固体绝缘技术在环网柜中的应用探讨

摘 要 针对空气绝缘技术、气体绝缘等绝缘技术的优缺点进行了分析，阐述了固体绝缘技术的特点和应用前景，提出固体绝缘技术在应用中出现的问题和解决措施，并对固体绝缘环网柜的实际运行情况进行了检验测试，体现了良好的运行可靠性。

关键词 空气绝缘；气体绝缘；固体绝缘；环网柜

中图分类号：TM59 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）24-0059-03

空气绝缘和气体绝缘是电气设备中最常应用的绝缘技术，但在户外环网柜中的应用均有一定的缺点和局限性，随着固封极柱工艺的发展，固体绝缘在户外环网柜的应用就成为了可能，其可靠的绝缘性能和对环境的零污染使其发展具备了良好的前景。目前在应用固体绝缘技术过程中还需注意一些问题，对这些问题加以解决并不断积累运行经验才能获得良好的应用效果。

1 几种绝缘技术应用概述

1.1 空气绝缘技术的应用

大家知道空气是良好的绝缘体，空气绝缘技术的应用历史悠久，且技术已经非常成熟，空气资源丰富。但应用空气绝缘技术有一定的局限性，使用空气绝缘的开关柜体积较大，占地面积大，且易受环境影响，不稳定因素较多。如果使用在户外，其运行环境相对较差，面对的是灰尘、腐蚀气体、寒热温差大等环境，开关柜内设备的带电部分完全裸露在空气中，它的绝缘水平随着空气中的湿度、灰尘以及在运输过程潜在的磕碰而变化，并易受小动物等异物的影响，因此其主要应用于户内开闭所或配电室，主要以老型GG1A、XGN柜型为主。石家庄地区早期也在户外使用过HXGN型开关柜，通过几年的统计数据表明，采用空气绝缘的户外环网设备因绝缘问题造成的设备故障率达20%左右，因此，在目前阶段，空气绝缘中压开关设备通常应用于户内环境比较可靠。

1.2 气体绝缘技术的应用

气体绝缘技术在中压开关设备中的应用是近二十年来发展的一种绝缘技术，当前主要使用的是SF6气体，也有一部分SF6与干燥N2或CO2的混合气体（基本处于试验阶段，未能大规模应用）。SF6气体化学性质非常稳定，具有优异的绝缘和灭弧性能，在电力设备中应用十分广泛，SF6气体绝缘开关柜的体积小，结构紧凑，不受外界环境因素的影响，适应性极强。但是，SF6气体是国际公认六种温室气体之一，从环境保护的角度，应当少用或不用SF6气体；另外，《联合国气候变化公约》和《京都议定书》对温室气体排放均有明确的限制要求和减排目标，我国作为签约国，在减少温室气体排放方面也承担着义不容辞的责任与义务，因此，国内SF6气体的使用会受到越来越多的限制，逐步减少并最终停止使用SF6气体是国际社会的共识。据统计，现在所运行的环网柜90%以上都依靠SF6气体作为绝缘介质，这种气体在充气、运行、回收中不可避免地会存在泄漏和排放，成为大气环境中的一大污染源。

1.3 其他绝缘技术的应用

随充气柜发展的还有复合绝缘技术，开关设备复合绝缘技术是将真空灭弧保护在环氧树脂套筒内。但这种套筒没有完全把高压带电部分包起来，里面还会受灰尘、潮湿、昆虫等影响。目前具有代表性的产品如国产复合绝缘VS1（ZN63）型和ABB公司技术产品VD4（ZN64）型断路器，采用绝缘套筒式结构真空灭弧室通过螺栓固定在环氧树脂绝缘套筒内，但是环境气候条件对灭弧室外绝缘的影响还不可避免，并且开关一次部分仍有裸露部件如隔离刀闸，随着时间的推移，使用此类开关还是完全解决在户外环境下可能出现的污闪或潮湿造成的绝缘故障。

1.4 固体绝缘技术的提出

根据以上的分析，传统的空气绝缘、气体绝缘以及复合绝缘技术在一些场合已经跟不上使用要求。目前在我国中压领域，特别在12 kV断路器产品中真空断路器已占90%以上，40.5 kV断路器产品中真空断路器已占75%以上，但中压开闭所使用空气绝缘及气体绝缘的开关设备还是占绝大多数。随着中压真空断路器技术的日臻完善，特别是针对国家电网公司建设坚强智能电网的要求，在中压开闭所领域采用真空断路器及真空断路器向小型化、智能化、免维护、专用化、多功能化的方向是不会改变的，特别是在户外环网柜中使用小型化高可靠性的产品是长久的讨论话题。固体绝缘技术的出现使得实现中压开关设备的小型化及高可靠而取代小型化的气体绝缘开关设备成为可能，固体绝缘无疑是设备小型化、提高耐环境性的解决方案之一。

