10kV小型化固體絕緣開關柜關鍵技術與解決實施方案

摘要：文章通過分析我國近現代對固體絕緣開關柜的應用以及對相關技術發展方向的探索，將目前國內外的10kV小型化固體絕緣開關柜的關鍵技術進行比較，并結合相關的技術理論和實踐依據，提出解決10kV小型化固體絕緣開關柜的實施方案，為我國10kV小型化固體絕緣開關柜的技術推廣和廣泛應用提供參考意見，以期促進這一技術的快速發展。

關鍵詞：10kV小型化；固體絕緣開關；開關柜；電力設備；電網建設；電力事業 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM591 文章編號：1009-2374（2016）01-0069-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.035

隨著我國經濟的不斷發展，國家電力設施和技術得到了快速發展。目前一些簡單的開關柜已不能滿足我國電網的需要，在開關的大小、絕緣性、封閉性、智能型等方面有了更高的要求，今后的開關將以10kV小型化固體絕緣開關柜應用為主，使我國的電力事業朝著更安全、更智能的方向發展。

1 固體絕緣開關柜的國內外技術發展歷史

1950年，瑞士開發了絕緣表面接地、固體絕緣母線和固體絕緣電壓互感器這三大結構的絕緣開關技術。1958年瑞士又研發了絕緣表面接地、110kV固體絕緣整柜，形成了真正意義上的固體絕緣開關設備。然而，在1959年，荷蘭發明了絕緣表面不接地的10kV固體絕緣環網柜，由環氧外科制成的油絕緣斷路器，進行了技術創新。1960年德國也在荷蘭的基礎上發明了20kV固體絕緣開關柜。隨后，在1965年西德也采用了德國的20kV固體絕緣開關柜技術，使這一技術得到了推廣使用。1970年，荷蘭人在原有的絕緣表面接地、油絕緣斷路器基礎上，研發了主母線電流為2000A的12kV固體絕緣開關柜，增加了絕緣開關柜的安全性。1970年，日本進行了技術創新，研發了真空絕緣斷路器，并采用了20kV的固體絕緣開關，目前這一技術仍在使用中?，F在使用最多的是日本研發的24～36kV固體絕緣開關柜，在利用真空絕緣斷路器的同時，它的短時耐受電流可達到25kA/3s，主母線電流可達到2000A，是目前國際上最先進的絕緣開關柜技術。

2 10kV小型化固體絕緣開關柜的關鍵技術

目前，10kV固體絕緣開關柜的關鍵技術包括真空度監測設計、表面感應電壓設計、局部放電設計、散熱技術設計和其他優化設計等技術。固體絕緣開關柜的優點是絕緣能力相對較好，便于小型化設計，不會產生任何有害氣體，不會發生內部燃弧現象等，但是也具有高壓絕緣受限、損壞后不可恢復、不易降解等缺點。而且，每個關鍵技術都會存在設計難題，如：表面感應電壓需要考慮表面感應電壓的產生方式和危害性，表面噴涂層的必要性以及噴涂層材料的選擇和保護，表面噴涂層電阻的選擇。同時，絕緣模塊表面沒有得到處理會導致相間模塊不能僅靠安裝，也不利于產品的環境適應性和小型化發展。

3 10kV小型化固體絕緣開關柜的關鍵技術解決方案

3.1 表面感應電壓解決方案

針對10kV固體絕緣開關柜中感應電壓的產生和消除這一問題，現提出以下設計依據：Cg=2πEsE0I/In（R0/Ri），Vi=Rs/[Rs+Z（Cg）]xHv，Z（Cg）（50Hz）=1/2πfCg=5.56MΩ

其中Es=5；E0=8.854e-12；1=1.0；Ro=0.020m；Ri=0.0325m。

表1

表面電阻（Ω） Rs=500 Rs=1000 Rs=2000

Vi（V） 1.25 2.5 5

3.2 局部放電解決方案

由于固體絕緣材料一旦損壞，就不可能再恢復性能，因此，固體絕緣開關的局部放電值決定了產品的絕緣性能，根據圖1設定固體絕緣開關的局部放電值：

圖1 10kV小型化固體絕緣開關柜關鍵技術與解決實施方案

3.3 散熱技術解決方案

固體絕緣開關柜技術主要采用環氧樹脂作為絕緣材料，與SF6氣體絕緣相比，環氧樹脂的散熱性能更好，更容易制作大電流的絕緣開關柜產品。根據以下公式設計絕緣材料的散熱性能：

tl=t2+Q/Lx（1/2πW）[In（r2/r1）+1/2πa2r2]

