固體絕緣技術(shù)在環(huán)網(wǎng)柜中的應(yīng)用探討

白云飛　邢亮

摘 要 針對空氣絕緣技術(shù)、氣體絕緣等絕緣技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了分析，闡述了固體絕緣技術(shù)的特點(diǎn)和應(yīng)用前景，提出固體絕緣技術(shù)在應(yīng)用中出現(xiàn)的問題和解決措施，并對固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行了檢驗(yàn)測試，體現(xiàn)了良好的運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞 空氣絕緣；氣體絕緣；固體絕緣；環(huán)網(wǎng)柜

中圖分類號：TM59 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）24-0059-03

空氣絕緣和氣體絕緣是電氣設(shè)備中最常應(yīng)用的絕緣技術(shù)，但在戶外環(huán)網(wǎng)柜中的應(yīng)用均有一定的缺點(diǎn)和局限性，隨著固封極柱工藝的發(fā)展，固體絕緣在戶外環(huán)網(wǎng)柜的應(yīng)用就成為了可能，其可靠的絕緣性能和對環(huán)境的零污染使其發(fā)展具備了良好的前景。目前在應(yīng)用固體絕緣技術(shù)過程中還需注意一些問題，對這些問題加以解決并不斷積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)才能獲得良好的應(yīng)用效果。

1 幾種絕緣技術(shù)應(yīng)用概述

1.1 空氣絕緣技術(shù)的應(yīng)用

大家知道空氣是良好的絕緣體，空氣絕緣技術(shù)的應(yīng)用歷史悠久，且技術(shù)已經(jīng)非常成熟，空氣資源豐富。但應(yīng)用空氣絕緣技術(shù)有一定的局限性，使用空氣絕緣的開關(guān)柜體積較大，占地面積大，且易受環(huán)境影響，不穩(wěn)定因素較多。如果使用在戶外，其運(yùn)行環(huán)境相對較差，面對的是灰塵、腐蝕氣體、寒熱溫差大等環(huán)境，開關(guān)柜內(nèi)設(shè)備的帶電部分完全裸露在空氣中，它的絕緣水平隨著空氣中的濕度、灰塵以及在運(yùn)輸過程潛在的磕碰而變化，并易受小動物等異物的影響，因此其主要應(yīng)用于戶內(nèi)開閉所或配電室，主要以老型GG1A、XGN柜型為主。石家莊地區(qū)早期也在戶外使用過HXGN型開關(guān)柜，通過幾年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，采用空氣絕緣的戶外環(huán)網(wǎng)設(shè)備因絕緣問題造成的設(shè)備故障率達(dá)20%左右，因此，在目前階段，空氣絕緣中壓開關(guān)設(shè)備通常應(yīng)用于戶內(nèi)環(huán)境比較可靠。

1.2 氣體絕緣技術(shù)的應(yīng)用

氣體絕緣技術(shù)在中壓開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用是近二十年來發(fā)展的一種絕緣技術(shù)，當(dāng)前主要使用的是SF6氣體，也有一部分SF6與干燥N2或CO2的混合氣體（基本處于試驗(yàn)階段，未能大規(guī)模應(yīng)用）。SF6氣體化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，具有優(yōu)異的絕緣和滅弧性能，在電力設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛，SF6氣體絕緣開關(guān)柜的體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，不受外界環(huán)境因素的影響，適應(yīng)性極強(qiáng)。但是，SF6氣體是國際公認(rèn)六種溫室氣體之一，從環(huán)境保護(hù)的角度，應(yīng)當(dāng)少用或不用SF6氣體；另外，《聯(lián)合國氣候變化公約》和《京都議定書》對溫室氣體排放均有明確的限制要求和減排目標(biāo)，我國作為簽約國，在減少溫室氣體排放方面也承擔(dān)著義不容辭的責(zé)任與義務(wù)，因此，國內(nèi)SF6氣體的使用會受到越來越多的限制，逐步減少并最終停止使用SF6氣體是國際社會的共識。據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)在所運(yùn)行的環(huán)網(wǎng)柜90%以上都依靠SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，這種氣體在充氣、運(yùn)行、回收中不可避免地會存在泄漏和排放，成為大氣環(huán)境中的一大污染源。

