12kV固體絕緣環網柜的研究與發展現狀

吳良云 韓 云 陳友強

?

12kV固體絕緣環網柜的研究與發展現狀

吳良云 韓 云 陳友強

（中能電氣股份有限公司，福州 350301）

近年來，國際社會對空氣環境日益關注，為了減少SF6氣體對大氣環境的影響，減少溫室氣體的排放，急需新型環網柜來代替SF6氣體絕緣環網柜，催生出了環保型環網柜，固體絕緣環網柜因此孕育而出。本文結合本公司對固體絕緣環網柜的研究開發，分析介紹了12kV固體絕緣環網柜的研究和發展現狀。

SF6；12kV；固體絕緣環網柜

目前，環保型固體絕緣環網柜是一種正進入規模應用的配電新產品。國家電網公司1285號文件和國家電網公司“十二五”規劃，已明確把固體絕緣環網柜列入其中，作為其推廣應用新型環網柜。同時文件明確提出：“從技術可靠性和環保要求更加嚴格的發展趨勢看，固體絕緣環網柜具有全面取代SF6氣體絕緣環網柜的趨”[1]。國家電網公司于2012年3月2日發布了固體絕緣環網柜的企業標準Q/GD W730—2012《12kV固體絕緣環網柜技術條件》[2]。為提升配電網（農網）工程標準化建設水平，推進標準配置，實現配電網裝備水平升級，國家能源局電力司下發[2015]290號文件印發《配電網建設改造行動計劃（2015—2020年）》的通知，其中指出推廣應用固體絕緣環網柜等新設備新技術。同時，國網公司科技部[2014]847號文件發布《國家電網公司重點推廣新產品目錄（2014版）》的通知，再次將固體絕緣環網柜技術列入其中，固體絕緣環網柜成為其重點推廣應用對象：2014—2016年，在公司新建或改造項目中固體絕緣環網柜的使用量為新增總量的15%～20%；2017—2019年，在公司新建或改造項目中固體絕緣環網柜的使用量為新增總量的25%～35%[3]。南網公司在2015年2月正式頒布了《12kV固體絕緣環網柜技術規范》。電力行業標準《12kV固體絕緣金屬封閉開關設備和控制設備》，已于2016年7月1日正式發布實施。

1 國內外研究發展現狀

1.1 國內外研發情況

國外研發固體絕緣環網柜的國家主要有美國、法國、德國、日本、韓國，企業主要有瑞士的ABB、法國的施耐德、美國的吉唯達和伊頓、德國的迪康、日本的東芝和日立以及韓國的現代等。國內企業也投入研發柜體絕緣環網柜，并推出自主研發的開關產品，包括中能電氣、沈陽昊誠、廣西銀河、北京電研華源和北京雙杰等。

1999年日本的東芝公司開發出高性能的環氧樹脂材料，并開發出了高效率的環氧樹脂澆注技術。2002年東芝公司推出24kV固體絕緣開關柜（SIS）（見圖1），隨后又推出了系列化產品。美國伊頓公司2008年開始研制的SVS型固體絕緣環網柜（見圖2），其產品額定電流630A，開短電流25kA，隔離接地開關采用空氣絕緣，兩年后伊頓公司推出固體絕緣環網柜，瑞士ABB公司也推出了固體絕緣環網柜（見圖3），已在中國市場投入使用。

圖1 日本東芝固體絕緣柜

國內固體絕緣環網柜的發展按時間段可分為以下兩個階段。

1）第一階段：2005—2010年。該階段是固體絕緣環網柜的起步階段，開展產品技術研發和生產的企業不多，處于初始研發階段，此時的固體絕緣環網柜產品結構復雜，工藝水平不高，產品不穩定，可靠性能差。

2）第二階段：2011—2014年。該階段是國內固體絕緣環網開關設備迅猛發展的時期，生產制造企業、產品成型工藝、研發技術水平、外部環境因素都發生了很大的改變。主要體現在生產制造企業由原來的5家增加到40多家，大多是靠企業技術轉讓或企業間聯合設計獲得產品技術。固體絕緣環網柜的產品結構、工藝徹底發生改變（見圖4）。以中能電氣為例，產品由第一代的采用三工位真空隔離/接地開關技術的分相式結構（見圖5），到第二代的帶可視斷口的共相式結構（見圖6），產品從結構、工藝和性能都有顯著提高。

