一種新型固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

【摘 要】固體絕緣兼具了導(dǎo)電、散熱、絕緣、支撐和連接等多項(xiàng)功能，它的結(jié)構(gòu)和性能決定了產(chǎn)品運(yùn)行的安全性、可靠性和制造、維護(hù)成本；本文提出了一種新結(jié)構(gòu)形式的固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜，希望通過(guò)改進(jìn)固體絕緣開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)，來(lái)提高產(chǎn)品運(yùn)行安全性、可靠性，并降低成本。

【關(guān)鍵詞】SF6環(huán)網(wǎng)柜；固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜；結(jié)構(gòu)

1.引言

目前，環(huán)網(wǎng)柜多以氣體絕緣（GIS）為主，氣體絕緣主要是SF6 氣體，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環(huán)網(wǎng)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(guó)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。

固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜（SIS），是采用固體絕緣材料作為主絕緣介質(zhì)的環(huán)網(wǎng)柜，是用固體絕緣材料將一次回路（真空滅弧室及其導(dǎo)電連接、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、主母線等）包覆封裝為一個(gè)或幾個(gè)具有一定功能，并可再次組合和擴(kuò)展的具備全絕緣、全密封性能的模塊，人可觸及的表面涂覆有導(dǎo)電或半導(dǎo)電屏蔽層并可直接可靠接地的環(huán)網(wǎng)柜。

2.固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的特點(diǎn)

固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的設(shè)計(jì)是從環(huán)保性和安全性的要求出發(fā)，具備全絕緣、全密封、模塊化、小型化等主要特點(diǎn)。主回路部分采用單相模塊設(shè)計(jì)，一方面在運(yùn)行時(shí)可以完全避免相間短路故障的發(fā)生，另一方面極大提高維修效率的同時(shí)降低維護(hù)成本。

固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜從原理結(jié)構(gòu)上完全取消了SF6氣體以及相應(yīng)的氣箱零部件，徹底解決了由于氣箱內(nèi)部開(kāi)關(guān)短路時(shí)因壓力上升而引起爆炸所造成的事故，完全避免了SF6氣體分解、泄漏而造成的有害氣體的排放，真正成為社會(huì)所需要的環(huán)保型配電產(chǎn)品。固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜比SF6環(huán)網(wǎng)柜具有更突出的抗惡劣環(huán)境的能力，在嚴(yán)寒-45℃、高原4000m高、潮濕、強(qiáng)風(fēng)沙等惡劣環(huán)境下，適應(yīng)性更強(qiáng)、更明顯；固體絕緣開(kāi)關(guān)采用高性能的環(huán)氧樹(shù)脂材料，制造時(shí)不污染環(huán)境，停用品可回收、可循環(huán)利用。因此，國(guó)家電網(wǎng)對(duì)固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的使用量正逐步增加。

3.固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的結(jié)構(gòu)

固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的結(jié)構(gòu)主要由固體絕緣開(kāi)關(guān)、底座、操作機(jī)構(gòu)、二次控制箱、固體絕緣母線連接器等組成。固體絕緣開(kāi)關(guān)采用分相式結(jié)構(gòu)，各相獨(dú)立澆注成型，而且各相主體結(jié)構(gòu)相同，大大降低了相間發(fā)生故障的概率，可以實(shí)現(xiàn)部件互換；在每相結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，也采用模塊化設(shè)計(jì)，相近部件盡可能采用相同的結(jié)構(gòu)，主要部件可以位置互換，以取得更多的應(yīng)用方案。從市場(chǎng)上的固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜可以看出，目前，固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的結(jié)構(gòu)主要有以下幾種：

1）只有主回路真空斷路器的固體絕緣開(kāi)關(guān)，如美國(guó)GW公司。

2）真空斷路器+空氣絕緣的三工位隔離、接地開(kāi)關(guān)，如伊頓電氣、沈陽(yáng)昊誠(chéng)、北京雙杰等。

3）真空斷路器+真空三工位隔離、接地開(kāi)關(guān)，如ABB、日本日立等。

4.隔離開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)

隔離開(kāi)關(guān)的主要功能是在分閘后建立起可靠的隔離斷口，將需要檢修的主開(kāi)關(guān)與帶電線路和電源隔開(kāi)，以保證檢修人員的安全。隔離開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)時(shí)要有明顯斷開(kāi)標(biāo)識(shí)（斷口可見(jiàn)、指示清晰可靠），要建立起可靠的隔離功能，絕緣耐壓試驗(yàn)要符合標(biāo)準(zhǔn)要求，并且斷口間的空氣凈距與型腔環(huán)境（污穢等級(jí)）相適應(yīng)。由于固體絕緣開(kāi)關(guān)為一體化模塊是少維護(hù)、免維護(hù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因此把三工位為一體化隔離開(kāi)關(guān)設(shè)置在電纜側(cè)，能滿足運(yùn)行數(shù)量占多數(shù)出線柜的要求，當(dāng)取消接地功能后也能滿足進(jìn)線柜的要求，這種形式要求接地開(kāi)關(guān)應(yīng)具備短路關(guān)合能力。