1.3 其他絕緣技術(shù)的應(yīng)用

隨充氣柜發(fā)展的還有復(fù)合絕緣技術(shù)，開關(guān)設(shè)備復(fù)合絕緣技術(shù)是將真空滅弧保護(hù)在環(huán)氧樹脂套筒內(nèi)。但這種套筒沒有完全把高壓帶電部分包起來，里面還會受灰塵、潮濕、昆蟲等影響。目前具有代表性的產(chǎn)品如國產(chǎn)復(fù)合絕緣VS1（ZN63）型和ABB公司技術(shù)產(chǎn)品VD4（ZN64）型斷路器，采用絕緣套筒式結(jié)構(gòu)真空滅弧室通過螺栓固定在環(huán)氧樹脂絕緣套筒內(nèi)，但是環(huán)境氣候條件對滅弧室外絕緣的影響還不可避免，并且開關(guān)一次部分仍有裸露部件如隔離刀閘，隨著時間的推移，使用此類開關(guān)還是完全解決在戶外環(huán)境下可能出現(xiàn)的污閃或潮濕造成的絕緣故障。

1.4 固體絕緣技術(shù)的提出

根據(jù)以上的分析，傳統(tǒng)的空氣絕緣、氣體絕緣以及復(fù)合絕緣技術(shù)在一些場合已經(jīng)跟不上使用要求。目前在我國中壓領(lǐng)域，特別在12 kV斷路器產(chǎn)品中真空斷路器已占90%以上，40.5 kV斷路器產(chǎn)品中真空斷路器已占75%以上，但中壓開閉所使用空氣絕緣及氣體絕緣的開關(guān)設(shè)備還是占絕大多數(shù)。隨著中壓真空斷路器技術(shù)的日臻完善，特別是針對國家電網(wǎng)公司建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)的要求，在中壓開閉所領(lǐng)域采用真空斷路器及真空斷路器向小型化、智能化、免維護(hù)、專用化、多功能化的方向是不會改變的，特別是在戶外環(huán)網(wǎng)柜中使用小型化高可靠性的產(chǎn)品是長久的討論話題。固體絕緣技術(shù)的出現(xiàn)使得實(shí)現(xiàn)中壓開關(guān)設(shè)備的小型化及高可靠而取代小型化的氣體絕緣開關(guān)設(shè)備成為可能，固體絕緣無疑是設(shè)備小型化、提高耐環(huán)境性的解決方案之一。

2 固體絕緣技術(shù)概述

2.1 固封極柱技術(shù)概述

目前固體絕緣技術(shù)在開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用一般是通過固封極柱工藝來實(shí)現(xiàn)的，該技術(shù)將一次導(dǎo)電部分，包括真空滅弧室、主導(dǎo)電回路（連同上下觸臂的連接端頭），采用APG工藝（環(huán)氧樹脂自動壓力凝膠工藝）固封在絕緣筒中。按目前國內(nèi)廠家研發(fā)方向有兩種，一種是在真空滅弧室和環(huán)氧樹脂整體之間包一層柔性有機(jī)材料作為緩沖層，以解決真空滅弧室的陶瓷殼與環(huán)氧樹脂的膨脹系數(shù)不同會引起開裂問題。另一種是用環(huán)氧樹脂直接固封在滅弧室外層，不用加緩沖，主要基于環(huán)氧樹脂是一種熱固性塑料，它的粘附力大，機(jī)械強(qiáng)度高。當(dāng)它從熱塑性樹脂固化為熱固性樹脂時，分子的內(nèi)聚力大，粘附力加大，內(nèi)聚力使環(huán)氧樹脂的粘接力非常大，一旦固化后，可以緊密地包封在真空滅弧室周圍，絕緣性能非常好，目前市場上以第一種技術(shù)為多。

2.2 固體絕緣的優(yōu)點(diǎn)

通過固封極柱技術(shù)，真空滅弧室完全由固封極柱固定，解決了用螺栓聯(lián)接的缺陷。由于真空泡及一次連接件采用環(huán)氧樹脂極柱固封，環(huán)氧樹脂的絕緣強(qiáng)度是空氣的5～6倍，大大提高了絕緣強(qiáng)度。另外從制造上完全取消了SF6氣體及相應(yīng)氣箱部件，不含SF6氣體和絕緣油成份，對環(huán)境和人無任何污染或傷害。由于開關(guān)內(nèi)部所有連接部分采用環(huán)氧樹脂澆注，這樣一來使開關(guān)內(nèi)部相間及對地的安全絕緣距離從空氣絕緣的125 mm縮短到6-8 mm，大大減小了開關(guān)柜的體積，且與前兩種開關(guān)柜相比連接部位的強(qiáng)度加強(qiáng)了很多，它沒有壓力氣箱、泄壓閥、防滑部件等，環(huán)境耐受能力大大提高，基本解決了斷路器外絕緣受環(huán)境影響的問題，并且一次帶電部分無外露，可用在環(huán)境惡劣的環(huán)境使用，并且真正做到了免維護(hù)，更容易滿足戶外環(huán)網(wǎng)柜設(shè)備全密封、小型化的需要，也為解決戶內(nèi)配電室位置局限提供了便捷。endprint