圖4 固體開關

1.2 技術現狀分析

固體絕緣環網柜在絕緣結構上是以固體絕緣材料作為外絕緣，并結合其他絕緣結構的環網開關設備，為了設計出不受環境條件影響的固體絕緣環網開關設備。采用固體絕緣材料將真空負荷開關/斷路器等電器元件固封其中，并在材料的外表面設計出接地電極，再以固體絕緣材料作為環網柜的主絕緣材質，充分利用絕緣材料的絕緣潛能。由于在相對地和相與相之間采用絕緣材料隔離，從而提高了開關設備的安全性和可靠性。基于此設計思想而進行設計開關設備時，需要解決屏蔽技術、絕緣介質表面金屬化技術、隔離和接地電場優化等技術[4]。

目前，國內企業設計出的固體絕緣環網柜其結構已有數十種，但能夠實現在固體絕緣材料的外表面設置接地電極的產品卻很少。結構特征主要有兩大派系：第一派系，以美國伊頓公司的固體絕緣環網柜技術派生出來的產品，真空斷路器或真空負荷開關+空氣絕緣的隔離/接地開關（見圖5），空氣絕緣的隔離/接地開關運動方式又分為刀閘旋轉式和觸指直動式，隔離/接地開關的運動速度由快速運動和勻速運動兩種；第二派系，以日本東芝固體絕緣環網柜技術派生出來的產品，真空斷路器或真空負荷開關+真空絕緣的隔離/接地開關（見圖6）。兩大派系的區別主要在隔離/接地開關的絕緣方式的 不同[5]。

鑒于隔離/接地開關的絕緣方式和結構的不同而帶來了環網柜的技術方案、產品結構、成本、應用等方面的區別。兩大派系產品的結構比較如下。

1）真空斷路器或真空負荷開關+刀閘旋轉運動隔離/接地開關的方式。該方式的隔離/接地開關為復合絕緣，結構簡單，受外界環境條件變化影響較大，隔離斷口可見。

2）真空斷路器或真空負荷開關+三工位真空滅弧隔離/接地開關的方式。該方式的隔離/接地開關為真空絕緣，結構簡單，但操動機構結構復雜、成本高，不受外界環境條件變化的影響，隔離斷口密封在真空泡內，斷口不可見。

1.3 應用現狀概述

根據固體絕緣環網柜專業委員會會員單位提供的資料有顯示，從2008—2015年，我國固體絕緣環網柜年銷售量已經達到2萬臺，大部分己在電網上運行，電壓等級以12kV為主，最早運行時間為2006年，但在固絕緣材料的外表面設置接地的地電極產品很少。固體絕緣環網柜已在全國十幾個地區掛網運行，其中，安徽、浙江和新疆等省份運行臺數較多，其次是內蒙古、北京、西藏、山東、云南、廣東、海南、貴州、四川、青海和湖北等省市，海拔4km的西藏拉薩也有固體絕緣環網柜掛網運行。

2 典型固體絕緣環網柜

中能電氣是國內較早進行研究固體絕緣環網柜的企業，經過公司多年的努力開發出了兩款產品，分別對應兩大派系：①第一代固體柜主回路為真空斷路器或真空負荷開關+真空絕緣的隔離/接地開關；②第二代固體柜主回路為真空斷路器或真空負荷開關+帶可視斷口的空氣絕緣的隔離/接地 開關。

優點主要包括：①產品與環境和諧，主回路采用固體材料進行絕緣，隔離接地三工位開關采用固體絕緣或空氣絕緣后，整柜不使用SF6氣體，不產生溫升氣體、不破壞臭氧層；②高性能環氧樹脂材料的應用，可以使主回路結構更加簡化，實現小型、輕量化；③簡易化的操作機構設計及產品模塊化設計，零件數量少，生命周期內取消氣體壓力監視，減少維護量，甚至免維護。