2 固体绝缘技术概述

2.1 固封极柱技术概述

目前固体绝缘技术在开关设备中的应用一般是通过固封极柱工艺来实现的，该技术将一次导电部分，包括真空灭弧室、主导电回路（连同上下触臂的连接端头），采用APG工艺（环氧树脂自动压力凝胶工艺）固封在绝缘筒中。按目前国内厂家研发方向有两种，一种是在真空灭弧室和环氧树脂整体之间包一层柔性有机材料作为缓冲层，以解决真空灭弧室的陶瓷壳与环氧树脂的膨胀系数不同会引起开裂问题。另一种是用环氧树脂直接固封在灭弧室外层，不用加缓冲，主要基于环氧树脂是一种热固性塑料，它的粘附力大，机械强度高。当它从热塑性树脂固化为热固性树脂时，分子的内聚力大，粘附力加大，内聚力使环氧树脂的粘接力非常大，一旦固化后，可以紧密地包封在真空灭弧室周围，绝缘性能非常好，目前市场上以第一种技术为多。

2.2 固体绝缘的优点

通过固封极柱技术，真空灭弧室完全由固封极柱固定，解决了用螺栓联接的缺陷。由于真空泡及一次连接件采用环氧树脂极柱固封，环氧树脂的绝缘强度是空气的5～6倍，大大提高了绝缘强度。另外从制造上完全取消了SF6气体及相应气箱部件，不含SF6气体和绝缘油成份，对环境和人无任何污染或伤害。由于开关内部所有连接部分采用环氧树脂浇注，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125 mm缩短到6-8 mm，大大减小了开关柜的体积，且与前两种开关柜相比连接部位的强度加强了很多，它没有压力气箱、泄压阀、防滑部件等，环境耐受能力大大提高，基本解决了断路器外绝缘受环境影响的问题，并且一次带电部分无外露，可用在环境恶劣的环境使用，并且真正做到了免维护，更容易满足户外环网柜设备全密封、小型化的需要，也为解决户内配电室位置局限提供了便捷。

3 固体绝缘技术几个关键问题

虽然固体绝缘技术具体良好的技术性能，但其也是一种新兴的绝缘技术，尤其是国内厂商技术水平不同，制造的固体绝缘开关设备可能存在一些问题，需要加以注意和解决。

3.1 固封极柱工艺问题

固封极柱工艺是固体绝缘技术的技术关键，因固封极柱制造过程中真空灭弧室至少经过一次高温高压的AGP工艺处理，不同的生产商在生产过程中是否对灭弧室产生一定的破坏作用不得而知；另外如何确保固封在一起后绝缘件内部无缺陷和气泡，避免在使用过程中引起局放的不断增大最终导致绝缘破坏；再有当受到外部环境的温差变化加之电场作用产生的发热和温升，如何来消除都是影响日后运行的关键因素。

解决上述工艺问题我们认为可以采用目前市场上已开发出来专用真空灭弧室，这种真空灭弧室更加小型化，体积更小。据我们了解当前国外品牌伊顿、西门子，国内如宝光、旭光、京东方等品牌的真空但灭弧室在这方面做的较好。因固封极柱所使用的灭弧室，其短路开断能力和内部绝缘的要求更加苛刻，要满足相应的短路开断能力和绝缘水平，就需要全面优化产品内部结构，通过均衡磁场分布和优化电场分布达到提高真空灭弧室短路开断能力和内部绝缘水平。此外真空灭弧室的金属外壳和陶瓷外壳加工工艺及设计也必须满足一些特殊要求，有些厂家可能为节省成本，采用普通的真空泡，这样在固封极注浇注中浇注应力及高温的影响可能对真空泡的结构及性能产生破坏的影响，需要我们运维人员进行持续试验跟踪。

