中低压领域中固体绝缘技术的应用分析

摘要：本文简单介绍了中压领域常用开关柜的种类和各自的特点，阐述了固体绝缘的含义，通过与其它开关柜的对比，指出了固体绝缘开关柜在中压领域的优势。并介绍了沈阳昊诚电力科技有限公司一系列节能环保的固体绝缘中压设备。

引言

目前在12-24KV电压范围内各种SF6充气柜(GIS，较高气压时用钢板或铸铝容器，较低气压时用焊接金属柜)，和传统空气绝缘开关柜(AIS，金属铠装或较简单的箱式柜)两种开关柜并存。因此 几乎世界上大的电器公司都有品种齐全的两种开关柜如ABB的UNISWITCH系列开关柜(空气绝缘开关柜)和Safe系列开关柜(SF6充气柜);施耐德的SM6系列开关柜(空气绝缘开关柜)和RM6系列开关柜(SF6充气柜)。近几年随着开关柜技术的发展，一种新的固体绝缘开关柜出现了，下面介绍下三种开关柜的对比，并分别介绍下国内外生产的两种固体绝缘开关柜。

1、空气绝缘开关柜：这种开关柜主要有两种，一种是铠装中置柜如KYN28，一种是像是固定柜XGN。所谓空气绝缘开关柜，是因为柜内的各种开关之间的连接部位是靠空气绝缘的。大家都知道10KV在空气中的安全绝缘距离是125mm，因此以空气作为绝缘介质的开关柜体积都比较大，箱体内有很多浪费的空间。通常条件下，间隙的击穿电压随空气压力、密度、湿度的变化而变化，在高海拔地区、潮湿、日夜温差大易形成凝雾、灰尘多以及常有小动物出现的地区，都会使安全绝缘距离加大(海拔每增1000m，绝缘距离加大10%)。可以看出，在不同的使用环境下对以空气为绝缘介质的开关柜在设计、制造、安装和使用上都有着不同的要求。在某些环境恶劣的地区，是不适合使用这种开关柜的。

2、SF6充气柜：这种开关柜将数组开关和相关带电部件整体上封闭于SF6气箱中，每个单元充入4-5公斤的SF6气体作为带电体对地及相间绝缘介质(如ABB公司的Safe柜，施耐德的RM6)。SF6气体优异的绝缘性能不但能有效地缩小了开关柜的体积，这种开关柜壳体良好的密封性使它排除了外界环境的影响，特别适用于环境条件恶劣场所。

但是SF6气体作为六种温室气体之一已经受到社会各界人士的广泛关注。据美国科技调查数据显示，近几年全球，尤其是北半球大气中SF6气体浓度呈直线上升趋势。SF6气体一个分子对温室效应的影响为CO2分子的25000倍，同时，排放在大气中的SF6气体寿命约为3400年。据2000年数据显示，全球每年生产的大约8500吨SF6气体中，约有一半以上用于电力工业。而在电力工业中，高压开关设备约占用气量的80%以上。电器设备内的SF6气体在高温电弧发生作用时而产生SF2、SF4以及S2F2、S2F10、SOF2、HF、SiF4等剧毒和毒性物质。 电器设备内的SF6气体分解物与其杂质和电极金属材料产生氢氟酸、二氧化硫、硫酸、WF6等有毒产物。在某些地区，对于需要人员进出的电缆室上面为防止工作人员中毒，是不允许放置SF6充气柜的。对于已投入使用的SF6充气柜，也应作定期检查，查看封闭气箱的气压是否变化，若有变化说明有气体泄漏。近期，中央一套晚间新闻对此也进行过报道。因此，合理、正确的使用管理SF6气体，已经成为电力行业必须正视的问题和社会责任。

3、固体绝缘开关柜：为了弥补SF6充气柜的缺点，近几年在国内外市场上出现了固体绝缘开关柜。所谓固体绝缘就是将数组开关和相关带电部件整体采用环氧树脂进行浇注(图5表明了固体绝缘开关柜与SF6充气柜的区别)，这样一来使开关内部相间及对地的安全绝缘距离从空气绝缘的1250mm缩短到6-8mm，大大减小了开关柜的体积，图5的一次方案所对应的组合电器外形尺寸只有420×860×580(宽、深、高)。所有连接部分采用环氧树脂浇注，与前两种开关柜相比连接部位的强度加强了很多。这种开关柜和SF6充气柜一样，可用在环境恶劣的地方使用，并且真正做到了免维护。表1给出了这种开关柜与其它两种开关柜的详细对比。