式中：t1代表銅件表面溫度，單位為℃；t2代表環境溫度，單位為℃；Q代表產生的熱量，單位為卡；L代表單位長度，單位為m；W代表絕緣體表面的散發熱量；a2代表熱傳導率；r1、r2分別代表銅棒的直徑和絕緣層的直徑。

SF6的導熱溫度為12℃～100℃，空氣的導熱溫度為3.17℃～100℃，二氧化碳的導熱溫度為2.23℃～100℃，氮氣的導熱溫度為3.09℃～100℃，環氧樹脂的導熱溫度為80.0℃～100℃，所以環氧樹脂的散熱性能更好。

3.4 優化設計解決方案

優化設計主要通過絕緣材料的環境試驗來實現，如高低溫試驗、冷熱交變試驗、機械強度試驗等。由于環氧樹脂壓注模塊結構設計的不合理，導致在電場集中出現絕緣能力較差、模具結構復雜、局放大、應用集中等問題，影響產品的使用壽命。目前，通過Maxwell和Estat軟件對絕緣模塊進行分析，對開關柜的局部電場集中的問題進行優化。通過對電場進行分析，不僅優化了設計，減少了設計風險，還提高了產品的環境適應性。

3.5 斷路器的設計

斷路器常采用夾板式的操作結構，使斷路器的每個部分受理均勻，具有良好的穩定性。在斷路器的設計方面，將驅動和儲能部分、合閘輸入軸、輸出軸等安裝在側板外側，電磁鐵安裝在外側的上下方，利于拆卸，同時便于觀察。在此基礎上設計的斷路器具有運行效率高、應用安全、產生的噪音小、合閘功大、操作方便、機械體積小和壽命長等特點。三工位的斷路器具有結構緊湊、操作機構融合、整體結構一體化的特點。另外，在接地、隔離、接通三個工位上，采用統一輸出、統一輸入，使功能轉換效率更高，操作時更加可靠。

3.6 柜體設計

固體絕緣開關柜的設計與傳統的開關柜設計有很大不同，小型固體絕緣開關柜減小了高壓室和電纜室的可用空間，使開關柜內的電弧障礙和長期發熱問題有所改善。同時，由于三相之間的距離減小，使得固體絕緣柜的強度增加。利用環氧樹脂作為絕緣材料，在一定程度上增加了固體絕緣柜的重量，柜體強度也有所增加。柜體的設計上需要在柜體小型化的同時，利用雙折邊技術可以加大柜體立柱和橫梁的強度，使通風口和壓力釋放口的有效面積增大。

4 結語

10kV小型化固體絕緣開關柜的電路的優點在于整體功率較高、電壓輸出量少。線路受電磁波的干擾較少，對于日常生活中的大功率電器適合使用，大大降低了用電的風險，減少了電路因電壓過大而引起短路、失火的幾率，在國家電網中適合大規模的推廣使用。目前，隨著人們對電力設施以及相關技術的要求不斷提高，真空斷路器已不能滿足人們的需要，需要研發出更先進更安全的斷路器。因此，小型化固體絕緣開關設備關鍵技術需要不斷被優化設計，提高產品的安全性。另外，采用的絕緣材料要安全、穩定、環保。同時在生產的過程中，要研發出科學的生產工藝，提高產品的合格率，盡量降低產品的生產成本，以合理的價格推向市場。本文分析了固體絕緣開關柜的國內外技術發展歷史，闡述了10kV小型化固體絕緣開關柜的關鍵技術，提出了10kV小型化固體絕緣開關柜優化設計方面的解決實施方案，使電力設施更安全、環保，更好地在市場推廣使用。

參考文獻

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作者簡介：張偉翰（1987-），男，廣東汕頭人，廣州南方電力集團電器有限公司助理工程師，研究方向：10kV成套設備設計。

（責任編輯：秦遜玉）