中低壓領(lǐng)域中固體絕緣技術(shù)的應用分析

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

引言

目前在12-24KV電壓范圍內各種SF6充氣柜(GIS，較高氣壓時(shí)用鋼板或鑄鋁容器，較低氣壓時(shí)用焊接金屬柜)，和傳統空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜(AIS，金屬鎧裝或較簡(jiǎn)單的箱式柜)兩種開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)柜如ABB的UNISWITCH系列開(kāi)關(guān)柜(空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜)和Safe系列開(kāi)關(guān)柜(SF6充氣柜);施耐德的SM6系列開(kāi)關(guān)柜(空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜)和RM6系列開(kāi)關(guān)柜(SF6充氣柜)。近幾年隨著(zhù)開(kāi)關(guān)柜技術(shù)的發(fā)展，一種新的固體絕緣開(kāi)關(guān)柜出現了，下面介紹下三種開(kāi)關(guān)柜的對比，并分別介紹下國內外生產(chǎn)的兩種固體絕緣開(kāi)關(guān)柜。

1、空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜：這種開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)柜，是因為柜內的各種開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)柜體積都比較大，箱體內有很多浪費的空間。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、潮濕、日夜溫差大易形成凝霧、灰塵多以及常有小動(dòng)物出現的地區，都會(huì )使安全絕緣距離加大(海拔每增1000m，絕緣距離加大10%)?？梢钥闯?，在不同的使用環(huán)境下對以空氣為絕緣介質(zhì)的開(kāi)關(guān)柜在設計、制造、安裝和使用上都有著(zhù)不同的要求。在某些環(huán)境惡劣的地區，是不適合使用這種開(kāi)關(guān)柜的。

2、SF6充氣柜：這種開(kāi)關(guān)柜將數組開(kāi)關(guān)和相關(guān)帶電部件整體上封閉于SF6氣箱中，每個(gè)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(kāi)關(guān)柜的體積，這種開(kāi)關(guān)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(chǎng)所。

但是SF6氣體作為六種溫室氣體之一已經(jīng)受到社會(huì )各界人士的廣泛關(guān)注。據美國科技調查數據顯示，近幾年全球，尤其是北半球大氣中SF6氣體濃度呈直線(xiàn)上升趨勢。SF6氣體一個(gè)分子對溫室效應的影響為CO2分子的25000倍，同時(shí)，排放在大氣中的SF6氣體壽命約為3400年。據2000年數據顯示，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(kāi)關(guān)設備約占用氣量的80%以上。電器設備內的SF6氣體在高溫電弧發(fā)生作用時(shí)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，對于需要人員進(jìn)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(shuō)明有氣體泄漏。近期，中央一套晚間新聞對此也進(jìn)行過(guò)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(wèn)題和社會(huì )責任。

3、固體絕緣開(kāi)關(guān)柜：為了彌補SF6充氣柜的缺點(diǎn)，近幾年在國內外市場(chǎng)上出現了固體絕緣開(kāi)關(guān)柜。所謂固體絕緣就是將數組開(kāi)關(guān)和相關(guān)帶電部件整體采用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行澆注(圖5表明了固體絕緣開(kāi)關(guān)柜與SF6充氣柜的區別)，這樣一來(lái)使開(kāi)關(guān)內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(kāi)關(guān)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(shù)脂澆注，與前兩種開(kāi)關(guān)柜相比連接部位的強度加強了很多。這種開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)柜與其它兩種開(kāi)關(guān)柜的詳細對比。

