SF6氣體絕緣變壓器應用前景探討
目前，變壓器主要向兩個方面發(fā)展：一是向特大型超高壓方面發(fā)展，另一是向節(jié)能化、小型化、低噪聲、高阻抗、防爆型發(fā)展。前者一般都用在大型電站或電力輸送上，后者，主要以中小型產(chǎn)品為主。隨著中國的城市化發(fā)展，大城市人口更加密集，高層建筑林立，用電量急劇增加，變壓器數(shù)量也在不斷增加，傳統(tǒng)的大容量油浸式變壓器油量大，一旦因故障著火，將對高層建筑和人們的生命財產(chǎn)安全構(gòu)成嚴重的威脅。因此，人們對不燃變壓器的研究和應用也日益重視。不燃變壓器按其絕緣介質(zhì)不同，可以分為硅變壓器、環(huán)氧樹脂澆注變壓器、復敏絕緣液介質(zhì)變壓器和SF6氣體絕緣變壓器（充氣式試驗變壓器），其中GIT以其獨有的優(yōu)勢受到了人們的關注，自20世紀60年代以來在日本、歐洲應用和開發(fā)較為廣泛。
1、GIT分類 GIT根據(jù)其冷卻介質(zhì)不同，可以分為氣體絕緣、氣體冷卻和氣體絕緣、液體冷卻兩大類型。容量小于60MVA的GIT，其熱損耗小，一般采用SF6氣體循環(huán)冷卻的散熱方式，這種類型的GIT與傳統(tǒng)的油浸式變壓器在結(jié)構(gòu)上有不少類似之處，在設計中可以借鑒。而容量大于60MVA的GIT，大多數(shù)采用液體（C8F16O或C8F18）冷卻和SF6氣體絕緣分離式結(jié)構(gòu)，這類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和油浸式變壓器有很大差異，通常為分層冷卻、箔式繞組的GIT。
2、GIT與普通油浸式變壓器的比較中大容量的變壓器基本上為油浸式變壓器。隨著大城市用電負荷的增加和集中，變電站的數(shù)量不斷增加，變壓器的容量和數(shù)量也相應增加。在這一過程中，一些地區(qū)油浸式變壓器逐漸被GIT所取代。GIT與傳統(tǒng)油浸式變壓器相比，根本區(qū)別在于GIT采用的是SF6氣體進行絕緣和冷卻，因而二者在結(jié)構(gòu)特征既有相似之處，但也有所區(qū)別。
對于GIT來說，罐內(nèi)壓力越大，冷卻特性和絕緣性能也越好。但是較高的壓力同時對變壓器器身的壓力承受強度提出更高的要求，這樣就會增加變壓器的重量和對形狀的要求。
在冷卻系統(tǒng)方面，GIT與油浸式變壓器主要不同之處在于冷卻介質(zhì)和冷卻處理方面的差異。GIT采用SF6或C8F16O作為冷卻介質(zhì)，而油浸式變壓器則采用變壓器油作為冷卻介質(zhì)。三種冷卻介質(zhì)的物理特性中以C8F16O特性最好，它黏度小，比熱大，且沸點接近變壓器器身的運行溫度，汽化熱高，因而冷卻效果也好。為了獲得與油浸式變壓器同樣的冷卻特性，GIT使用了空氣壓縮機，其循環(huán)率比強制式油冷型油浸式變壓器的循環(huán)率大幾十倍。在另一方面，一些小型的自動冷卻式GIT也得到了廣泛使用。而在我國，一種既可以采用無噪聲的自然冷卻法也可以獲得強制式氣冷類型的雙模式的GIT也已經(jīng)投入使用。
在絕緣結(jié)構(gòu)方面，根據(jù)工作電壓和容量不同，GIT選用各種餅式繞組和箔式繞組。高低壓繞組間、繞組對地之間的主絕緣的絕緣強度主要決定于SF6氣體的絕緣強度，而SF6對電場的均勻性依賴程度很高，因此在設計中要嚴格控制氣體中的電場強度。而在絕緣材料方面，油浸式變壓器采用的絕緣紙，GIT則采用具有很高機械強度和絕緣能力的高密閉性的塑料薄膜作為銅線的絕緣包布。
