固體絕緣技術(shù)在高壓開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用

1、    固體絕緣技術(shù)在高壓開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用    趙會(huì)鋒【摘要】21世紀(jì)，人們環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，對(duì)電力技術(shù)也提出了更高的要求，而目前在市場(chǎng)上使用較為廣泛的sf6設(shè)備，因?yàn)閷?duì)環(huán)境危害、氣體回收難度大、難于維護(hù)等問(wèn)題。已被國(guó)內(nèi)外電力行業(yè)叫停。因此，研發(fā)一種性能更加穩(wěn)定、對(duì)資源和能源的利用更加有效，更加節(jié)能環(huán)保的、更加經(jīng)濟(jì)實(shí)用的新型開關(guān)設(shè)備已經(jīng)迫在眉睫。近幾年，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外技術(shù)人員的不懈努力，固體絕緣技術(shù)逐漸登上電力行業(yè)舞臺(tái)，并且取得較大發(fā)展?！娟P(guān)鍵詞】 電力技術(shù) 開關(guān)設(shè)備 固體絕緣 環(huán)網(wǎng)柜一.引言所謂固體絕緣就是采用固體絕緣材料作為主要絕緣介質(zhì)的一種絕緣方式

2、。即用絕緣材料環(huán)氧樹脂將主要的一次導(dǎo)電元件通過(guò)自動(dòng)壓力凝膠技術(shù)澆注為一體的一種技術(shù)。采用該技術(shù)的供電設(shè)備無(wú)任何有毒物質(zhì)的排放，完全符合環(huán)保要求。由于開關(guān)內(nèi)部所有一次導(dǎo)電元件采用環(huán)氧樹脂澆注，與空氣絕緣開關(guān)設(shè)備相比結(jié)構(gòu)更加緊湊、連接更加可靠、性能也更加穩(wěn)定、安裝更加方便。二.背景介紹眾所周知，高壓開關(guān)設(shè)備按絕緣介質(zhì)可分為空氣絕緣、油絕緣、sf6、真空絕緣等幾個(gè)類別，以上這幾種絕緣方式都曾在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)取得了較廣泛的應(yīng)用，但是這幾種方式也都有很大的弊端。油絕緣開關(guān)設(shè)備（油斷路器等）具有絕緣能力強(qiáng)，占用空間小的特點(diǎn)。因此，在上世紀(jì)較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，絕緣用油易老化，而引起絕緣能力的降低，且

3、油具有易燃性，而且須考慮油的密封性。因此也限制了此類設(shè)備的使用。目前市場(chǎng)上以空氣作為絕緣介質(zhì)的高壓開關(guān)設(shè)備仍然占據(jù)多數(shù)，干燥空氣的絕緣性能較好，但是對(duì)外界環(huán)境要求較高，空氣的濕度、空氣中塵埃等都會(huì)對(duì)絕緣性能造成較大影響。因此，大多數(shù)空氣絕緣開關(guān)設(shè)備都是戶內(nèi)使用。同時(shí)，因?yàn)榭諝饨^緣需要較大的絕緣距離，因此對(duì)占地空間需求較大，造成極大的土地資源浪費(fèi)。在此基礎(chǔ)上，人們經(jīng)過(guò)不斷探索，發(fā)現(xiàn)了氣體絕緣。氣體絕緣當(dāng)前主要是sf6氣體，也有一部分sf6與n2或co2的混合氣體（基本處于試驗(yàn)階段，未能大規(guī)模應(yīng)用）?！皊f6氣體是一種無(wú)色、無(wú)臭、不燃、無(wú)毒的惰性氣體，具有優(yōu)良的絕緣性能，且不會(huì)老化變質(zhì)” 1 。因

4、此，在電力設(shè)備中應(yīng)用十分廣泛。sf6氣體絕緣開關(guān)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；另外，聯(lián)合國(guó)氣候變化公約和京都議定書對(duì)溫室氣體排放均有明確的限制要求和減排目標(biāo)，我國(guó)作為簽約國(guó)，在減少溫室氣體排放方面也承擔(dān)著義不容辭的責(zé)任與義務(wù)，因此，國(guó)內(nèi)sf6氣體的使用會(huì)受到越來(lái)越多的限制，逐步減少并最終停止使用sf6氣體是國(guó)際社會(huì)的共識(shí)。三.固體絕緣技術(shù)簡(jiǎn)介3.1 固體絕緣概念固體絕緣就是采用固體絕緣材料作為主要絕緣介質(zhì)的一種絕緣方式。即用絕緣材料環(huán)氧樹脂將主要的一次導(dǎo)電元件通過(guò)自動(dòng)壓力凝膠技術(shù)

