS和ES间各种可能的误操作，因此可省略DS和ES的电气操作联锁，产品运行可靠性因此而显著提高。（3）将DS—ES与母线合一，布置更紧凑，尺寸大大缩小。

2 HGIS使用聚芳酰胺玻璃布管代替复合化盘式绝缘子,使得整体绝缘水平大大提高。

由于复合化绝缘子受残余电荷的影响较严重，当绝缘子上有电荷积累，电场分布发生畸变，绝缘子的绝缘性能受到影响。 绝缘子上所带电荷密度大时，绝缘下降，研究表明较大可下降40%。为提高绝缘强度，设计上通常考虑使绝缘子附近的电极表面尽可能做到光滑平顺，避免电场集中，减少自由带电离子形成的可能性。

另外，自由体积击穿是高分子材料特有的击穿理论之一。已经知道高分子材料中存在的自由体积（free volume）和分子运动有密切关系。低温下高分子处于玻璃态，当温度上升时，处于冻结的无定形范畴的分子运动得到解放，变为橡胶态。这叫玻璃态转变。在玻璃态转变温度范围，随着温度上升，分子运动得到活化，自由体积沿电场方向连接的概率增加。阐明因连接起来的自由体积内分子的加速而导致绝缘击穿的理论称为自由体积击穿理论。自由体积理论定性地说明了，很多高分子材料的击穿场强在玻璃态转变温度范围内的下降现象。复合化盘式绝缘子的击穿很多属于此类击穿。

HGIS设计上充分利用了聚芳酰胺玻璃布管机械和绝缘强度都很高的优点，很好地解决了动热稳定和绝缘方面的问题。采用聚芳酰胺玻璃布管材料做绝缘操作杆，使P.GCB绝缘操作杆的重量大幅度下降、机械强度显著提高，其电气和机械性能优于真空浸渍环氧玻璃布管。

3 HGIS具有良好的密封性能和控制SF6气体中水份含量的措施

HGIS的密封面采用世界先进的金属加工工艺，金属表面即可达到一定的气密程度，加上优质橡胶密封圈，使得HGIS整体密封性能**国家标准的要求，达到年漏气率0.5%的水平。这也是HGIS能够20年基本免维护的可靠**之一。

高压开关设备内SF6气体中的水份含量如果超过一定数值将会对设备产生危害。一是外界环境温度急剧变化时，将在绝缘件表面形成凝露，导致绝缘沿面击穿放电。二是水份将与SF6的电弧分解物化合产生低氟酸等腐蚀性物质，严重腐蚀金属和绝缘材料。

HGIS采取了多方面的措施来控制设备内SF6气体的水份含量。**，所有零部件装配前进行干燥清洁处理，使材料本身含水量减少到较低程度，并且装配环境符合相关要求；第二，开关内部放置吸附剂（吸附材料主要有活性氧化铝和合成沸石），吸附气体中的水份和SF6分解物；第三，对成品进行充氮气—抽真空处理；第四，整体模块出厂现场安装，避免了户外解体受大气的影响；第五，良好的气密性能，阻止了外部大气中的水份通道。

4 高度净化的厂房和严格的管理制度有效预防内部异物

HGIS采用SF6气体作为绝缘介质，大幅度地缩小了绝缘距离，实现了开关设备的小型化。但是SF6气体中的电场强度对电极的表面形状极其敏感，材料表面以及气体中悬浮的微小颗粒，都将在一定的电压下导致电场击穿放电。

非洁净的普通厂房难以避免尘埃等微小颗粒进入设备内部，疏于管理的生产过程有可能由于工人的粗心大意致使异物遗留在壳体内。

HGIS的模块在高度净化的厂房内进行装配，整个生产过程严格执行工艺流程和工序检查制度。先进的厂房设施和技术装备，严格的管理制度，有效地防止了由于环境条件或人为事故造成设备内部进入异物。

5 HGIS在低温地区的技术措施

由于SF6气体具有优良的绝缘和灭弧性能，被广泛使用于断路器中。但是，如果在寒冷的环境温度下，一定压力下的SF6气体将会液化，压力或密度降低，其绝缘和灭弧性能就会相应的降低。为了寻求解决这一问题的方法，经过研究，在SF6气体中混入一定比例的其它惰性气体，是解决这一问题的有效途径。目前使用较多的是SF6+N2或SF6+CF4混合气体，已经广泛使用在SF6气体断路器、GIS、充气电缆、充气输电管道等高电压电器设备中。

由于在电力设备运行压力下的氮气和四氟化碳气体的液化温度远低于-100℃，所以混合气体的临界液化温度只考虑SF6气体的分压力。例如，**压力0.7MPa的纯SF6气体的临界液化温度是-25℃，而相同压力下的SF6+N2或SF6+CF4混合气体（SF6分压力为60%）的临界液化温度是-45℃，能够适应我国绝大部分寒冷地区的环境条件。

混合气体只要比例适当，也能获得比较理想的绝缘和灭弧效果。试验表明，当SF6气体的体积比超过30%时，SF6、N2混合气体的绝缘强度已和纯SF6气体的绝缘强度相差不多，开断能力略有下降，但可以通过稍微提高压力的方法进行弥补。而压力比为60% ：40%的SF6、CF4混合气体的绝缘能力和开断能力与纯SF6气体完全相同，都能在145kV下开断40kA的短路电流。

6 选用H.GIS的技术经济分析

H.GIS具有高的技术经济指标，在使用性能方面具有与GIS相近的可靠性和维护的简便性；在经济上可使用户受益。以550kV 3/2CB接线一串H.GIS、GIS、AIS相比，它的产品价格比GIS省53%，为AIS的1.5倍。计入地皮费、土方开挖费后，开关站总投资估计比用GIS省45%-50%，比用AIS贵约30%左右，见下表。

对于252kV的电站，H.GIS与同功能的AIS电器相比，能节省地皮55%以上，产品价格约为AIS的1.2倍左右。因此，H.GIS在252kV电网的使用前景也是乐观的.

7 结论：

与常规高压设备相比，紧凑型组合式高压开关设备带来一系列优势：

（1）、新型全密封组合隔离开关完全解决了户外高压隔离开关经常出现的四大问题既：瓷瓶断裂、操作失灵、导电回路过热、锈蚀。

由于各电气元件组合，相辅相成，大大减少了对地绝缘套管和支柱数，为常规设备的30%-50%，这就大大减少了绝缘支柱因污染造成对地闪路的概率，有助于提高运行的可靠性。

（2）、由于各电气元件组合，明显缩短了个设备间连接线距离，节省了各设备的布置尺寸，这些大大缩小了高压设备纵向尺寸，大大减少了占地面积，相比常规设备方案，节省占地面积40%-60%。

（3）由于采用在制造厂预制式整体组装调试、模块化整体运输和现场施工安装，故施工安装简单、方便。有的设备只需在现场进行简单连接电源即可。同时减少了变电站支架、钢材需用量。又由于基础小，工程量少，混凝土用量少，大大减少了基础工作和费用开支。

（4）、一次设备和二次设备完整成套。二次设备趋于智能化、数字化和微机化。PASS、HIS、MITS等都属智能化开关设备。为变电站的一体化建设奠定了很好的平台。