中低壓領域中固體絕緣技術(shù)的應用分析

摘要：本文簡單介紹了中壓領域常用開關柜的種類和各自的特點，闡述了固體絕緣的含義，通過與其它開關柜的對比，指出了固體絕緣開關柜在中壓領域的優(yōu)勢。并介紹了沈陽昊誠電力科技有限公司一系列節(jié)能環(huán)保的固體絕緣中壓設備。

引言

目前在12-24KV電壓范圍內(nèi)各種SF6充氣柜(GIS，較高氣壓時用鋼板或鑄鋁容器，較低氣壓時用焊接金屬柜)，和傳統(tǒng)空氣絕緣開關柜(AIS，金屬鎧裝或較簡單的箱式柜)兩種開關柜并存。因此 幾乎世界上大的電器公司都有品種齊全的兩種開關柜如ABB的UNISWITCH系列開關柜(空氣絕緣開關柜)和Safe系列開關柜(SF6充氣柜);施耐德的SM6系列開關柜(空氣絕緣開關柜)和RM6系列開關柜(SF6充氣柜)。近幾年隨著開關柜技術(shù)的發(fā)展，一種新的固體絕緣開關柜出現(xiàn)了，下面介紹下三種開關柜的對比，并分別介紹下國內(nèi)外生產(chǎn)的兩種固體絕緣開關柜。

1、空氣絕緣開關柜：這種開關柜主要有兩種，一種是鎧裝中置柜如KYN28，一種是像是固定柜XGN。所謂空氣絕緣開關柜，是因為柜內(nèi)的各種開關之間的連接部位是靠空氣絕緣的。大家都知道10KV在空氣中的安全絕緣距離是125mm，因此以空氣作為絕緣介質(zhì)的開關柜體積都比較大，箱體內(nèi)有很多浪費的空間。通常條件下，間隙的擊穿電壓隨空氣壓力、密度、濕度的變化而變化，在高海拔地區(qū)、潮濕、日夜溫差大易形成凝霧、灰塵多以及常有小動物出現(xiàn)的地區(qū)，都會使安全絕緣距離加大(海拔每增1000m，絕緣距離加大10%)。可以看出，在不同的使用環(huán)境下對以空氣為絕緣介質(zhì)的開關柜在設計、制造、安裝和使用上都有著不同的要求。在某些環(huán)境惡劣的地區(qū)，是不適合使用這種開關柜的。

2、SF6充氣柜：這種開關柜將數(shù)組開關和相關帶電部件整體上封閉于SF6氣箱中，每個單元充入4-5公斤的SF6氣體作為帶電體對地及相間絕緣介質(zhì)(如ABB公司的Safe柜，施耐德的RM6)。SF6氣體優(yōu)異的絕緣性能不但能有效地縮小了開關柜的體積，這種開關柜殼體良好的密封性使它排除了外界環(huán)境的影響，特別適用于環(huán)境條件惡劣場所。

但是SF6氣體作為六種溫室氣體之一已經(jīng)受到社會各界人士的廣泛關注。據(jù)美國科技調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，近幾年全球，尤其是北半球大氣中SF6氣體濃度呈直線上升趨勢。SF6氣體一個分子對溫室效應的影響為CO2分子的25000倍，同時，排放在大氣中的SF6氣體壽命約為3400年。據(jù)2000年數(shù)據(jù)顯示，全球每年生產(chǎn)的大約8500噸SF6氣體中，約有一半以上用于電力工業(yè)。而在電力工業(yè)中，高壓開關設備約占用氣量的80%以上。電器設備內(nèi)的SF6氣體在高溫電弧發(fā)生作用時而產(chǎn)生SF2、SF4以及S2F2、S2F10、SOF2、HF、SiF4等劇毒和毒性物質(zhì)。 電器設備內(nèi)的SF6氣體分解物與其雜質(zhì)和電極金屬材料產(chǎn)生氫氟酸、二氧化硫、硫酸、WF6等有毒產(chǎn)物。在某些地區(qū)，對于需要人員進出的電纜室上面為防止工作人員中毒，是不允許放置SF6充氣柜的。對于已投入使用的SF6充氣柜，也應作定期檢查，查看封閉氣箱的氣壓是否變化，若有變化說明有氣體泄漏。近期，中央一套晚間新聞對此也進行過報道。因此，合理、正確的使用管理SF6氣體，已經(jīng)成為電力行業(yè)必須正視的問題和社會責任。

3、固體絕緣開關柜：為了彌補SF6充氣柜的缺點，近幾年在國內(nèi)外市場上出現(xiàn)了固體絕緣開關柜。所謂固體絕緣就是將數(shù)組開關和相關帶電部件整體采用環(huán)氧樹脂進行澆注(圖5表明了固體絕緣開關柜與SF6充氣柜的區(qū)別)，這樣一來使開關內(nèi)部相間及對地的安全絕緣距離從空氣絕緣的1250mm縮短到6-8mm，大大減小了開關柜的體積，圖5的一次方案所對應的組合電器外形尺寸只有420×860×580(寬、深、高)。所有連接部分采用環(huán)氧樹脂澆注，與前兩種開關柜相比連接部位的強度加強了很多。這種開關柜和SF6充氣柜一樣，可用在環(huán)境惡劣的地方使用，并且真正做到了免維護。表1給出了這種開關柜與其它兩種開關柜的詳細對比。