5、澆注為一體的一種技術(shù)。采用該技術(shù)的供電設(shè)備無(wú)任何有毒物質(zhì)的排放，完全符合環(huán)保要求。由于開關(guān)內(nèi)部所有一次導(dǎo)電元件采用環(huán)氧樹脂澆注，與空氣絕緣開關(guān)設(shè)備相比結(jié)構(gòu)更加緊湊、連接更加可靠、性能也更加穩(wěn)定、安裝更加方便。3.2 固體絕緣材料3.2.1 環(huán)氧樹脂概述目前，固體絕緣采用的主要絕緣介質(zhì)是環(huán)氧樹脂。環(huán)氧樹脂（epoxy resin）是指分子結(jié)構(gòu)中含有2個(gè)或2個(gè)以上的環(huán)氧基并在適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)試劑存在下能形成三維網(wǎng)狀固化物的化合物的總稱，是一類重要的熱固性樹脂。環(huán)氧樹脂既包括環(huán)氧基的低聚物，又包括含環(huán)氧基的低分子化合物。環(huán)氧樹脂作為膠黏劑、涂料和復(fù)合材料等的樹脂基體，廣泛應(yīng)用與水利、交通、機(jī)械、電子、家電

6、、汽車及航空航天等領(lǐng)域。3.2.2 環(huán)氧樹脂的優(yōu)點(diǎn)環(huán)氧樹脂及其固化物的性能特點(diǎn)：力學(xué)性能高。環(huán)氧樹脂覺(jué)有很強(qiáng)的內(nèi)聚力，分子結(jié)構(gòu)致密，所以他的力學(xué)性能高于酚醛樹脂和不飽和聚酯等通用型熱固性樹脂。如樹脂澆注體的完全強(qiáng)度：環(huán)氧樹脂為120140mpa；不飽和聚酯為80100mpa；酚醛樹脂為6080mpa。附著力強(qiáng)。環(huán)氧樹脂固化體系中含有活性極大的環(huán)氧基、羥基以及醚鍵、胺鍵、脂鍵等極性基團(tuán)，賦予環(huán)氧固化物對(duì)金屬、陶瓷、玻璃、混凝土、木材等極性基材以優(yōu)良的附著力。固化收縮率小。一般為1%2%，是熱固性樹脂中固化收縮率最小的品種之一（酚醛樹脂為8%10%；不飽和聚酯為4%6%；有機(jī)硅樹脂為4%8%）。線

7、脹系數(shù)也很小，一般為6x10-5/，所以固化后體積變化不大。電絕緣性能優(yōu)良。固化后的環(huán)氧樹脂吸水率低，不再具有活性基團(tuán)和游離離子，因此具有優(yōu)良的絕緣性能。其體積電阻率（v）為1x101315；介電常數(shù)（）34；介質(zhì)損耗角正切（tg）0.004。工藝性好。環(huán)氧樹脂固化時(shí)基本上不產(chǎn)生低分子揮發(fā)物，所以可以低壓成型或者接觸壓成型。能與各種固化劑配合制造無(wú)溶劑、高固體、粉末涂料及水性涂料等環(huán)保型涂料。穩(wěn)定性好，抗化學(xué)腐蝕性優(yōu)良。不含堿、鹽等雜質(zhì)的環(huán)氧樹脂不易變質(zhì)。只要貯存得當(dāng)（密封、不含潮、不遇高溫），其貯存期為一年。超氣候若檢驗(yàn)合格仍可使用。環(huán)氧固化物具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。其耐堿、酸、鹽等多種介質(zhì)腐

8、蝕的性能優(yōu)于不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂等熱固性樹脂。耐熱性高。脂環(huán)形環(huán)氧樹脂的使用溫度可以達(dá)到200300。由此可見(jiàn)，環(huán)氧樹脂作為高壓開關(guān)設(shè)備的固體絕緣材料，是具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。四.固體絕緣技術(shù)在高壓開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用固體絕緣技術(shù)在高壓開關(guān)設(shè)備中已得到廣泛應(yīng)用，例如廈門華電的vep-12（24），寶光（施耐德）電氣的vbg-12（24），西安森源的evsp-12（24）等，均是固體絕緣的應(yīng)用典型。如圖1（a）所示：為絕緣筒方案，絕緣筒主要起支撐、固定作用。圖1（b）為固封極柱方案。由圖可以看出，圖1（b）中將上、下出線座，真空滅弧室，導(dǎo)電塊用環(huán)氧樹脂固封為一體，減少了一次導(dǎo)電件數(shù)量，同時(shí)，減少了