保護方面，GIT取消了氣體繼電器，裝設了與氣體繼電器等效的突發(fā)壓力繼電器，該繼電器測量氣體壓力的上升速度以確定內(nèi)部故障的發(fā)生并給出一個跳閘信號。由于GIT的氣體容量很大，除非故障能量非常大和故障時間特別長，內(nèi)部故障造成的本體壓力不會上升到危險狀態(tài)，因此，GIT也不需要油浸式變壓器安裝有的壓力釋放設備。
油浸式變壓器中有一個油枕，其作用是當變壓器油的體積隨著溫度變化時進行儲油和補油，從而保證油箱內(nèi)充滿油。GIT則不需要這么一個龐然大物。SF6氣體也會隨著溫度變化膨脹和收縮，但是這些體積的變化會直接轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Φ淖兓瑥亩恍枰粋€附加的油枕，這樣就降低了變壓器高度和占地成本，而且杜絕了由于呼吸器硅膠受潮更換不及時可能引起變壓器受潮的隱患，提高了安全性和可靠性。
GIT采用SF6氣體絕緣的真空有載分接開關，它采用真空開關切斷有載開關切換機構(gòu)的電流，并采用滾柱式觸頭系統(tǒng)和無潤滑軸承，以防止由于電弧引起的SF6分解氣體對變壓器本體的影響。油浸式變壓器則在變壓器油中切斷電流，并采用滑動接觸。
3、GIT的優(yōu)勢與普通油浸式變壓器的相比，GIT有著以下優(yōu)勢：
3.1絕緣性能和冷卻效果好
SF6有著很好的電氣特性，主要表現(xiàn)在其絕緣特性和電弧熄滅特性上。由于SF6的負電性（即吸附電子的能力），使其具有極好的介電絕緣性能。在均勻電場中，SF6絕緣強度約為空氣的2.5倍；當氣體壓力為0.2MPa時，SF6氣體的絕緣強度與絕緣油相當。同時SF6在熄滅電弧和瞬時放電的溫度范圍內(nèi)（1500～5000K）有著優(yōu)異的熱交換特性。因此，GIT有著很好的絕緣性能和冷卻效果。
3.2不易燃易爆
SF6氣體屬于惰性氣體，無色、無味、無毒和不可燃，其分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，室溫條件下，它不會和與之接觸的物質(zhì)發(fā)生化學變化，從而大大簡化了滅火設施的配置；當GIT與GIS相結(jié)合時，整個變電站處于氣體絕緣的環(huán)境中，這樣就增強了整個變電站的不易燃性。在防爆性方面，當變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧現(xiàn)象時，內(nèi)部升高的壓力會被SF6氣體體積的變化而抵消，因而GIT不需要附加壓力釋放設備。
3.3安裝方便，布局靈活
GIT在出廠時完整組裝，SF6氣體也注入其中，在安裝現(xiàn)場無需抽真空，且SF6氣體由氣罐直接輸入到變壓罐中，基本上不需要任何工具，因此裝料時清潔、迅速。同時，由于SF6氣體的密度僅為絕緣油密度的1/60，且黏性較低，因此在冷卻管中壓力降很小，這樣冷卻器可以水平安裝，也可以脫離變壓器垂直安裝，從而使其布局相當靈活。
3.4簡潔、輕巧
GIT不需要油枕和壓力釋放設備這些附加裝置，無需隔離墻，同時SF6氣體密度比變壓器油密度小得多，從而顯得簡潔、輕巧。
3.5噪聲低
SF6氣體密度比變壓器油密度小，聲音通過氣體傳送比較慢，中間鐵心發(fā)出的聲音很少能夠傳到罐體，這樣，GIT產(chǎn)生的噪聲比油浸式變壓器的要校
