气体绝缘开关

气体绝缘开关设备(C-GIS)以其结构简单、占地少、受环境影响小、维护量少等优点受到了越来越多用户青睐。广州局配网的SF6全绝缘柜约占10kV负荷开关柜的80%，且近年来新投运的环网柜基本为SF6全绝缘柜。由此可见，保障SF6全绝缘柜安全运行对保障供电可靠性具有重要的意义。而工频交流耐压试验可以考核开关柜绝缘承受各种过电压的能力，是鉴定设备绝缘强度最严格、最有效、最直接的试验方法，对保证设备安全运行具有重要的意义。该项目成果在专业检测机构以及设备供应商的出厂检测中的应用效果良好，广东质检院及南方电器公司应用该成果对526台开关柜进行了交流耐压试验，未发生一起开关柜因检测附件原因导致的损伤或绝缘附件损伤事件，证明了本项目的有效性和实用性。

一、技术（产品）总体描述； 全密封气体绝缘开关柜；引进国际先进的设计理念和采用领先的加工工艺制造生产。高压带电部件密封在充有低压力气体（SF6气体、氮气、干燥空气）的不锈钢箱体内，不受周围环境影响。产品具有体积小，成本低、操作简单、可靠性高等特点，适用于7.2-40.5kV的一次配电系统。 二、主要功能及优势分析； 　采用三工位开关＋真空断路器组合方案； 采用激光深熔焊接工艺和全自动氦气检漏技术，保证充气箱体的气密性； 采用机器人螺柱焊接工艺，保证螺柱焊接的精度； 模块化设计，根据设计方案排列组合，完成各种配电需要； 简单而有效的联锁，防止误操作； 操作机构可靠，长寿命； 结构形式：双气箱、单气箱 扩展方式：侧扩、顶扩 出线形式：2＃、3＃、4＃内锥式套管；C型、F型外锥式套管 三、技术性能指标； 额定电压：12kV、24kV、40.5kV 额定电流：1250A、2500A、3150A 额定短时耐受能力时间：25kA/4s（峰值63kA）、31.5kA/4s（峰值80kA）、40kA/4s（峰值100kA）、 开断能力：25kA、31.5kA、40kA 四、应用领域： 开关柜可以在电力、交通运输、公共建筑、石油化工、通讯等行业多个行业进行应用，项目涉及机场、轨道交通建设等领域。甚至能够克服复杂地理环境、极端气候等恶劣条件，参与军队军工、国防工程等建设，为国防做贡献。

环保气体绝缘金属封闭开关设备是坚强电网中不可或缺的产品，其大量应用于电网配电系统中，直接关系到电网的可靠运行。气体绝缘开关设备在绝缘介质的使用上，经历了空气绝缘、SF6 气体绝缘及环保气体绝缘的发展历程；在灭弧技术的使用上，经历了空气灭弧、SF6 灭弧及真空灭弧的过程；在结构形式上经历了敞开式、半封闭及全封闭等阶段。传统气体绝缘开关设备以空气作为绝缘介质，占地面积较大，并且容易受外部环境的影响，潮湿、污秽等自然条件容易引起设备的故障。随着上世纪 70 年代第一台 SF6气体绝缘开关设备诞生，由于 SF6气体具有较高的介电强度，绝缘性能良好，且化学特性稳定，在大大减小开关设备尺寸的同时，保证了气体绝缘开关设备的可靠运行，因此采用 SF6 气体作为绝缘介质或主绝缘介质的开关设备在国内外得到广泛的应用。但是 SF6 气体分解难且为公认的温室气体，其每个分子对温室效应的影响是 CO2 的 23500 倍，衰减周期为 3200 年，对人类的生存环境造成极大的潜在威胁；而且 SF6 气体作为灭弧介质易产生有害物质，一旦泄露将危及到相关人员的身体健康。为减少温室效应，防止环境污染，国家发改委编制《中国电网企业温室气体排放核算方法与报告指南》、《气体绝缘金属封闭组合电器 SF6 减排计量与监测方法学》，要求各电力公司加强对 CO2 及 SF6 的排放控制。 近年来，环境问题已成为一个非常重要的社会问题，关于温室效应和气候变化是当今全球关注的焦点。《联合国气候变化公约》和《京都议定书》对温室气体排放均有明确的限制要求和减排目标，我国作为签约国，在减少温室气体排放方面也承担着义不容辞的责任与义务。2020 年 9 月 22 日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，提出“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，力争于 2030 年前实现二氧化碳排放达峰，努力争取 2060 年前实现碳中和”，在 2021 年召开的全国两会上，“碳达峰、碳中和”被首次写入政府工作报告，正式将该减排目标列入到国家发展目标。由此可见，国内外 SF6 气体的使用会受到越来越多的限制，逐步减少并最终停止使用SF6 气体是国际社会的共识。

气体绝缘开关(gas insulated switchgear，GIS)设备中的隔离开关故障往往是机械、热、电气多物理量综合作用的结果，从微小缺陷发展至严重故障的过程中，会产生异常振动、温度、局部放电多种参量信号，同时测量并分析GIS隔离开关的多参量信息对于准确获取其运行状态具有重要意义。文中通过在实体220 kV GIS实验平台上模拟隔离开关最为常见的接触不良缺陷，研究不同接触状态时振动信号、温度变化和局部放电信号的演化规律，获得其与设备状态之间的对应关系，结合健康指数理论和改进层次分析法，提出基于多参量特征的GIS隔离开关综合评估方法。使用该方法开展现场测试，其检查结果与多参量综合评估方法的的分析结果相吻合。文中的研究为GIS隔离开关状态的带电检测提供了一种可行性较高的多参量融合分析新方法。

