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摘要：SF6高压断路器具有良好的灭弧性能，可提高供电可靠性及减少检修次数，使电气接线形式简单、运行维护方便；但SF6气体遇超低温易液化，严重制约了SF6断路器在北方的正常使用。通过对国产几种典型SF6断路器性能的分析和用户使用情况的调研，证明了在灭弧室内按比例充入SF6混合气体后，可解决SF6气体易液化的问题，确保SF6断路器可在北方寒冷气温下稳定运行。
关键词：SF6断路器；高寒地区；混合气体；稳定运行
1 SF6断路器在北方高寒地区应用中存在的问题
近年来，由于电网容量越来越大，发电厂与变电所母线短路容量也不断增大，对供电可靠性的要求也越来越高。现运行的少油断路器由于设备检修频繁，在倒闸操作时为保证不停电或少停电，就需要旁路母线配合，使得变电所的接线形式复杂，增加投资，并且多占土地。
SF6断路器的应用可以克服上述弊端，SF6气体具有良好的灭弧性能和电气绝缘性能，提高了断路器的开断容量。采用SF6气体作为灭弧介质，断路器开断时，气体被压气筒压缩后喷向电弧，将高压电弧熄灭。这种断路器具有结构简单，开断性能良好及操作平稳等优点，能够顺利地开断各种异常短路，且具有检修间隔时间长（约15年检修1次），综合造价不高的特点。随着生产厂家的技术进步和产品的大规模生产，SF6断路器的价格也在逐步降低，有取代少油断路器的趋势。
在近期设计工程中，所址涉及新疆维吾尔自治区的几个地区，纬度在北纬40°以上，最低气温达-48℃。根据SF6断路器的运行导则，在环境气温不低于-30℃时，SF6气体额定压力0.4MPa，SF6断路器可以正常工作；当环境气温低于-30℃，SF6气体将产生液化，无法熄灭高压电弧，低温严重制约SF6断路器的安全运行。
2 对国产SF6断路器性能的分析
为解决SF6断路器在北方高寒地区应用中存在的问题，对国产SF6断路器的性能进行了分析，并调研用户使用情况，以便选择出更为合理可靠的设备。
2.1 在断路器本体底部加装加热器国内A高压开关厂生产的单断口SF6断路器在支柱下端加装电加热器，如图1所示，以保证SF6断路器在低温下运行时，灭弧室内SF6气体不产生液化。该厂于2011年7月在吉林省电力科学研究院做过126kV、252kV SF6断路器低温冷冻试验。低温试验测点如图1所示，试验数据见表1。
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注：断路器自上而下每隔0.5m设置1个测量点
图1 低温试验测量点示意图
根据SF6断路器运行导则，要求在测试的10个点中，不超过2个液化点断路器可正常运行。试验中LW10H-252型断路器，加热器功率为1000W，在环境温度-45℃时，10个测量点中只有测点1 SF6气体达到液化点，满足运行要求；加热器功率为1500W，在环境温度-50℃时，10个测点中只有测点1 SF6气体达到液化点，可满足运行要求。但是在环境温度-50℃时，加热器功率为1000W，10个测点中测量点1～5的SF6气体均已达到液化点，不能满足要求。
表1 SF6断路器低温试验数据（投入加热器后） ℃
注：1.单个加热器功率500W，电源交流220V，频率50Hz。
2.试品充入SF6气体压力为0.6MPa，液化温度为-28℃。
根据实测数据可以看出，LW10H-252型断路器投入适当容量的加热器后，在环境温度-50℃时，能够满足运行要求。2.2 采用混合气体代替SF6气体
2.2.1 该原理是利用SF6+N2的混合气体替代纯SF6气体充入断路器的灭弧室内，以降低SF6气体的液化点。国内齐齐哈尔500kV冯屯变电所已采用国外厂家同类产品，但产品价格较高。上海B开关厂生产的LW17-220、LW31-252型混合气体断路器引进瑞士公司技术，在华能鹤岗电厂有3年运行试验。
华能电厂在1996年定购上海B开关厂3台LW17-220型SF6断路器，设备要求的运行环境温度最低为-40.6℃，最大日温差为25℃，覆冰厚度100mm。当时，由设计单位黑龙江省电力设计院、中南电力设计院与上海B开关厂针对该温度条件下的设备运行情况，经过技术分析与综合论证，B开关厂在原产品基础上吸收瑞士公司技术，采取了一系列的措施来满足断路器在超低温下运行的需要，这些措施包括：
a.断路器灭弧室中充入SF6和N2的混合气体，作为断路器的绝缘和灭弧介质，降低SF6气体液化点。该方案可以有效地避免纯SF6气体在低温环境下液化的缺陷，确保断路器在低温下的电气性能。
b.在断路器的直动密封处增加了加热器，保证直动密封橡皮圈在低温下可靠密封。
华能鹤岗电厂订购的3台LW17-220型SF6断路器于2007年12月投入电网运行，2008年又增订了B开关厂生产的LW31-252型单断口SF6断路器，于2009年10月投入运行。至今，在多年运行中，这两种型号断路器经受了现场低温环境的考验，并成功地开断了多次负荷电流和故障电流。运行实践表明，该厂对SF6断路器采取的预防低温的一系列措施是有效的。但是，当时这种SF6断路器采用的是气动机构，气动机构故障几率较高，即使瑞士公司的原装气动机构也未能从根本上解决此类问题。此后，该厂产品又配备新型液压弹簧机构以降低故障率。另外，采用混合气体后，能够保证在环境温度-50℃（极限）下正常运行，但开断电流要降低到80%额定开断电流。
2.2.2 北京C公司生产的220kV HP型SF6户外柱式断路器应用混合气体解决低温问题，可用于高寒地区。该产品主要特点是开断容性电流无重击穿，开断感性电流时过电压低，并配备BLG1002A型电动机储能弹簧操作机构。应用道尔顿分压定律，在充入0.7MPa混合气体（SF6和N2），
其中SF6与N2气体压力最佳比例为53：47，现场实际气体充入情况见表2。
表2 混合气体应用情况
根据试验数据与国外运行经验，运行在环境温度-50℃时，不发生内部气体液化现象，开断负荷电流正常，能够使SF6断路器安全运行于高寒地区。这种断路器采用的自能式压气电动机储能的弹簧操作机构，应用卷式弹簧和机械部件最少的设计，操作机构所需能量减少至50%以下，减少了断路器的受力负荷，从而保证整体的高度可靠性。该产品质量可靠，且价格低于原装进口产品。
3 结束语
据统计，断路器运行中的故障80%是操作机构的问题。因此，在选择断路器时，在条件满足的情况下，应更多从操作机构方面着手。SF6断路器底部加装加热器阻止SF6气体液化的办法，试验中可实现高寒（-50℃）环境的安全无故障运行，但北方地区的昼夜环境温差大，需要运行人员实时监测设备的状态。LW31-252型混合气体SF6断路器在华能鹤岗电厂只运行在-40.6℃，至于更低的温度还没有进行试验确认，并且新型液压弹簧机构在低温下没有可靠运行先例。国外运行经验表明，HP型混合气体断路器具有超低温稳定运行和操作机构故障率低的特点。因此，在北方高寒地区工程设计中，应用SF6混合气体断路器并附电动机弹簧储能机构是首选。