3.6易于維護檢查
同樣的環(huán)境下，SF6氣體比油浸式變壓器的變壓器油消耗慢得多。GIT無需使用有載調(diào)壓開關的帶電濾油器，同時也減少了油枕和壓力釋放設備，給維護檢查帶來了方便。
3.7占地面積少
GIT本身的結(jié)構(gòu)簡潔、輕巧，高度降低，相應的地下變電所的棚頂也降低，且無需隔離墻，安裝占地面積少，整個空間得到了充分利用，大大降低了變電所的建設成本。尤其當GIT與GIS配合使用時,這些優(yōu)勢更加明顯。
4、GIT在中國的應用前景探討與普通油浸式變壓器相比，GIT的優(yōu)勢不言而喻的,因而，它的應用前景應該是很誘人的。GIT在日本應用已經(jīng)比較廣泛，而在我國目前應用還很少。雖然早在1988年我國的廣州高壓電器廠、北京二變、常州變壓器廠都曾開發(fā)過，其中北京二變曾經(jīng)小批量生產(chǎn)，在近十幾年來也相繼引進了日本東芝和三菱制造的110kV GIT共20余臺，但是總的應用情況不是很樂觀。GIT在中國的應用受到限制主要有以下幾個不利因素：
1)基本上靠進口，價格昂貴；
2)110kV GIT運行時的內(nèi)部氣壓高達180kPa以上；
3)SF6氣體傳勢能力較變壓器油差，在電場強度不均勻的情況下，絕緣強度會下降；
4)SF6氣體在金屬過熱時會被分解出一種SF4的極毒物質(zhì)。最不確定的因素還是SF6氣體，它是一種溫室氣體，且其分解物有毒。如果制造工藝不好，產(chǎn)生泄漏后對環(huán)境帶來的后果將不堪設想。在越來越關注環(huán)保的今天，這一點也是必須考慮的。因此，很多國內(nèi)專家認為在制造工藝達不到一定水平時不應提倡在中國發(fā)展這種變壓器。
基于上述原因，GIT在中國的應用還只是處于一種探索和萌芽階段，僅少數(shù)電站或工程選用。但是，這并不意味著GIT在中國的市場走入了死胡同，相反，GIT在中國的應用前景是很有潛力，也是很寬廣的。
首先，根據(jù)變壓器需求與發(fā)電設備配比按1∶11計算，“十五”期間，按年平均裝機15600MW測算，“十五”期間平均每年所需變壓器總量為171600MVA。而“十五”期間，中小型變壓器繼續(xù)向節(jié)能化、小型化、低噪聲、高阻抗、防爆型發(fā)展。在這種情況下，對氣體絕緣變壓器（SF6變壓器）本身就有一定的需要量。
最重要的一點，如前所述隨著我國城市化進程的加快，城市高層建筑群越來越多，而與此同時，城市對電力的需求激增，原有的35kV及以下電壓等級的供電設施已難以滿足供電負荷增長的要求，110kV供電已成為大中城市區(qū)域性供電優(yōu)選方案。同時，人們對供電安全性、供電可靠性、電能質(zhì)量以及對城市環(huán)境保護等要求越來越高，特別是對防火、防爆、防污染以及降噪聲等加倍關注。用電量迅猛增長后配電中心越來越靠近人們活動中心，眾多的大型變壓器在城市中心，此時安全是第一位的，而普通油浸式變壓器出現(xiàn)的一些事故，如燃燒，嚴重威脅著人們的生命財產(chǎn)安全。在這種情況下，人們對GIT的應用和開發(fā)也相應予以重視起來。
至于SF6的溫室效應，有關人士就SF6對大氣的影響進行了調(diào)查研究，認為SF6對整個人為溫室效應的相對影響可以忽略不計，對臭氧減少沒有影響，只要采取適當措施回收利用，完全可以保證人身安全，對整個環(huán)境而言，SF6仍然是最理想的絕緣和滅弧介質(zhì)。
