环保型金属封闭开关设备的技术特点与发展趋势

1、Technical Characteristics and Development Tendencies ofEnvironment-friendly Switchgears环保型金属封闭开关设备的技术特点与发展趋势孙竹森1，兰剑2（1. 全国输配电技术协作网，北京 西城 100055；2. 中国电力科学研究院，北京 朝阳 100192）摘要： 对环保型金属封闭开关设备进行了定义，并将其分为固体绝缘开关设备和充干燥空气、N2或SF6混合 气体的环保气体绝缘开关设备两大类。综述了固体绝缘环网柜和环保气体绝缘开关柜的发展现状，并从体 积、结构、维护性、安全性和环境适应性等方面概要总结了各自的技术特

2、点。重点分析并研究了固体绝缘环 网柜和环保气体绝缘开关柜的技术难点，指出了绝缘件表面的局放控制、“假断口”的解决、密封的加强、 成本控制、环氧树脂的回收利用和绝缘优化、开断能力的保证、温升与散热、混合气体的选用与回收是各自 未来的发展趋势。对环保型金属封闭开关设备的研制与改进提供有益的参考。 关键词：中压；固体绝缘柜；环保气体绝缘柜；干燥空气；N2；SF6混合气体中图分类号：TM 564文献标志码：A文章编号： 1002-1140（2014）06-0053-04SUN Zhu-sen1, LAN Jian2（1. China Electric Power Technology Collabor

3、ation, Beijing 100055, China;2.China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China）Abstract：The definitions of environment-friendly switchgears were described. And they were divided into two categories: solid-insulated switchgears and green gas-insulated switchgears with dry air, N2 or SF6

4、gas mixtures. The current developments of solid-insulated switchgears and green gas-insulated switchgears were summarized. And their technical characteristics are emphasized from aspects of dimensions, structures, maintenances, security and environmental suitability. The technical challenges of soli

5、d-insulated switchgears and green gas-insulated switchgears were researched and analyzed. And the partial discharge control of insulating materials, the solution of false fractures, the reinforce of seals, the cost control and the recycle of epoxy resins, and insulation optimizations, the assurance

6、of breaking capacities, the temperature rise and heat dissipation, the selection and recycle of gas mixtures were pointed out as development tendencies respectively. All the achievements provide important reference to guide the design and improvement of environment-friendly switchgears.Key words：med

7、ium voltage; solid-insulated switchgear; green gas-insulated switchgear; dry air; N2; SF6 gas mixtures了保护地球环境，1997年日本京都议定书上，SF6被列为具有温室效应的气体 。 其中 CO 2 的影响最 大，占60%以上，SF6为0.1%，其影响目前虽小，但潜在的危害性很大。因为SF6 的一个分子对温室效应的影响是一个CO2分子的23900倍，而且SF6分子的衰减周期很长，约为3200年。全球生产的SF6约50%用于电力行业，这其中的80%是用于开关设备1。40.5kV 及以下电压等级采用

8、真空作为绝缘和 灭弧介质的开关设备已得到市场的广泛认同，采用真空灭弧室作为主要开断元器件的真空断路器、真0 引言中压开关设备量大面广，大量运用于电网配电系统和广大的中压用户中，是坚强智能电网中不可 或缺的产品 ， 直接关系到电网的安全可靠运行 。20 世纪 50 年代以来 ，中压开关设备发展经历了敞 开式、箱式、金属封闭式等阶段，在满足设备的功 能性使用要求方面已经不存在任何问题，而且产品 早已系列化和使用范围全覆盖。目前，创新和技术 进步主要围绕着开关设备在安全性、可靠性、小型 化、环保等市场和社会及时代的需求不断展开。为技术53电 气 设 备中国电业技术 2014年第6期空负荷开关等开关设

9、备产品取代SF6 介质的开关设备已经基本成定局。同时，采用非SF6 的环保气体作为灭弧介质也正在研究中。因此，随着开断技术的不断进步和完善，现阶段倡导和研发环保型开关 设备，已经具备了坚实的理论、技术和经济基础。 本文介绍了环保型金属封闭开关设备，全面总结了固体绝缘环网柜和环保气体绝缘开关柜的发展现状、技术特点、技术难点与发展趋势。对环保型 金属封闭开关设备的研制与改进提供有益的参考。日本东芝公司在 1999 年研发出高性能环氧树脂材 料和浇注技术后，2002年开发出了24kV固体绝缘 环网柜，现在已有72kV及84kV的产品问世。在欧 洲，荷兰霍力克（现已被美国伊顿收购）采用固体绝缘材料作为