3.2 固封极柱的温升问题

在真空开断技术不断成熟的情况下，开发一种新绝缘技术，我们认为绝缘应是首要考虑的。但目前存在一个普遍现象即材料绝缘性好，散热就不太好的现象，因此需要综合考虑这两者之间的关系。据统计数据表明，有效解决固封极柱的温升，就需要控制其电阻的大小，固封极注的灭弧室电阻目前一般按要求10kV电压等级630A≤25μ欧、1250A≤10μ欧，才能从更好的减少主回路温升（固封极柱接触电阻产品标准一般为≤25μ欧）。因此就需要采用质量稳定，性能可靠的真空灭弧室，这对固体绝缘开关设备的设计与制造极为关键。首先真空灭弧室要从整体结构（尤其触头结构）的开发设计与工艺过程控制两方面综合考虑最大程度的降低接触电阻；其次大电流的固封极注在结构设计上考虑加加散热片及设计通风通道道，加强散热效果；并且整个固封一次回路采用采用优质导电材料及良好加工工艺，以确保温升最小。

3.3 固封极柱的开裂问题

因固封极柱浇注中不同材料接触面之间的热胀冷缩程度不一样，环氧树脂绝缘层在外界温度变化影响下热胀冷缩程度不一样易引起开裂，另外有静触头端出线座与环氧树脂壳体之间无间隙，致使该部位应力集中，易开裂，这些问题要慎重考虑。所以在选择浇注材料时也很关键，比如选择高强度，良好的热阻性及韧性，有高的流动性的新型材料，通常情况下新型材料的热阻性和强度分别为普通树脂的1.3倍和1.5倍，并能较好地控制放热效应，有利于补偿固化反应而引起的收缩，且具有极好的尺寸稳定性和很高的机械强度等突出优势。这方面就要求选择采用质量好设备制造厂家提供其浇注材料。

3.4 固封材料的耐热老化问题

固体绝缘主回路在进行型式试验时应进行高低温循环试验和老化试验以验证该产品在实际使用中不会出现问题。因固封极注里面的电场中存在几种介质（陶瓷、填充物、压力凝胶）其之间的连接都是物理粘接，绝非化学粘接。在两种介质之间的介面上电场要发生突变，也最容易击穿，绝缘老化的危险也要考虑。所以要求制造厂家应该提供相应的封装材料的老化曲线和检测老化的技术手段。

3.5 操作机构的稳定性问题。

因固体绝缘开关设备的小型化要求，必然要求所配操作机构的小型化，要达到开关设备的免维护，同时也要求操作机构要求高度的操作可靠性和稳定性，这样就要求制造厂家的机械加工工艺水平需要不断的提高，要有严格的、结合实际使用的检验试验程序并加以执行。我们在运维中发现一些运行充气环网柜理论上说达到免维护，但使用一段时间后就发现其操作机构锈蚀严重，影响正常进行分合闸操作，达不到可靠的运行要求。

4 运行固体绝缘环网柜的效果检验

石家庄供电公司2011年在青园街应用了一组珠海一厂商生产的固体绝缘环网柜，其开关全部采取真空断路器，额定电流为630A。为检验其运行后的绝缘效果，我们在2013年对其进行了一次局部放电检测，测试结果如表1。

试验A-1通道图片：

试验A-2通道图片：

试验B-1通道图片：

试验B-2通道图片：

试验C-1通道图片：

试验C-2通道图片：

通过以上检测结果可以初步判断，该运行设备测试位置没有明显局放信号的产生。从目前看该固体绝缘设备运行还是稳定的。

5 使用固体绝缘环网柜的注意问题

虽然本次在使用固体绝缘技术环网柜是稳定的，但建议在今后使用过程中要注意以下几个方面问题。

1）作为配电运维部门要不断建立健全固封极柱产品检测检验技术规范，包括包装运输、安装使用说明、运行规范等，在应用过程中不断积累运行经验。

2）当前因为市场效应的问题，已经兴起固封热，许多不具备固封生产条件的厂家盲目上马，因此固封极柱产品质量良莠不齐。有些固封厂家存在检测手段不完备、工艺不稳定、产品质量波动等情况。我们建议在推广中选用大厂家的并有多年良好运行记录的品牌产品，以保证使用产品过程中出现问题后及时进行技术分析及解决处理问题。

3）生产厂家需要控制稳定产品质量，不盲目急于求成。不少厂家为了节省成本，从不具备完善检测条件的固封极注产品生产厂家采购产品，因此组装后的产品质量没有保障。建议固封极注产品生产过程中要进行严格的电阻检测、工频、冲击、局放、x光（检气泡）、高低温、交变湿热、耐盐雾试验等多项检测，以确保减少设备运行后的出现故障的概率。

6 结束语

绝缘性能是环网柜使用的最主要因素，从空气绝缘—复合绝缘（SF6绝缘）—固体绝缘是中压开关设备制造技术发展的一个过程。伴随着一些新技术、新制造工艺的出现，我们认为固体绝缘技术在户外环网柜上的运行是可靠的，其推广应用前景也是光明的。

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