新一代環境友好型柱上開關設備的關鍵技術分析與產品解決方案

文／西安高壓電器研究院有限責任公司 付魯軍 寇政理／

0 引言

柱上開關設備廣泛應用于農網、城網供電、大型工礦企業、石油化工和冶金等電力系統中，是穩定供電不可缺少的設備。隨著我國電力裝備研發技術的不斷創新，柱上開關設備朝著高可靠性、小型化、智能化、長壽命、耐老化和高安全性的方向發展。近年來，地球溫室效應等環境問題倍受人們關注，防止地球溫室效應和環境污染的環保問題具有時代和社會需求，研發環境友好型柱上開關設備是我們努力的方向。

1 環境因素與開關設備的關系

環境因素與開關設備的關系包括以下兩個方面：1）開關設備不易受環境影響，具有很好的環境適應性；2）以防止開關設備破壞環境為主的環保性。能夠滿足以上兩個方面的開關設備稱之為環境友好型開關設備。

1.1 環境適應性

柱上開關設備的環境適應性要求主要體現在氣象條件、生物條件、化學活性物、機械活性物、流動性污染、機械條件和電磁干擾等方面。表1給出了影響柱上開關設備運行的環境因素。

開關設備的運行環境從取決于自然條件的無控制環境條件到可適當控制的環境條件各不相同，情況復雜不定，因此環境適應性對開關設備提出了高可靠性、小型化、長壽命、耐老化、高安全性、減少維修工作量等需求。

1.2 環保性

柱上開關設備的環保性要求主要體現在地球溫室效應、廢棄物處理、減少有害物質和考慮對周圍環境的影響等幾個方面。

開關設備從制造、運行一直到壽命終結、報廢處理，要經歷很長時間，給環境造成不容忽視的影響。應對其進行管理，使其對環境造成的影響降低到最小，從而實現節能、小型化和減少維護量，避免資源浪費。

2 環境友好型柱上開關設備的設計思路和解決方案

如何實現柱上開關設備環境適應性和環保性是筆者在研發過程中主要解決的技術問題，從以下幾個方面進行闡述。

表1 環境因素

2.1 環境適應性

1）鹽霧、潮濕、污穢

開關設備可能會在鹽霧、潮濕、污穢等特殊環境條件下使用，雖然這些因素需通過與水分結合才能增大對開關設備的危害程度，潮濕與污穢的疊加，絕緣件表面的絕緣電阻降低，導致漏電電流的增大，引發表面放電；將柱上開關設備暴露在大氣環境中的絕緣件采用具有憎水性和自清潔功能的絕緣材料，可以解決外絕緣的問題。

鹽霧、潮濕、污穢會造成開關設備相對地和相間空氣的絕緣強度降低，影響設備的可靠性。將柱上開關設備高壓元件進行密封化（包括主開斷單元和隔離單元）處理能夠解決絕緣強度降低和凝露的問題。

2）腐蝕性氣體

在腐蝕性氣體環境下，金屬腐蝕將影響開關設備的可靠性。將金屬表面進行耐NOx和SOx的涂敷處理可以降低腐蝕氣體對開關設備金屬的腐蝕。

3）電磁干擾

近年來智能電網的提出對開關設備要求智能化設計，因此開關設備將要添加很多電子設備，在不同電磁環境下，電子裝置的抗干擾能力直接影響開關設備的可靠性。

實踐表明，僅通過EMC試驗考核的電子裝置在實際應用中還會出現被干擾的現象，因此必須配套在開關設備中通過全套型式試驗驗證才可以投入使用。

2.2 環保性

1）地球溫室效應

(1) 減少SF6氣體的使用量

SF6氣體的絕緣和開斷性能優良，可實現設備的小型化，降低運行耗能和制造耗能，目前SF6氣體絕緣開關設備的用量越來越多。然而，SF6氣體的一個最嚴重的問題就是溫室效應，如何少用或不用SF6氣體是研發新一代開關設備的重要課題。柱上開關設備采用的真空滅弧原理現已非常成熟，可以實現開關設備的主開斷單元的環保要求，并將真空滅弧室進行固封和采用對環境影響小的氣體作為絕緣介質能夠很好的滿足開關設備的隔離斷口間、相間和相對地絕緣要求。

(2) 減少CO2氣體產生量

開關設備減少CO2氣體產生量主要分降低運行損耗和減少制造耗能兩個層面。降低開關設備的一次導電回路電阻能夠減少開關設備在運行過程中的發熱損耗，從而降低運行損耗；通過對柱上開關設備整體進行小型化、輕量化，減少開關設備的零件數量，提高零部件的傳動效率，降低機構的操作功，從而降低制造耗能。利用固體和氣體進行絕緣提高開關設備的絕緣強度，從而達到開關設備的小型化、輕量化設計；采用真空斷路器可以降低開關設備機構的操作功；利用永磁機構能夠減少機構的零部件數量，提高傳動效率。