GIT的結(jié)構(gòu)設計和制造工藝與傳統(tǒng)的油浸變壓器有很多相似之處。變壓器制造廠不用很多的設備投入就可以去研究開發(fā)。我們可以注意到，目前中國一些變壓器生產(chǎn)廠家也在積極引進和開發(fā)GIT產(chǎn)品技術。隨著“十二五”計劃的實現(xiàn)和西部大開發(fā)的發(fā)展，GIT在中國的市場將會被看好，其應用也將會越來越廣泛。
1、GIT分類 GIT根據(jù)其冷卻介質(zhì)不同，可以分為氣體絕緣、氣體冷卻和氣體絕緣、液體冷卻兩大類型。容量小于60MVA的GIT，其熱損耗小，一般采用SF6氣體循環(huán)冷卻的散熱方式，這種類型的GIT與傳統(tǒng)的油浸式變壓器在結(jié)構(gòu)上有不少類似之處，在設計中可以借鑒。而容量大于60MVA的GIT，大多數(shù)采用液體（C8F16O或C8F18）冷卻和SF6氣體絕緣分離式結(jié)構(gòu)，這類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和油浸式變壓器有很大差異，通常為分層冷卻、箔式繞組的GIT。
2、GIT與普通油浸式變壓器的比較中大容量的變壓器基本上為油浸式變壓器。隨著大城市用電負荷的增加和集中，變電站的數(shù)量不斷增加，變壓器的容量和數(shù)量也相應增加。在這一過程中，一些地區(qū)油浸式變壓器逐漸被GIT所取代。GIT與傳統(tǒng)油浸式變壓器相比，根本區(qū)別在于GIT采用的是SF6氣體進行絕緣和冷卻，因而二者在結(jié)構(gòu)特征既有相似之處，但也有所區(qū)別。
對于GIT來說，罐內(nèi)壓力越大，冷卻特性和絕緣性能也越好。但是較高的壓力同時對變壓器器身的壓力承受強度提出更高的要求，這樣就會增加變壓器的重量和對形狀的要求。
在冷卻系統(tǒng)方面，GIT與油浸式變壓器主要不同之處在于冷卻介質(zhì)和冷卻處理方面的差異。GIT采用SF6或C8F16O作為冷卻介質(zhì)，而油浸式變壓器則采用變壓器油作為冷卻介質(zhì)。三種冷卻介質(zhì)的物理特性中以C8F16O特性最好，它黏度小，比熱大，且沸點接近變壓器器身的運行溫度，汽化熱高，因而冷卻效果也好。為了獲得與油浸式變壓器同樣的冷卻特性，GIT使用了空氣壓縮機，其循環(huán)率比強制式油冷型油浸式變壓器的循環(huán)率大幾十倍。在另一方面，一些小型的自動冷卻式GIT也得到了廣泛使用。而在我國，一種既可以采用無噪聲的自然冷卻法也可以獲得強制式氣冷類型的雙模式的GIT也已經(jīng)投入使用。
在絕緣結(jié)構(gòu)方面，根據(jù)工作電壓和容量不同，GIT選用各種餅式繞組和箔式繞組。高低壓繞組間、繞組對地之間的主絕緣的絕緣強度主要決定于SF6氣體的絕緣強度，而SF6對電場的均勻性依賴程度很高，因此在設計中要嚴格控制氣體中的電場強度。而在絕緣材料方面，油浸式變壓器采用的絕緣紙，GIT則采用具有很高機械強度和絕緣能力的高密閉性的塑料薄膜作為銅線的絕緣包布。
保護方面，GIT取消了氣體繼電器，裝設了與氣體繼電器等效的突發(fā)壓力繼電器，該繼電器測量氣體壓力的上升速度以確定內(nèi)部故障的發(fā)生并給出一個跳閘信號。由于GIT的氣體容量很大，除非故障能量非常大和故障時間特別長，內(nèi)部故障造成的本體壓力不會上升到危險狀態(tài)，因此，GIT也不需要油浸式變壓器安裝有的壓力釋放設備。
