當前環保氣體C-GIS正在大力發展,通過環保氣體絕緣加真空滅弧方案已日趨成熟,但絕大多數廠家集中在12/24kV的產品上,40.5kV環保氣體的成熟產品并不多,12/24kV因為絕緣水平較低, 在保持原有設計或適當加大電氣間隙、增加固體絕緣就可以滿足絕緣要求,而40.5KV的絕緣要求較高,由于SF6的絕緣強度為同一壓力下氮氣的2.5倍,滅弧能力是空氣的100倍,在均勻電場中的擊穿強度為空氣的2.3倍,因此保持原來SF6絕緣C-GIS開關柜結構尺寸,只是替換氣體達到絕緣要求難度非常大。
下圖為典型產品的參數:
上述產品的元器件布置結構基本相同,即上部水平布置三工位開關,下部水平(或垂直)布置真空斷路器雙氣箱結構。
從上表可以看出,主要有以下技術路線
1. 增加開關柜尺寸
2. 增加充氣壓力
3. 采用高絕緣強度混合氣體,如C4、C5、C6等
下面逐一介紹,第一是增加寬度、深度尺寸:由于SF6擊穿強度是干燥空氣的2.3倍,600mm寬開關柜一般相間距170mm,1250A三工位開關的Z外圈直徑大約90mm,簡單來說,意味著相間電氣間隙由SF6的80mm增加到184mm, 相間距也將達到275mm,開關柜的寬度將超過1000mm,比較空氣絕緣開關柜1200mm的寬度沒有優勢;即使內部都采用均勻電場設計,全部采用○球面,以保證在小的電氣間隙下,在絕緣強度減弱的情況下,依然滿足絕緣要求,這種設計機加工成本高,經濟性差,而且不能保證和SF6充氣柜相同的尺寸,也需要放大相間及對地距離,增加開關柜尺寸;
第二種設計是增加充氣壓力,干燥空氣增加壓力至SF6絕緣壓力的3倍左右,即可滿足絕緣要求,來自美國和歐洲的研究表明,干燥空氣將成為中壓的主要絕緣介質。但絕對壓力增加到0.28Mpa,國內客戶很難接受,還有辦法就是采用固體絕緣作為輔助絕緣,由于純N2 絕緣強度較低,要獲得與SF6 氣體相當的絕緣強度,需要將N2 的壓力提高至SF6 的3~4 倍。為解決N2 和壓縮空氣絕緣強度較低的問題,很多公司采用在壓縮空氣中氣?固復合絕緣技術來提升絕緣特性,采取恰當的絕緣材料對高電場區域的電極表面進行包覆能有效提高其耐電強度,有利于電力設備的小型化設計;但采用環氧固體絕緣方式需要增加成本,增大局部放電值等,國外廠家更加傾向于不采用固體絕緣,裸導體+增加干燥空氣壓力的方式來實現干燥空氣絕緣的環保充氣柜解決方案。
第三是采用高絕緣強度新型混合氣體外,如C4和CO2的混合氣體g3,10%的C4和90%的CO2混合氣體絕緣強度達到SF6的88%,基本上不用較大更改開關柜尺寸,即可滿足絕緣要求,但C4仍然是溫室效應氣體,10%的C4和90%的CO2混合氣體的GWP是792,還是不能滿足環保要求;C5的GWP是1,Airplus 是C5(3M5110)和CO2的混合氣體,GWP是0.5,真正實現環保充氣柜,但氣體成本較高。
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