C-GIS专用真空灭弧室的研制

C-GIS专用真空灭弧室的研制
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　陈军平 刘继君

一、引言
　　柜式气体绝缘金属封闭开关设备（Cubicle Gas-Insulated Switchgear）简称C-GIS，是一种用于12～40.5kV或更高电压等级的输配电系统实现控制和保护功能的新型开关设备。C-GIS一般采用低气压的SF6气体作为的绝缘介质，使用真空作为灭弧介质，将母线、断路器、隔离开关等元件集中密闭在箱体中，具有体积小、重量轻、安全性好、可靠性高、能适应恶劣环境条件下使用等优点。
　　近年来，随着社会的不断进步，用户对开关设备小型化、免维护、智能化、高可靠的要求越来越高。在中压领域尤其是在40.5kV电压等级，常规的以空气为绝缘介质的开关柜普遍体积较大（柜宽不小于1200mm，体积一般不小于7），重量较重（一般不小于2t），操作困难，尤其不能满足在高海拔、潮湿、污秽等恶劣环境条件下使用要求。在这种背景下，C-GIS（尤其是40.5kV）越来越被引起广泛关注。
　　上个世纪九十年代中期以来，成都旭光电子股份有限公司作为真空灭弧室供应商与西安高压电器研究所和西安森源开关技术研究所合作共同开展C-GIS的研制工作，针对其特殊要求先后开发了多种C-GIS专用真空灭弧室，现已配合多家C-GIS生产厂完成了全部型式试验项目，并已有部分厂家开始小批量生产。

二、SF6气体的绝缘特性
　　对SF6气体的绝缘特性我们应重点关注两个方面：一是SF6气体间隙的绝缘特性；二是SF6气体中固体绝缘件沿面放电的特点，这两点对C-GIS的设计都非常重要。

1. SF6间隙的绝缘特性
a) 电场的均匀性对SF6间隙的绝缘特性影响较大。
　　SF6气体具有优良的绝缘特性，在均匀电场中，SF6间隙的击穿场强大约为同等空气间隙的三倍。与空气间隙不同的是电场的均匀性对SF6间隙的绝缘特性影响较大，当电场的均匀性下降时，SF6间隙的击穿场强也随着下降。在极不均匀电场中，SF6间隙的击穿电压将低于同等空气间隙的三倍，随着电场不均匀性的增加，SF6间隙的击穿电压与空气间隙击穿电压的差值逐渐减小，甚至有可能出现SF6间隙的50%放电电压低于空气间隙的现象。此外，在稍不均匀电场中，随着电极距离的增加，击穿电压的增长逐步变慢并会出现饱和，因此不能单靠增大间隙来提高耐受电压。

b) 局部放电更容易发展成间隙贯穿
　　在不均匀电场中，SF6间隙的局部放电起始电压与间隙击穿电压很接近，而相同条件下空气间隙的局部放电起始电压则比间隙击穿电压低很多，因此有可能出现SF6间隙的绝缘性能与空气接近的情况。根据这一特点，应使C-GIS在试验电压下的最大场强值低于局部放电起始电压。

c) 在冲击电压作用下具有明显的极性效应
　　在均匀电场中，由于间隙电场呈完全对称分布，因此没有极性效应。在稍不均匀电场中，负极性击穿电压一般低于正负极性击穿电压。而在不均匀和极不均匀电场中，负极性击穿电压高于正负极性击穿电压。

d) 电极表面状态的影响
　　Sf6气体中电极电晕起始电压受电极表面状态的影响较大，零件表面粗糙度的增大和曲率半径的减小均会导致间隙击穿电压降低。此外，当导电微粒粘附在电极表面时，其效果相当于增大了电极表面粗糙度，因此也会导致击穿电压降低。一般认为导电微粒对工频耐压的影响较大，而对冲击耐压的影响较小。

2. Sf6气体中绝缘子的沿面放电特性
　　影响SF6中绝缘件沿面放电的主要因素是电场分布，其次是表面清洁度、SF6电弧分解物和水分。
a) 电场分布的影响：在不均匀和稍不均匀电场中，SF6气体中绝缘件沿面闪络电压均会出现随距离的增加很快饱和的现象，但前者的负极性冲击闪络电压高于正极性，而后者则相反。

b) 嵌件间隙的影响：电极或嵌件与绝缘件的接触部位可能会由于尺寸配合问题或两种材料的热膨胀系数不同，或因浇注工艺控制不当而出现间隙，当SF6气体或空气进入间隙后将会导致起始电晕电压降低，进而导致闪络电压下降。

c) 绝缘件表面浇注质量的影响：绝缘件表面状况的缺陷主要有粗糙和气孔两种，其中气孔是影响绝缘的关键因素。气孔的存在不仅会使绝缘件表面局部电场增强，而且还会藏污纳垢破坏表面清洁度，诱导碰撞游离，形成局部放电而发展成沿面闪络。当气孔出现在电极附近时，负面影响最大。

d) 表面污染与水分的影响：当绝缘件表面附有油污或运行时附着金属微粒均会导致沿面闪络电压显著下降，严重时可以达到50%左右。