2）廢棄物處理及減少有害物質

(1) 廢棄物處理

減少開關設備的廢棄物處理及有害物質。我們希望能夠研制一種材料不僅具有優良的絕緣和強度等性能，制造、使用、回收、廢棄對環境的影響更小，而且對人體無害。對于目前開關設備中的鋼、銅和鋁等金屬材料幾乎都能夠回收再利用，但是環氧樹脂的回收利用是當前的課題，技術方面已逐步得到解決，但要解決回收量不穩定帶來的經濟性問題還需要時間。因此在設計開關設備時應盡量減少回收廢棄物對環境的影響。

(2) 減少有害物質

由于在開關設備制造過程中焊接、電鍍等加工方式是不可避免的，而這些加工方式會產生有害物質。在產品生產加工過程中采用有無鉛釬焊、無鎘接點、三價鉻電鍍等為代表的減少有害物質用量的加工方式從而減少產品在加工過程中產生的有害物質。

3）考慮對周圍環境的影響

(1) 火災

為了預防火災，在開關設備中使用不燃型或阻燃型材料，替換現有的性能欠佳的絕緣材料。

(2) 噪聲

開關設備在進行動作時會發出較大聲音，這是由于開關設備開斷線路時需要很大的能量，降低操動機構的操作功能夠減小開關設備產生的噪聲。采用真空滅弧室可以降低操動機構的操作功。

(3) 電磁環境

滅弧性能優良的真空斷路器容易引起操作過電壓，通過設備及元件線路和接地系統或多或少會給外圍設備帶來電磁干擾。采用電容器和電阻串聯而成的阻容過電壓吸收裝置或選用截流值低的觸頭材料可以抑制真空滅弧室的操作過電壓。

3 產品結構及設計構想

3.1 環境友好型柱上開關設備的設計理念

新一代12kV環境友好型柱上開關設備是借鑒當代同類產品的優點并結合對環境的適應性和環保性要求而研發。柱上開關設備將斷路器和隔離開關密封在3mm厚的不銹鋼板焊接的密封箱體內，所有高壓帶電部分全部密封在箱體內，高壓元件不受環境條件影響，防腐、防塵、防凝露；采用對環境影響小的氣體作為絕緣介質，氣體系統壓力低（最低工作壓力為零表壓），氣密性好，滿足零表壓下絕緣要求；斷路器采用真空滅弧原理，真空斷路器具有良好的開斷性能，電壽命長，將真空滅弧室用環氧樹脂進行固封安裝在密封箱體上，結構緊湊減少材料使用量；斷路器機構為雙穩態永磁機構，機械壽命長，減少零件數，提高傳動效率，降低機構操作功。斷路器和隔離開關一體化設計，簡化機械聯鎖提高設備的可靠性；斷路器和隔離開關均可進行電動和手動操作，并具有可靠的電器聯鎖與機械聯鎖，運行、操作安全、可靠；配備控制、監測、保護智能化組件實現設備智能化功能。通過計算機仿真技術對開關設備進行電場、磁場和溫度場仿真計算，優化零件形狀、減少產品零件數、提高產品的傳動效率，使開關設備小型化、輕量化，降低產品在生產制造過程中的能量損耗；盡量少用難以回收再利用的材料，提高開關設備的回收率；提高產品的可靠性，延長檢查周期，降低產品壽命周期成本，實現維護省力、方便的產品；降低產品在運行過程中對電力系統和環境的影響。

3.2 技術難度

環境友好型氣體絕緣柱上開關設備研發的技術難度主要集中在以下幾個方面：

1）采用新型對環境影響小的氣體后，開關設備的絕緣、溫升需要重新研究；2）采用新型氣體作為開關設備的絕緣介質，如何使之與SF6氣體絕緣產品的外形尺寸和制造成本基本保持不變；3）如何滿足開關設備在零表壓下的絕緣要求；4）如何減少難以回收再利用材料的使用量；5）如何減少零部件數量、提高傳動效率；

4 產品介紹

4.1 主要技術參數

環境友好型柱上開關設備的主要技術參數見表2。

表2 主要技術參數

4.2 產品結構

12 kV環境友好型柱上開關設備將斷路器、隔離開關、內部連接導體置于氣室內，絕緣子作為架空進出線。設計中對三相共用一個氣室；斷路器采用固封極柱方式固定于密封箱體上，斷路器三相水平布置，斷路器采用永磁機構置于氣箱中。隔離開關機構安裝在密封箱體外部，裝配調試完成后對隔離開關機構安裝機構罩，內充干燥空氣。配置一體化設計的柱上開關控制器，實現在線檢測、保護和控制功能。基本結構見圖1。

圖1 12kV環境友好型柱上開關設備的結構

5 結語

通過對環境友好型開關設備應具備的性能特點、關鍵因素、解決方案的分析和論述，提出了新一代環境友好型柱上開關設備的設計理念，以計算機仿真和試驗研究為基礎，對柱上開關設備的結構等方面進行優化，結合在環境友好方面的創新設計，使其具有較高的環境適應性、環保性和可靠性。因為產品在設計之初就綜合考慮并解決了環境因素對開關設備的影響，在生產和使用過程中使環境因素對開關設備的影響降至最低，具備高的安全可靠性，所以產品的解決方案既使用戶無安全顧慮，又能做到高可靠，少/免維護。