文中设计并制备了一种硅凹槽膜片型光纤法布里-珀罗(Fabry-Perot,F-P)超声传感器,用于电力设备局部放电检测。采用有限元软件优化设计传感膜片的凹槽参数,与传统圆形膜片相比,硅凹槽膜片的静态灵敏度提升4.09倍且谐振频率基本不变。通过耦合效率修正传统双光束干涉模型,研究F-P腔长对传感器干涉光谱对比度的影响,以提升传感器的声压灵敏度。利用微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)制备硅凹槽膜片,其凹槽直径为829.44 μm,厚度为2.09 μm,F-P腔长为163.600 μm。在谐振频率61.5 kHz处,传感器声压灵敏度可达357.78 mV/Pa,并结合气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)局部放电缺陷模型对传感器性能进行验证。实验结果表明,文中所制备的光纤F-P超声传感器具有声压灵敏度高、实时性好、超声信号检测能力强等优点。

XG118-12型环保气体绝缘环网柜，为我公司自主研发的环保型产品。适用于额定电压12kV、三相交流50Hz的电力系统，能够接受和分配网络电能，并对系统正常运行实施测量、监控、通讯、控制和保护等。产品通过了国家级高压电器产品检测中心的型式试验验证及新产品技术鉴定。广泛应用于输变电站、城市供电网、大型工矿企业、石油化工、冶金、铁路电气化等国民经济各个领域。 产品采用洁净干燥压缩空气作为设备相间和相对地的绝缘介质，并将高压导电部件密封在充入绝缘介质的气室内，绿色环保；断路器和负荷开关采用真空技术，电寿命高，可以使用在频繁操作的场合。产品结构紧凑，尺寸小，占地面积少，不仅降低建设总成本，大大节约有限的城市用地，而且有助于减少对环境的影响。

SF6气体作为绝缘介质广泛应用于各电压等级气体绝缘设备中，但SF6气体温室效应严重、高气压使用条件下易液化，因此为了节能减排和降低液化温度的需要，必须对SF6气体绝缘介质加以优化和替代，以降低SF6的用量，同时降低其液化温度。针对上述问题，项目组提出利用SF6/N2混合气体和干燥空气分别作为绝缘介质用于不同电压等级气体绝缘设备中，研制了这两种环保气体的分解组分检测装置，建立了基于气体分解组分分析的环保气体绝缘设备故障诊断方法。通过系列研究、验证和实际工程应用，解决了纯SF6气体绝缘介质温室效应严重、易液化的难题，取得了以下技术创新：针对超/特高压环保气体绝缘设备，构建了宽温范围(-50～100℃)、精密控温的多功能气体绝缘特性试验系统，获取了宽温范围内压力、混合比例对SF6/N2混合绝缘气体绝缘性能的协同效应特性，提出了不同温度下SF6/N2混合气体最优比例、压力配置方法和绝缘性能综合评判准则，提升了气体绝缘设备在宽温范围内的绝缘性能。针对中低压环保气体绝缘设备，提出了常规气压下干燥空气绝缘开关设备气固复合绝缘结构的优化设计方法，结合电场仿真和试验数据获得了不同电场均匀度、气体压力、以及电极间隙下的干燥空气的绝缘耐压特性数据，设计了可拆卸式屏蔽型套管，攻克了高压导体、绝缘气体与绝缘材质三介质交界处易发生电场畸变的难题，实现了环保气体绝缘环网柜电场均匀化、尺寸紧凑小巧化设计。研制了SF6/N2混合气体和干燥空气两种环保气体的分解组分紫外光谱检测装置，揭示了SF6/N2和干燥空气在典型局部放电条件下的分解特性，提取了有效表征设备局部放电状态的特征组分，建立了基于气体分解组分分析的环保气体绝缘设备局部放电状态评估方法。 成果获授权发明专利17项、实用新型专利11项；发表高水平学术论文32篇，其中SCI论文19篇、EI论文10篇。对于“电力设备用SF6/N2混合气体性能及检测关键技术研究与应用”，中国电机工程学会鉴定该成果整体技术达到国际领先水平；对于“NISELA系列环保气体绝缘开关设备”，中国机械工业联合会鉴定该成果整体技术达到国际同类产品水平。项目成果已在武汉特高压交流试验基地1100kV GIL试验段、文昌局、琼海局、澄迈局、儋州局和海口局等得到了现场试验验证，并在黑龙江、内蒙古东部、宁夏等电力公司，以及许继集团等成套电力设备制造企业进行了应用，有效提升了特高压气体绝缘设备在极寒条件下的适用性和经济性，SF6使用量减少了70~80%，气体分解组分检测及分析技术在气体绝缘设备状态监测与故障诊断领域的应用取得了丰硕成果，社会经济效益巨大。

开关

开关

为防止因气体绝缘开关(gas insulated switchgear，GIS)触头温升造成的事故，有必要对GIS触头温度进行监测与预测。针对触头温度不易直接测量以及其温度易受运行工况与外界因素影响的问题，文中提出了一种基于多特征量的GIS触头温度预测方法。文中通过建立三维仿真模型，分析了在不同接触电阻值、负荷电流、环境温度、风速、SF6压强、太阳辐射强度下GIS的温度分布规律，结合热路理论定性验证了仿真模型的可靠性。通过分析可知，GIS触头温度预测的关键因素为外壳温升、负荷电流、风速、SF6压强、太阳辐射强度，而环境温度影响可忽略，采取反向传播(back propagation,BP)神经网络用以上多特征量预测触头温升，将得到的预测值与建模方法的计算结果进行对比，误差为-0.7~0.68 ℃。该预测方法综合考虑多种影响因素对GIS温度场的影响，为基于外置传感器的GIS触头温度预测提供参考。