環(huán)氧樹(shù)脂澆注是將環(huán)氧樹(shù)脂、固化劑和其他配合料澆注到設定的模具內，由熱塑性流體交聯(lián)固化成型的過(guò)程。由于環(huán)氧樹(shù)脂澆注產(chǎn)品集優(yōu)良的電性能和力學(xué)性能于一體，因此環(huán)氧樹(shù)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(shù)脂澆注的工藝方法，從不同的工藝條件去理解有不同的區分方法。從物料進(jìn)入模具的方式來(lái)區分可分為澆注和壓注。澆注指的是物料自流進(jìn)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(jìn)入模具，并且為了強制補縮，在物料固化過(guò)程中，仍保持著(zhù)一定的外壓，它由過(guò)去的簡(jiǎn)單加壓凝膠法發(fā)展成現在成熟的自動(dòng)壓力凝膠法。

從物料固化溫度來(lái)區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，其根本區別是澆注材料固化過(guò)程中所必需的溫度條件。 從物料固化的速度來(lái)區分可分為普通固化法和快速固化法。物料進(jìn)入模具至拆模所需的時(shí)間為初固化時(shí)間，普通固化法需幾個(gè)甚至十幾個(gè)小時(shí)，快速固化法只需十幾分鐘至幾十分鐘?，F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(dòng)壓力凝膠法。

4、下面介紹幾種沈陽(yáng)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(kāi)關(guān)和熔斷器組合方案的結構示意圖?？梢钥闯鲞@種固體絕緣開(kāi)關(guān)主要分為三個(gè)腔室沖上到下分別是：隔離開(kāi)關(guān)腔室;負荷開(kāi)關(guān)腔室(內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(kāi)關(guān)開(kāi)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(guò)載電流。這種開(kāi)關(guān)的外形尺寸只有420×860×580(寬、深、高)，若安裝下部單元組成開(kāi)關(guān)柜，尺寸為420×860×1200(寬、深、高)，下部單元為電纜室可加裝線(xiàn)卡式電流互感器。圖7為開(kāi)關(guān)柜的內部結構圖和外觀(guān)。

我們?yōu)榱藢?shí)現開(kāi)關(guān)柜真正的全絕緣全密封，開(kāi)發(fā)了與其配套絕緣母線(xiàn)和穿墻套管。進(jìn)出線(xiàn)都通過(guò)電纜頭連接，從而實(shí)現了開(kāi)關(guān)柜整體無(wú)裸露10KV帶電體，將柜子的體積壓縮到了極限。

以固體絕緣開(kāi)關(guān)為核心昊誠電力科技有限公司以開(kāi)發(fā)出中式變電站、中式固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜、中式開(kāi)閉站、中式電纜分接箱等多種中壓領(lǐng)域的變配電設備。這些設備的共同特點(diǎn)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，還能節省日后設備運行時(shí)的低壓電纜損耗，降低低壓線(xiàn)損率。圖8展示了兩種分別用在戶(hù)內和戶(hù)外的中式變電站，其中戶(hù)內型箱變占地面積不到1.5平方米。以容量400KVA的為例，戶(hù)內箱變尺寸只有(1200×970×2250)(寬、深、高);戶(hù)外箱變尺寸為(1600×1750×1450)(寬、深、高))。戶(hù)內型箱變打破了傳統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(kāi)關(guān)為核心的中壓變配電設備全部申請了專(zhuān)利證書(shū)，并于2008年通過(guò)了國家電網(wǎng)公司高壓強電流實(shí)驗室的型式試驗。 并且在科技成果鑒定會(huì )上得到諸多專(zhuān)家的一致好評，最終給出了世界先進(jìn)、國內領(lǐng)先的鑒定結論。

5、小結：開(kāi)關(guān)柜的體積和絕緣性能是制約中壓開(kāi)關(guān)柜發(fā)展的兩個(gè)主要因素，從空氣絕緣—SF6絕緣—固體絕緣是中壓開(kāi)關(guān)柜技術(shù)發(fā)展的必經(jīng)之路，符合電力系統節能減排的發(fā)展理念，是應對資源緊缺和環(huán)境承載能力有限挑戰的必然選擇。我們不僅僅要把節能減排的口號喊得響亮，更要在實(shí)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(guān)心節能減排的人的共同希望。

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