环氧树脂浇注是将环氧树脂、固化剂和其他配合料浇注到设定的模具内，由热塑性流体交联固化成型的过程。由于环氧树脂浇注产品集优良的电性能和力学性能于一体，因此环氧树脂浇注在电器工业中得到了广泛的应用和快速的发展。

环氧树脂浇注的工艺方法，从不同的工艺条件去理解有不同的区分方法。从物料进入模具的方式来区分可分为浇注和压注。浇注指的是物料自流进入模具。它又分常压浇注和真空浇注。压注指物料在外界压力下进入模具，并且为了强制补缩，在物料固化过程中，仍保持着一定的外压，它由过去的简单加压凝胶法发展成现在成熟的自动压力凝胶法。

从物料固化温度来区分可分为常温浇注法和高温浇注法。选用常温或高温浇注法由浇注材料的本身性质所决定的，其根本区别是浇注材料固化过程中所必需的温度条件。 从物料固化的速度来区分可分为普通固化法和快速固化法。物料进入模具至拆模所需的时间为初固化时间，普通固化法需几个甚至十几个小时，快速固化法只需十几分钟至几十分钟。现代浇注工艺中，应用比较成熟的浇注工艺方法主要是真空浇注法和自动压力凝胶法。

4、下面介绍几种沈阳昊诚电力科技有限公司研制的中式固体绝缘设备。

图6表明了负荷开关和熔断器组合方案的结构示意图。可以看出这种固体绝缘开关主要分为三个腔室冲上到下分别是：隔离开关腔室;负荷开关腔室(内部浇注的是陕西宝光的真空灭弧室);插拔式熔断器腔室(采用COOPER公司为此开关开发的小型全范围保护熔断器)。

所谓全范围保护熔断器是指既能够保护短路电流，也能保护过载电流。这种开关的外形尺寸只有420×860×580(宽、深、高)，若安装下部单元组成开关柜，尺寸为420×860×1200(宽、深、高)，下部单元为电缆室可加装线卡式电流互感器。图7为开关柜的内部结构图和外观。

我们为了实现开关柜真正的全绝缘全密封，开发了与其配套绝缘母线和穿墙套管。进出线都通过电缆头连接，从而实现了开关柜整体无裸露10KV带电体，将柜子的体积压缩到了极限。

以固体绝缘开关为核心昊诚电力科技有限公司以开发出中式变电站、中式固体绝缘环网柜、中式开闭站、中式电缆分接箱等多种中压领域的变配电设备。这些设备的共同特点就是体积小，不含任何有害气体，可以深入负荷中心， 从而不但减少了低压电缆的使用量降低了配电工程的投资，还能节省日后设备运行时的低压电缆损耗，降低低压线损率。图8展示了两种分别用在户内和户外的中式变电站，其中户内型箱变占地面积不到1.5平方米。以容量400KVA的为例，户内箱变尺寸只有(1200×970×2250)(宽、深、高);户外箱变尺寸为(1600×1750×1450)(宽、深、高))。户内型箱变打破了传统箱变平面布局的思想，是箱式变电站发展的又一次创新。

以上介绍的以固体绝缘开关为核心的中压变配电设备全部申请了专利证书，并于2008年通过了国家电网公司高压强电流实验室的型式试验。 并且在科技成果鉴定会上得到诸多专家的一致好评，最终给出了世界先进、国内领先的鉴定结论。

5、小结：开关柜的体积和绝缘性能是制约中压开关柜发展的两个主要因素，从空气绝缘—SF6绝缘—固体绝缘是中压开关柜技术发展的必经之路，符合电力系统节能减排的发展理念，是应对资源紧缺和环境承载能力有限挑战的必然选择。我们不仅仅要把节能减排的口号喊得响亮，更要在实际应用方面有所突破，这样才是我们最应该做的，也是所有关心节能减排的人的共同希望。

参考文献：

[1]田维. 高海拔中压开关柜的设计，电工技术，2002第12期[41-43]

[2] 崔成恕，赵伯楠. 国内外中压开关柜的现状与发展趋势. 供用电，1995,10[2-4]

[3]李建基. 中压开关柜技术的进步.华通技术，2004第3期[30-32].

[4] 熊舟.中压开关柜的绝缘方式与趋势.电气时空.2002.6[17-18]