環(huán)氧樹脂澆注是將環(huán)氧樹脂、固化劑和其他配合料澆注到設定的模具內(nèi)，由熱塑性流體交聯(lián)固化成型的過程。由于環(huán)氧樹脂澆注產(chǎn)品集優(yōu)良的電性能和力學性能于一體，因此環(huán)氧樹脂澆注在電器工業(yè)中得到了廣泛的應用和快速的發(fā)展。

環(huán)氧樹脂澆注的工藝方法，從不同的工藝條件去理解有不同的區(qū)分方法。從物料進入模具的方式來區(qū)分可分為澆注和壓注。澆注指的是物料自流進入模具。它又分常壓澆注和真空澆注。壓注指物料在外界壓力下進入模具，并且為了強制補縮，在物料固化過程中，仍保持著一定的外壓，它由過去的簡單加壓凝膠法發(fā)展成現(xiàn)在成熟的自動壓力凝膠法。

從物料固化溫度來區(qū)分可分為常溫澆注法和高溫澆注法。選用常溫或高溫澆注法由澆注材料的本身性質(zhì)所決定的，其根本區(qū)別是澆注材料固化過程中所必需的溫度條件。 從物料固化的速度來區(qū)分可分為普通固化法和快速固化法。物料進入模具至拆模所需的時間為初固化時間，普通固化法需幾個甚至十幾個小時，快速固化法只需十幾分鐘至幾十分鐘。現(xiàn)代澆注工藝中，應用比較成熟的澆注工藝方法主要是真空澆注法和自動壓力凝膠法。

4、下面介紹幾種沈陽昊誠電力科技有限公司研制的中式固體絕緣設備。

圖6表明了負荷開關和熔斷器組合方案的結(jié)構(gòu)示意圖。可以看出這種固體絕緣開關主要分為三個腔室沖上到下分別是：隔離開關腔室;負荷開關腔室(內(nèi)部澆注的是陜西寶光的真空滅弧室);插拔式熔斷器腔室(采用COOPER公司為此開關開發(fā)的小型全范圍保護熔斷器)。

所謂全范圍保護熔斷器是指既能夠保護短路電流，也能保護過載電流。這種開關的外形尺寸只有420×860×580(寬、深、高)，若安裝下部單元組成開關柜，尺寸為420×860×1200(寬、深、高)，下部單元為電纜室可加裝線卡式電流互感器。圖7為開關柜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和外觀。

我們?yōu)榱藢崿F(xiàn)開關柜真正的全絕緣全密封，開發(fā)了與其配套絕緣母線和穿墻套管。進出線都通過電纜頭連接，從而實現(xiàn)了開關柜整體無裸露10KV帶電體，將柜子的體積壓縮到了極限。

以固體絕緣開關為核心昊誠電力科技有限公司以開發(fā)出中式變電站、中式固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜、中式開閉站、中式電纜分接箱等多種中壓領域的變配電設備。這些設備的共同特點就是體積小，不含任何有害氣體，可以深入負荷中心， 從而不但減少了低壓電纜的使用量降低了配電工程的投資，還能節(jié)省日后設備運行時的低壓電纜損耗，降低低壓線損率。圖8展示了兩種分別用在戶內(nèi)和戶外的中式變電站，其中戶內(nèi)型箱變占地面積不到1.5平方米。以容量400KVA的為例，戶內(nèi)箱變尺寸只有(1200×970×2250)(寬、深、高);戶外箱變尺寸為(1600×1750×1450)(寬、深、高))。戶內(nèi)型箱變打破了傳統(tǒng)箱變平面布局的思想，是箱式變電站發(fā)展的又一次創(chuàng)新。

以上介紹的以固體絕緣開關為核心的中壓變配電設備全部申請了專利證書，并于2008年通過了國家電網(wǎng)公司高壓強電流實驗室的型式試驗。 并且在科技成果鑒定會上得到諸多專家的一致好評，最終給出了世界先進、國內(nèi)領先的鑒定結(jié)論。

5、小結(jié)：開關柜的體積和絕緣性能是制約中壓開關柜發(fā)展的兩個主要因素，從空氣絕緣—SF6絕緣—固體絕緣是中壓開關柜技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路，符合電力系統(tǒng)節(jié)能減排的發(fā)展理念，是應對資源緊缺和環(huán)境承載能力有限挑戰(zhàn)的必然選擇。我們不僅僅要把節(jié)能減排的口號喊得響亮，更要在實際應用方面有所突破，這樣才是我們最應該做的，也是所有關心節(jié)能減排的人的共同希望。

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