9、一次導(dǎo)電件連接部位，減少了故障點(diǎn)，使結(jié)構(gòu)更為緊湊，安裝更為方便。同時(shí)杜絕了導(dǎo)電面粉塵、污穢的堆積，使性能更為穩(wěn)定、可靠。但是圖中所示的固封極柱，相間絕緣以及外部斷口絕緣仍采用空氣絕緣，因此整個(gè)斷路器的體積并未明顯縮小，未能完全體現(xiàn)出固體絕緣的優(yōu)勢(shì)。目前市場(chǎng)上已經(jīng)研發(fā)成功，并逐漸推廣的固體絕緣環(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)備，便是采用固體絕緣材料作為主絕緣介質(zhì)的環(huán)網(wǎng)柜，將真空滅弧室及其導(dǎo)電連接、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、主母線等主導(dǎo)電回路單一或組合后用固體絕緣介質(zhì)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4。新型固體絕

10、緣環(huán)網(wǎng)柜開關(guān)設(shè)備主要由三種基本單元，即v單元（斷路器單元），c單元（負(fù)荷開關(guān)單元），t單元（組合電器單元），每個(gè)單元可以單獨(dú)使用也可以自由擴(kuò)展，其結(jié)構(gòu)分為儀表室，操作機(jī)構(gòu)和一次部分，儀表室可配微機(jī)保護(hù)（控制器），機(jī)構(gòu)為專用彈操機(jī)構(gòu)，一次部分采用apg自動(dòng)凝膠工藝，將隔離開關(guān)和滅弧室完全固封在環(huán)氧樹脂中，并有專用接頭和母線相連。如圖2所示，為上海正昊電力科技有限公司tsr-12型固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜方案圖：以上圖為tsr-12型固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜基本方案模塊，將幾個(gè)模塊組合后便可組成多種方案如斷路器（v）、負(fù)荷開關(guān)（c）、組合電器（t）、聯(lián)絡(luò)柜（vl，cl）、pt、計(jì)量、提升等方案。連接部位用專用密封圈密

11、封，達(dá)到完全固體絕緣效果，具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便、絕緣性能高、抗污穢能力強(qiáng)、防護(hù)等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn)。五.固體絕緣技術(shù)的特點(diǎn)固體絕緣高壓開關(guān)設(shè)備是從符合和適應(yīng)現(xiàn)代堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)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，另一方面在極大提高維修效率的同時(shí)降低維護(hù)成本。5固體絕緣高壓開關(guān)設(shè)備從原理結(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)境友好型開關(guān)產(chǎn)品。六.固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜應(yīng)

12、用6.1應(yīng)用情況固體絕緣開關(guān)設(shè)備不但適用于城市舊電網(wǎng)改造，也適用于農(nóng)村新電網(wǎng)建設(shè)，不但可用于輸配變電站系統(tǒng)，也可用于城市環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)。可滿足-45高寒、4000m高海拔、沿海及污穢地區(qū)的使用要求。6.2應(yīng)用成效固體絕緣開關(guān)設(shè)備不排放任何有毒物質(zhì)，無(wú)漏氣爆炸和內(nèi)部燃弧的隱患，具有絕緣性能高、環(huán)保、靈活方便及抗惡劣環(huán)境等突出特點(diǎn)等特點(diǎn)，從技術(shù)可靠性和環(huán)保要求更加嚴(yán)格的發(fā)展趨勢(shì)看，固體絕緣開關(guān)設(shè)備具有全面取代sf6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的趨勢(shì)。七.結(jié)束語(yǔ)固體絕緣技術(shù)是將材料、模具、成型、加工、電力技術(shù)等技術(shù)綜合的成果，是一種安全、環(huán)保型的新型絕緣技術(shù)，并且特別適合在高壓開關(guān)設(shè)備中使用，且能夠極好的適應(yīng)高海拔、高溫差、污穢潮濕的場(chǎng)所使用，它將會(huì)在我國(guó)堅(jiān)強(qiáng)高壓輸配電技術(shù)中扮演重要的角色。但同時(shí)，作為一種新興的技術(shù)，它還不是很成熟和可靠，需要我們