3 固體絕緣技術(shù)幾個關(guān)鍵問題

雖然固體絕緣技術(shù)具體良好的技術(shù)性能，但其也是一種新興的絕緣技術(shù)，尤其是國內(nèi)廠商技術(shù)水平不同，制造的固體絕緣開關(guān)設(shè)備可能存在一些問題，需要加以注意和解決。

3.1 固封極柱工藝問題

固封極柱工藝是固體絕緣技術(shù)的技術(shù)關(guān)鍵，因固封極柱制造過程中真空滅弧室至少經(jīng)過一次高溫高壓的AGP工藝處理，不同的生產(chǎn)商在生產(chǎn)過程中是否對滅弧室產(chǎn)生一定的破壞作用不得而知；另外如何確保固封在一起后絕緣件內(nèi)部無缺陷和氣泡，避免在使用過程中引起局放的不斷增大最終導(dǎo)致絕緣破壞；再有當(dāng)受到外部環(huán)境的溫差變化加之電場作用產(chǎn)生的發(fā)熱和溫升，如何來消除都是影響日后運(yùn)行的關(guān)鍵因素。

解決上述工藝問題我們認(rèn)為可以采用目前市場上已開發(fā)出來專用真空滅弧室，這種真空滅弧室更加小型化，體積更小。據(jù)我們了解當(dāng)前國外品牌伊頓、西門子，國內(nèi)如寶光、旭光、京東方等品牌的真空但滅弧室在這方面做的較好。因固封極柱所使用的滅弧室，其短路開斷能力和內(nèi)部絕緣的要求更加苛刻，要滿足相應(yīng)的短路開斷能力和絕緣水平，就需要全面優(yōu)化產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，通過均衡磁場分布和優(yōu)化電場分布達(dá)到提高真空滅弧室短路開斷能力和內(nèi)部絕緣水平。此外真空滅弧室的金屬外殼和陶瓷外殼加工工藝及設(shè)計(jì)也必須滿足一些特殊要求，有些廠家可能為節(jié)省成本，采用普通的真空泡，這樣在固封極注澆注中澆注應(yīng)力及高溫的影響可能對真空泡的結(jié)構(gòu)及性能產(chǎn)生破壞的影響，需要我們運(yùn)維人員進(jìn)行持續(xù)試驗(yàn)跟蹤。

3.2 固封極柱的溫升問題

在真空開斷技術(shù)不斷成熟的情況下，開發(fā)一種新絕緣技術(shù)，我們認(rèn)為絕緣應(yīng)是首要考慮的。但目前存在一個普遍現(xiàn)象即材料絕緣性好，散熱就不太好的現(xiàn)象，因此需要綜合考慮這兩者之間的關(guān)系。據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，有效解決固封極柱的溫升，就需要控制其電阻的大小，固封極注的滅弧室電阻目前一般按要求10kV電壓等級630A≤25μ歐、1250A≤10μ歐，才能從更好的減少主回路溫升（固封極柱接觸電阻產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)一般為≤25μ歐）。因此就需要采用質(zhì)量穩(wěn)定，性能可靠的真空滅弧室，這對固體絕緣開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)與制造極為關(guān)鍵。首先真空滅弧室要從整體結(jié)構(gòu)（尤其觸頭結(jié)構(gòu)）的開發(fā)設(shè)計(jì)與工藝過程控制兩方面綜合考慮最大程度的降低接觸電阻；其次大電流的固封極注在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮加加散熱片及設(shè)計(jì)通風(fēng)通道道，加強(qiáng)散熱效果；并且整個固封一次回路采用采用優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電材料及良好加工工藝，以確保溫升最小。

3.3 固封極柱的開裂問題

因固封極柱澆注中不同材料接觸面之間的熱脹冷縮程度不一樣，環(huán)氧樹脂絕緣層在外界溫度變化影響下熱脹冷縮程度不一樣易引起開裂，另外有靜觸頭端出線座與環(huán)氧樹脂殼體之間無間隙，致使該部位應(yīng)力集中，易開裂，這些問題要慎重考慮。所以在選擇澆注材料時也很關(guān)鍵，比如選擇高強(qiáng)度，良好的熱阻性及韌性，有高的流動性的新型材料，通常情況下新型材料的熱阻性和強(qiáng)度分別為普通樹脂的1.3倍和1.5倍，并能較好地控制放熱效應(yīng)，有利于補(bǔ)償固化反應(yīng)而引起的收縮，且具有極好的尺寸穩(wěn)定性和很高的機(jī)械強(qiáng)度等突出優(yōu)勢。這方面就要求選擇采用質(zhì)量好設(shè)備制造廠家提供其澆注材料。