油浸式變壓器中有一個油枕，其作用是當變壓器油的體積隨著溫度變化時進行儲油和補油，從而保證油箱內(nèi)充滿油。GIT則不需要這么一個龐然大物。SF6氣體也會隨著溫度變化膨脹和收縮，但是這些體積的變化會直接轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫Φ淖兓瑥亩恍枰粋€附加的油枕，這樣就降低了變壓器高度和占地成本，而且杜絕了由于呼吸器硅膠受潮更換不及時可能引起變壓器受潮的隱患，提高了安全性和可靠性。
GIT采用SF6氣體絕緣的真空有載分接開關，它采用真空開關切斷有載開關切換機構(gòu)的電流，并采用滾柱式觸頭系統(tǒng)和無潤滑軸承，以防止由于電弧引起的SF6分解氣體對變壓器本體的影響。油浸式變壓器則在變壓器油中切斷電流，并采用滑動接觸。
3、GIT的優(yōu)勢與普通油浸式變壓器的相比，GIT有著以下優(yōu)勢：
3.1絕緣性能和冷卻效果好
SF6有著很好的電氣特性，主要表現(xiàn)在其絕緣特性和電弧熄滅特性上。由于SF6的負電性（即吸附電子的能力），使其具有極好的介電絕緣性能。在均勻電場中，SF6絕緣強度約為空氣的2.5倍；當氣體壓力為0.2MPa時，SF6氣體的絕緣強度與絕緣油相當。同時SF6在熄滅電弧和瞬時放電的溫度范圍內(nèi)（1500～5000K）有著優(yōu)異的熱交換特性。因此，GIT有著很好的絕緣性能和冷卻效果。
3.2不易燃易爆
SF6氣體屬于惰性氣體，無色、無味、無毒和不可燃，其分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，室溫條件下，它不會和與之接觸的物質(zhì)發(fā)生化學變化，從而大大簡化了滅火設施的配置；當GIT與GIS相結(jié)合時，整個變電站處于氣體絕緣的環(huán)境中，這樣就增強了整個變電站的不易燃性。在防爆性方面，當變壓器內(nèi)部發(fā)生電弧現(xiàn)象時，內(nèi)部升高的壓力會被SF6氣體體積的變化而抵消，因而GIT不需要附加壓力釋放設備。
3.3安裝方便，布局靈活
GIT在出廠時完整組裝，SF6氣體也注入其中，在安裝現(xiàn)場無需抽真空，且SF6氣體由氣罐直接輸入到變壓罐中，基本上不需要任何工具，因此裝料時清潔、迅速。同時，由于SF6氣體的密度僅為絕緣油密度的1/60，且黏性較低，因此在冷卻管中壓力降很小，這樣冷卻器可以水平安裝，也可以脫離變壓器垂直安裝，從而使其布局相當靈活。
3.4簡潔、輕巧
GIT不需要油枕和壓力釋放設備這些附加裝置，無需隔離墻，同時SF6氣體密度比變壓器油密度小得多，從而顯得簡潔、輕巧。
3.5噪聲低
SF6氣體密度比變壓器油密度小，聲音通過氣體傳送比較慢，中間鐵心發(fā)出的聲音很少能夠傳到罐體，這樣，GIT產(chǎn)生的噪聲比油浸式變壓器的要校
3.6易于維護檢查
同樣的環(huán)境下，SF6氣體比油浸式變壓器的變壓器油消耗慢得多。GIT無需使用有載調(diào)壓開關的帶電濾油器，同時也減少了油枕和壓力釋放設備，給維護檢查帶來了方便。
3.7占地面積少
GIT本身的結(jié)構(gòu)簡潔、輕巧，高度降低，相應的地下變電所的棚頂也降低，且無需隔離墻，安裝占地面積少，整個空間得到了充分利用，大大降低了變電所的建設成本。尤其當GIT與GIS配合使用時,這些優(yōu)勢更加明顯。
