中压环保型气体绝缘开关设备的设计要点
导读
SF6是一种优良的绝缘以及灭弧介质，广泛被应用在柜式气体绝缘金属封闭开关设备中。但其是温室效应气体，而且在灭弧时会产生有毒气体，因此需要开发和使用环保型气体作为SF6的替代气体。在中压开关柜领域，承受真空开断技术和使用环保型气体绝缘的技术日趋成熟。
SF6是一种优良的绝缘以及灭弧介质，广泛被应用在柜式气体绝缘金属封闭开关设备中。但其是温室效应气体，而且在灭弧时会产生有毒气体，因此需要开发和使用环保型气体作为SF6的替代气体。在中压开关柜领域，承受真空开断技术和使用环保型气体绝缘的技术日趋成熟。
本文分别对N2、CO2、枯燥空气等替代气体进展比照分析，结果说明N2和枯燥空气可以作为绝缘介质应用在12kV中压领域的环保型充气柜中。同时，本文还对环保型充气柜的隔离断口距离和对地距离的进展设计确定，并确定如何提高气隙中的击穿电压。
柜式气体绝缘金属封闭开关设备〔C-GIS〕一般被称为充气柜，其将真空断路器、凹凸压进出母线、三工位开关等高压元件封闭在充有相对压力为0～0.1MPa气体的金属壳体内。充气柜有以下优点：①利用气体绝缘，极大地缩小了开关柜的体积和占地面积；②高压元件被封闭在布满绝缘气体的气箱内，不受外界环境影响。
充气柜中的绝缘介质通常承受六氟化硫〔SF6〕气体。SF6的优点是耐电强度高、灭弧力量强、无毒及化学性质稳定，是一种优良的绝缘及灭弧介质。SF6的缺点是温室效应严峻，全球变暖潜能值是23900，而且SF6的化学性质稳定，可在大气中存在3200年以上，排放到大气中根本不会自然分解。
但在过去数十年中，全世界进展了大量的探究和争论，还没有觉察或制造一种气体能在绝缘强度、灭弧性能及化学稳定性等方面全面替代SF6。但在12～40.5kV的中压领域，由于可以承受真空开断，所以仅需找到一种能在耐电强度，化学稳定性等方面能替代SF6的绝缘气体即可。
本文通过中压环保型气体绝缘开关设备的设计，对绝缘气体的特性进展比照，提出制作枯燥空气的方法，提出提高气体气隙中击穿电压的方法，设计了12kV枯燥空气绝缘环网柜。
1、绝缘气体的选择
不考虑开断性能的话，N2、CO2和枯燥空气可作为SF6替代气体。通过查找有关资料，CO2绝缘性能最低，且是温室气体。N2和枯燥空气的绝缘性能都约为SF6的1/3。
对SF6、N2及枯燥空气的特性进展比照。N2及枯燥空气为非温室效应气体，沸点低，正常使用时不用考虑其液化问题，可在高寒地区使用。枯燥空气的导热性能较好，N2的比热较高。
N2是空气的主要成份，化学性质稳定。空气中N2含量过高，会引起缺氧窒息。因此在承受N2绝缘时，应使用通风及防护设备。承受枯燥空气绝缘则不必使用通风及防护设备。
争论说明，与SF6和N2相比，枯燥空气的耐压对金属微粒相对不敏感，故在生产过程或使用过程中产生的金属微粒对于枯燥空气绝缘的开关设备危害较小。
综上所述，枯燥空气作为绝缘介质，具有以下优点：①绿色环保；②导热性好；③设备生产及维护过程中可以不使用通风及防护设备；④在生产过程或使用过程中，产生的金属微粒对于枯燥空气绝缘的开关设备危害较小。
2、枯燥空气的制作
绝缘用枯燥空气需符合ISO8573 1或GB/T13277.1《一般用压缩空气第一局部：污染物和质量等级》中规定的质量等级2级标准。可通过枯燥空气发生装置，过滤掉大气中的杂质及水分，得到符合标准规定的枯燥空气。
也可通过人工合成枯燥空气，承受工业用高纯N2和工业用高纯O2来合成枯燥空气。人工合成的枯燥空气中含78%N2、21%O2及1%He，1%He为示踪气体，依据道尔顿分压定律可知，均匀混合的枯燥空气，只要掌握组分气体的分压力就可实现。
需要充灌78%N2+21%O2+1%He，充灌后混合气体压力为0.3MPa。计算如下：1〕负压+正压=0.1MPa+0.3MPa=0.4MPa。
N2应充气0.4MPa×78%=0.312MPa，减去负压的0.1MPa，等于0.212MPa，也就是说，将N2充到0.212MP即可。
O2应充气0.4MPa×21%=0.084MPa，加上N2的0.212MPa等于0.296MPa。也就是说，将O2充到0.296MP即可。
He连续充灌到0.3MPa，完成充灌。可见，枯燥空气制备便利，经济性好。
3、枯燥空气下对地距离及隔离断口距离
单纯以空气作为绝缘介质的金属封闭开关设备，当额定电压为12kV时，相间和相对地的最小空气间隙为125mm。假设能够通过凝露试验，则最小空气间隙可适当小于上述规定的距离。