3.4 固封材料的耐熱老化問題

固體絕緣主回路在進(jìn)行型式試驗(yàn)時應(yīng)進(jìn)行高低溫循環(huán)試驗(yàn)和老化試驗(yàn)以驗(yàn)證該產(chǎn)品在實(shí)際使用中不會出現(xiàn)問題。因固封極注里面的電場中存在幾種介質(zhì)（陶瓷、填充物、壓力凝膠）其之間的連接都是物理粘接，絕非化學(xué)粘接。在兩種介質(zhì)之間的介面上電場要發(fā)生突變，也最容易擊穿，絕緣老化的危險也要考慮。所以要求制造廠家應(yīng)該提供相應(yīng)的封裝材料的老化曲線和檢測老化的技術(shù)手段。

3.5 操作機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性問題。

因固體絕緣開關(guān)設(shè)備的小型化要求，必然要求所配操作機(jī)構(gòu)的小型化，要達(dá)到開關(guān)設(shè)備的免維護(hù)，同時也要求操作機(jī)構(gòu)要求高度的操作可靠性和穩(wěn)定性，這樣就要求制造廠家的機(jī)械加工工藝水平需要不斷的提高，要有嚴(yán)格的、結(jié)合實(shí)際使用的檢驗(yàn)試驗(yàn)程序并加以執(zhí)行。我們在運(yùn)維中發(fā)現(xiàn)一些運(yùn)行充氣環(huán)網(wǎng)柜理論上說達(dá)到免維護(hù)，但使用一段時間后就發(fā)現(xiàn)其操作機(jī)構(gòu)銹蝕嚴(yán)重，影響正常進(jìn)行分合閘操作，達(dá)不到可靠的運(yùn)行要求。

4 運(yùn)行固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的效果檢驗(yàn)

石家莊供電公司2011年在青園街應(yīng)用了一組珠海一廠商生產(chǎn)的固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜，其開關(guān)全部采取真空斷路器，額定電流為630A。為檢驗(yàn)其運(yùn)行后的絕緣效果，我們在2013年對其進(jìn)行了一次局部放電檢測，測試結(jié)果如表1。

試驗(yàn)A-1通道圖片：

試驗(yàn)A-2通道圖片：

試驗(yàn)B-1通道圖片：

試驗(yàn)B-2通道圖片：

試驗(yàn)C-1通道圖片：

試驗(yàn)C-2通道圖片：

通過以上檢測結(jié)果可以初步判斷，該運(yùn)行設(shè)備測試位置沒有明顯局放信號的產(chǎn)生。從目前看該固體絕緣設(shè)備運(yùn)行還是穩(wěn)定的。

5 使用固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的注意問題

雖然本次在使用固體絕緣技術(shù)環(huán)網(wǎng)柜是穩(wěn)定的，但建議在今后使用過程中要注意以下幾個方面問題。

1）作為配電運(yùn)維部門要不斷建立健全固封極柱產(chǎn)品檢測檢驗(yàn)技術(shù)規(guī)范，包括包裝運(yùn)輸、安裝使用說明、運(yùn)行規(guī)范等，在應(yīng)用過程中不斷積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

2）當(dāng)前因?yàn)槭袌鲂?yīng)的問題，已經(jīng)興起固封熱，許多不具備固封生產(chǎn)條件的廠家盲目上馬，因此固封極柱產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。有些固封廠家存在檢測手段不完備、工藝不穩(wěn)定、產(chǎn)品質(zhì)量波動等情況。我們建議在推廣中選用大廠家的并有多年良好運(yùn)行記錄的品牌產(chǎn)品，以保證使用產(chǎn)品過程中出現(xiàn)問題后及時進(jìn)行技術(shù)分析及解決處理問題。

3）生產(chǎn)廠家需要控制穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，不盲目急于求成。不少廠家為了節(jié)省成本，從不具備完善檢測條件的固封極注產(chǎn)品生產(chǎn)廠家采購產(chǎn)品，因此組裝后的產(chǎn)品質(zhì)量沒有保障。建議固封極注產(chǎn)品生產(chǎn)過程中要進(jìn)行嚴(yán)格的電阻檢測、工頻、沖擊、局放、x光（檢氣泡）、高低溫、交變濕熱、耐鹽霧試驗(yàn)等多項(xiàng)檢測，以確保減少設(shè)備運(yùn)行后的出現(xiàn)故障的概率。

6 結(jié)束語

絕緣性能是環(huán)網(wǎng)柜使用的最主要因素，從空氣絕緣—復(fù)合絕緣（SF6絕緣）—固體絕緣是中壓開關(guān)設(shè)備制造技術(shù)發(fā)展的一個過程。伴隨著一些新技術(shù)、新制造工藝的出現(xiàn)，我們認(rèn)為固體絕緣技術(shù)在戶外環(huán)網(wǎng)柜上的運(yùn)行是可靠的，其推廣應(yīng)用前景也是光明的。endprint