2.1 一代固體柜技術特點

中能電氣第一代固體柜主體結構為第二派系產品，即真空斷路器或真空負荷開關+真空絕緣的隔離/接地開關結構（見圖5）。

VSS-12一代產品是在目前固封成形和真空絕緣技術的基礎上，采用環氧樹脂（APG工藝）將斷路器/負荷開關真空滅弧室和三工位真空滅弧室分相澆注在環氧樹脂材料中，并通過一次導電件將其連接在一起構成單相開關單元，最后由絕緣母線等絕緣連接件組裝在一起構成全絕緣、全封閉、防凝露的固體絕緣環網開關設備[6]。固體開關的密封設計為整體式澆注式全封閉設計，可使固體開關的防護等級達到IP67，使產品性能達到不受外界環境變化的影響，開關結構為各相分離設計，進而具有完全避免相間短路的能力（見圖7）。

2.2 二代固體柜技術特點

中能電氣第二代固體柜主體結構為第一派系產品，即真空斷路器或真空負荷開關+空氣絕緣的隔離/接地開關結構（見圖6）。

與第一代固體柜相比，其結構特點是采用固體絕緣材料將三相斷路器真空滅弧室澆注在殼體中，三工位開關（隔離、接地）采用同軸刀閘式旋轉結構，并做有觀察窗，可以直接觀察隔離斷口，用電更加安全可靠[7]（見圖8）。

圖7 第一代固體柜

3 固體絕緣環網柜亟待解決的問題

3.1 絕緣件屏蔽技術及絕緣表面噴涂技術

由于主開關單元屏蔽作用的好壞直接影響設備的使用性能，固體絕緣環網柜在這方面尤為明顯，所以在實際設計和生產中要解決其表面屏蔽技術，即絕緣材料表面金屬化。目的是為了更好地使固體開關單元可靠接地，使環境因素對產品的影響降到最低，提高固體柜的使用范圍?，F在市場上很大一部分固體絕緣環網柜絕緣件表面未作處理，產品的局放指標較高[8]。

3.2 “假斷口”問題

現行氣體絕緣的隔離開關、接地開關，本質上是將隔離（接地）斷口兩端的導電件安裝于同一個絕緣件上，過去常稱這種斷口為“假斷口”[9]。當隔離開關處于分閘狀態時，斷口的導電件之間的絕緣性能就由斷口之間的氣體和支撐絕緣件的沿面爬離共同影響。同樣固體絕緣環網柜也存在這種問題，所以在設計時要對”假斷口”進行電場分析和優化，采用有效的技術手段使產品的電場更均勻，降低產品工作時的電場強度。

3.3 運行、維護經驗不足

固體絕緣環網柜是近幾年推出的新技術產品，前期沒有對掛網試運行進行科學合理的布局設計，使得目前掛網運行的數量還不是很多，運行累計時間也比較短，掛網運行的省份區域不夠全面[5]。比如：高寒高海拔地區、高溫高濕地區、沿海區域、多雨和晝夜溫差變化大的地區等，要全面積累全國不同地區的運行經驗，根據實際使用中出現的問題，有針對性和前瞻性的對固體絕緣環網柜進行改進，才能不斷提高產品的安全性和穩定性。

4 固體絕緣環網柜技術未來發展趨勢

隨著國家對環網柜性能要求越來越高，高可靠性的環境友好型環網柜越來越受到重視，可將固體絕緣環網柜技術未來的發展趨勢劃分為以下4個方面。

4.1 新的高性能絕緣材料的開發

作為固體絕緣環網柜使用的絕緣材料——環氧樹脂，雖然其性能非常優越，但是還存在著對陶瓷真空滅弧室進行澆注后，產生原件開裂的問題，因此，必須開發出完全超過已有環氧樹脂特性的高性能可降解的環氧樹脂。

2014年，《科學》雜志刊發了一篇關于發現了一種可循環利用的新型熱固性聚合物的文章，可循環利用的熱固性塑料領域迎來了重大進展，這種材料名為“聚六氫三嗪”。論文中指出這種新型聚合物可以溶解于強酸中，進而破壞聚合物原有的物理特性，使其可以有效地進行降解，進而分離出單個分子結構，然后通過新的加工工藝生產出新的產品，實現該材料的循環利用。