4、GIT在中國的應用前景探討與普通油浸式變壓器相比，GIT的優(yōu)勢不言而喻的,因而，它的應用前景應該是很誘人的。GIT在日本應用已經(jīng)比較廣泛，而在我國目前應用還很少。雖然早在1988年我國的廣州高壓電器廠、北京二變、常州變壓器廠都曾開發(fā)過，其中北京二變曾經(jīng)小批量生產(chǎn)，在近十幾年來也相繼引進了日本東芝和三菱制造的110kV GIT共20余臺，但是總的應用情況不是很樂觀。GIT在中國的應用受到限制主要有以下幾個不利因素：
1)基本上靠進口，價格昂貴；
2)110kV GIT運行時的內(nèi)部氣壓高達180kPa以上；
3)SF6氣體傳勢能力較變壓器油差，在電場強度不均勻的情況下，絕緣強度會下降；
4)SF6氣體在金屬過熱時會被分解出一種SF4的極毒物質(zhì)。最不確定的因素還是SF6氣體，它是一種溫室氣體，且其分解物有毒。如果制造工藝不好，產(chǎn)生泄漏后對環(huán)境帶來的后果將不堪設想。在越來越關注環(huán)保的今天，這一點也是必須考慮的。因此，很多國內(nèi)專家認為在制造工藝達不到一定水平時不應提倡在中國發(fā)展這種變壓器。
基于上述原因，GIT在中國的應用還只是處于一種探索和萌芽階段，僅少數(shù)電站或工程選用。但是，這并不意味著GIT在中國的市場走入了死胡同，相反，GIT在中國的應用前景是很有潛力，也是很寬廣的。
首先，根據(jù)變壓器需求與發(fā)電設備配比按1∶11計算，“十五”期間，按年平均裝機15600MW測算，“十五”期間平均每年所需變壓器總量為171600MVA。而“十五”期間，中小型變壓器繼續(xù)向節(jié)能化、小型化、低噪聲、高阻抗、防爆型發(fā)展。在這種情況下，對氣體絕緣變壓器（SF6變壓器）本身就有一定的需要量。
最重要的一點，如前所述隨著我國城市化進程的加快，城市高層建筑群越來越多，而與此同時，城市對電力的需求激增，原有的35kV及以下電壓等級的供電設施已難以滿足供電負荷增長的要求，110kV供電已成為大中城市區(qū)域性供電優(yōu)選方案。同時，人們對供電安全性、供電可靠性、電能質(zhì)量以及對城市環(huán)境保護等要求越來越高，特別是對防火、防爆、防污染以及降噪聲等加倍關注。用電量迅猛增長后配電中心越來越靠近人們活動中心，眾多的大型變壓器在城市中心，此時安全是第一位的，而普通油浸式變壓器出現(xiàn)的一些事故，如燃燒，嚴重威脅著人們的生命財產(chǎn)安全。在這種情況下，人們對GIT的應用和開發(fā)也相應予以重視起來。
至于SF6的溫室效應，有關人士就SF6對大氣的影響進行了調(diào)查研究，認為SF6對整個人為溫室效應的相對影響可以忽略不計，對臭氧減少沒有影響，只要采取適當措施回收利用，完全可以保證人身安全，對整個環(huán)境而言，SF6仍然是最理想的絕緣和滅弧介質(zhì)。
GIT的結(jié)構(gòu)設計和制造工藝與傳統(tǒng)的油浸變壓器有很多相似之處。變壓器制造廠不用很多的設備投入就可以去研究開發(fā)。我們可以注意到，目前中國一些變壓器生產(chǎn)廠家也在積極引進和開發(fā)GIT產(chǎn)品技術。隨著“十二五”計劃的實現(xiàn)和西部大開發(fā)的發(fā)展，GIT在中國的市場將會被看好，其應用也將會越來越廣泛。
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