5.新型固體絕緣開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1為新型固體絕緣開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中固體絕緣開(kāi)關(guān)主要分為二個(gè)腔室：上為斷路器腔室（內(nèi)部澆注的是真空滅弧室），下為三工位為一體的隔離開(kāi)關(guān)腔室，前面為帶可視化全絕緣密封板。圖中三工位隔離開(kāi)關(guān)采用旋轉(zhuǎn)刀閘式結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)接地開(kāi)關(guān)一樣能夠?qū)拥亻_(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)快速分合閘的功能，滿足接地開(kāi)關(guān)應(yīng)具備短路關(guān)合能力的要求。三工位隔離開(kāi)關(guān)動(dòng)觸刀處于分閘位置（中間位置）時(shí)，到靜觸頭安全絕緣距離大約110mm左右，由于型腔內(nèi)進(jìn)行有效的封閉，避免與大氣環(huán)境雜質(zhì)的影響，所以基本能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；如果氣密性的型腔充入干燥空氣或氮?dú)饽芨玫倪m應(yīng)較為惡劣的環(huán)境條件。

采用三工位為一體的隔離開(kāi)關(guān)可以很好的解決全絕緣設(shè)備的接地問(wèn)題，但將導(dǎo)致動(dòng)觸頭行程過(guò)長(zhǎng)，設(shè)備高度或深度增加。為了縮短動(dòng)觸頭的行程，設(shè)計(jì)了圖1的三工位隔離開(kāi)關(guān)，這種結(jié)構(gòu)不僅確保了斷口的絕緣水平滿足設(shè)計(jì)需要，而且可以減少動(dòng)觸頭的行程，分閘位置到隔離合閘、分閘位置到接地合閘操作軸行程分別都是17mm，這樣操作機(jī)構(gòu)更能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制；且斷路器操作機(jī)構(gòu)和隔離開(kāi)關(guān)操作機(jī)構(gòu)都在正前面操作，確保良好的操作性能，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)五防聯(lián)鎖功能。另外也可采用將控制回路及操動(dòng)機(jī)構(gòu)部分放置在金屬封閉箱內(nèi)，使機(jī)構(gòu)設(shè)備不受環(huán)境影響等。

在耐受電壓設(shè)計(jì)方面，應(yīng)用先進(jìn)的有限元仿真分析軟件進(jìn)行電場(chǎng)計(jì)算，采取合理分布電場(chǎng)，優(yōu)化絕緣，適當(dāng)調(diào)整固體絕緣開(kāi)關(guān)絕緣壁厚度和稅角，外表面涂覆有導(dǎo)電或半導(dǎo)電屏蔽層并可直接可靠接地等降低電場(chǎng)強(qiáng)度的措施，并進(jìn)行多次的優(yōu)化改進(jìn)。另外，通過(guò)采用高性能環(huán)氧樹(shù)脂和高效的環(huán)氧樹(shù)脂澆注工藝，來(lái)降低局部放電量，達(dá)到滿足設(shè)計(jì)要求。

6.固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜存在的問(wèn)題

1）主回路完全由澆注件構(gòu)成，柔性不足。

2）受生產(chǎn)工藝和材料的制約，靈活性不夠。

3）受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的復(fù)雜性、不確定性影響較大。

4）電磁場(chǎng)的均勻性和合理性的確保問(wèn)題。

5）對(duì)固體絕緣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)還不能滿足實(shí)際需要。

6）固體絕緣開(kāi)關(guān)采用環(huán)氧樹(shù)指材料是一種絕緣造到損害后不可恢復(fù)的有機(jī)介質(zhì)。

7.結(jié)束語(yǔ)

固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜是中壓開(kāi)關(guān)柜領(lǐng)域一個(gè)設(shè)計(jì)理念上的創(chuàng)新，從其設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來(lái)看，固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜是一種安全、環(huán)保型的新型環(huán)網(wǎng)柜，特別適合在高海拔、高溫差、污穢潮濕的場(chǎng)所使用，它與氣體或空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜相比，優(yōu)勢(shì)明顯。雖然還有一些不足，但通過(guò)對(duì)絕緣材料、生產(chǎn)工藝、布局結(jié)構(gòu)和操作機(jī)構(gòu)的改進(jìn)，在降低成本的同時(shí)使其技術(shù)更成熟，它必將成為中壓環(huán)網(wǎng)柜的主流產(chǎn)品，逐步代替空氣絕緣和SF6絕緣的環(huán)網(wǎng)柜。

參考文獻(xiàn)：

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