這種聚合物具有優越的可循環利用的特性，其將有可能在5年內取代不可循環利用的熱固性塑料。未來10年內生產的新產品將全部使用可循環利用的熱固性材料。

4.2 高效率澆注技術的開發

傳統環氧樹脂的澆注工藝費時費力，效率低下，成本昂貴。為了解決高成本、低效率的問題，必須開發高效率的澆注技術。該技術除對催化劑做了改良外，還運用了流動硬化解析技術。通過優化樹脂催化劑成分和控制金屬模溫度，使金屬模內的樹脂從距離注入口最遠的上部開始順次發生良好反應，對硬化中發生的樹脂收縮，用未硬化的液狀樹脂從注入口給予壓力補充，從而獲得不變形的澆注件。實現了一天可澆注8～12次的高效率澆注技術，一個金屬模就可以最多制作出14個澆注件，與過去相比，生產性能提高了8～160倍。通過這些技術開發，可以在短時間內制作出多個價廉的高質量澆注件[5]。

4.3 內置元件間界面連接方式的開發

固體絕緣環網柜因是采用固絕緣件將主回路導體及放置元件的主回路部分澆注成型，所以內置元件之間的連接沒有靈活性，因此，必須使連接各種澆注元件的連接導體標準化，使環網柜的整體構成合理化[5]。該連接導體也必須用環氧樹脂澆注，因而就需要一種和澆注體的連接部位保持一定自由度的合理化產品。為此，開發出了在澆注體和連接導體的連接部位將硅橡膠壓縮后連接的界面連接技術。采用這種可縮小連接部位尺寸的界面連接方式，就可以實現將各收納原件組合在一起的連接導體的標準化，合理地配置收納元件，從而實現了固體絕緣環網柜整體結構的小型化[10]。

5 結論

環境保護受到越來越多人們的關注，可以肯定環境友好型絕緣環網柜將是未來環網柜的發展趨勢，國內外企業都在進行相關產品的開發。作為已經有部分掛網運行的固體絕緣環網柜也將為保護環境做出貢獻，具有廣闊的應用前景。

[1] 國家電網公司. 國家電網公司第一批重點推廣新技術目錄[Z]. 2014.

[2] Q/GD W730—2012. 12kV固體絕緣環網柜技術條件[S].

[3] 國網公司科技部. 國家電網公司重點推廣新產品目錄[Z]. 2014.

[4] 王樹軍. 固體絕緣環網柜技術性能分析[J]. 電氣開關, 2015, 53(2): 4-5.

[5] 全國輸配電技術協作網. 固體絕緣環網柜生產應用與市場研究報告[Z]. 2014.

[6] VSS-12一代固體絕緣環網柜樣本[Z]. 中能電氣, 2013.

[7] VSS-12二代固體絕緣環網柜樣本[Z]. 中能電氣, 2015.

[8] 王琳, 于海江. 2015年固體絕緣環網柜將占總量的25%[N]. 中國電力報, 2013.

[9] 孫竹森, 蘭劍. 環保型金屬封閉開關設備的技術特點與發展趨勢[J]. 中國電業(技術版), 2014(6): 53-56.

[10] 翟鵬飛. 12kV固體絕緣環網開關設備的研究與開發[D]. 保定: 華北電力大學, 2013.

Research Status and Development of 12kV Solid Insulated Ring Main Unit

Wu Liangyun Han Yun Chen Youqiang

(CEE Installations Co., Ltd, Fuzhou 350301)

In recent years, the international community’s growing concern for the environment, in order to reduce the impact of SF6gas on the atmospheric environment, reduce greenhouse gas emissions, the urgent need the new RMU to replace SF6gas insulated RMU, gave birth to environmentally friendly RMU, solid insulated RMU therefore bred out, the paper combined with the company’s solid insulation RMU research and development, analysis of the present situation of research and development 12kV solid insulation RMU.

SF6; 12kV; solid insulated ring main unit

吳良云（1970-），男，福建福州人，工程師，從事高低壓電器研發工作。