10、环网柜产品的绝缘以减小尺寸的设计起步较早。伊顿公司将该结构产品定义为真空型环 网柜，成为最先进入我国市场的此类产品。我国于2007年开始在北京出现了此类产品的首台应用。固体绝缘环网柜，其开关本体的绝缘与灭弧采 用真空介质，外绝缘采用固体材料，由绝缘封闭母 线连接各个回路。绝缘筒采用固封极柱技术，将真 空灭弧室、主导电回路和绝缘支撑等有机结合为一 个整体2，实现全绝缘、全密封和免维护结构，体 积缩小的同时也实现单元可拆换结构，扩展灵活。 绝缘筒采用环氧树脂材料制成，母线采用硅橡胶材 料进行封装。这种结构除了具有很好的环境适应性外还从根本上解决了SF6 气体在高温地区膨胀造成的影响，因此特别适用于

11、高温地区应用。固体绝缘环网柜取消了压力气箱部件，避免了高海拔地区气 箱变形和放气处理问题，适合于高原地区应用3。2.2 环保气体绝缘开关柜中压气体绝缘金属封闭开关设备也简称 C-GIS ， C-GIS 的特点是将各高压元件密封于 箱型容器内 ， 箱体内充入较低压力的绝缘气体 （0.020.05MPa 表压 ），一般用真空灭弧室来开 断额定电流和短路电流 。 随着技术进步 ， C-GIS 正朝着使用混合气体 、 干燥空气 、 N 2 、 CO 2 等绝 缘气体方向发展，尽可能少用或不用SF6 气体。目前日本一些制造商 ， 如日立 、 明电舍 、 富士电机 等已经在 24kV 、36kV 以及 7

12、2kV 上实现了干燥空 气绝缘的产品 。 在国内 ， 环保气体绝缘开关设备 主要有三大类：（1）充清洁干燥空气。主要应用1 环保型金属封闭开关设备的定义和分类提到环保，人们通常会联想到减少温室效应气体的排放，其实这只是环保的多个指标中的一个指 标。环保是一个相对的概念，环保型开关设备，既 需要评判防止地球温室效应的指标，也需要从一些 其他的环保性指标进行综合评判，例如降低或减少 有毒有害物质的使用、材料资源的循环利用（如最 大限度减少热固性材料的使用）、降低目标活动所 需能量（节能）、减小产品的重量和体积（节材节 地）、产品标称寿命后的再利用以及回收物质的循环处理能力和能耗等产品全寿命周期内对

13、环境影响的指标。此外，还应考虑开关设备的环境适应性， 其主要体现在不易受周围环境的影响，包括污秽、 湿热、盐雾、高海拔和大气污染等。因此 ， 可以将环保型金属封闭开关设备暂时 定义为“极少使用或者不使用SF 6 在产品全寿命周 期内对环境影响小的并具有环境适应性的开关设 备”。具体可分为三类：（1）固体绝缘开关设备（SIS）；（2）不使用SF6的气体绝缘开关设备，如干燥空气绝缘开关设备或 N 2 绝缘开关设备 ；（3 ）极少使用 SF 6 的气体绝缘开关设备 ，即在充 气压力和SF6充气比例上应加以限制，例如SF6和N2的混合气体绝缘开关设备 。 环保型金属封闭开关 设备产品主要分为两大类：（

14、1）环网开关柜额 定电流 630A 及以下 ，开断电流 2025kA 及以下 ；（2）通用开关柜额定电流630A及以上，开断电 流25kA及以上。4于1240.5kV的产品中 ；（2）充N2或CO2。主要应用于12kV的产品中，也有应用于40.5kV的产品中；（3）充SF 6 混合气体。研究表明，20%的SF 6和 80% 的 N 2 混合气体具有很好的绝缘性能 ， 10% 的SF6和90%的N2混合气体已经应用于24kV的产品中，SF6和N2各占50%的混合气体已应用于40.5kV的产品中。环保气体绝缘开关柜的优势除了绿色环保外 还主要体现在以下几个方面 ：（ 1 ） 体积小 。 采用环保气

15、体绝缘保留了气体绝缘开关设备尺寸上 的优势 ， 柜体尺寸小 ， 节约占地 ；（ 2 ） 维护量 小 。 高压绝缘不受外界环境的影响 ， 不易老化 ， 用户在现场无需处理气体等 ， 可降低设备的全寿 命周期成本 ；（ 3 ） 高模块化 。 灵活组合 ， 拼接 方便 5 ；（ 4 ） 安全可靠 。 所有高压元件密封在 充气的金属壳体内 ， 金属壳体可靠接地 ， 保证了 2 环保型金属封闭开关设备的发展现状与技术特点2.1 固体绝缘环网柜随着环氧树脂材料制造工艺的技术进步，对环 保更加严格的要求，近年来固体绝缘开关设备成为 国、内外中压开关领域的研发热点。最早应用该类 型产品的是日本 ， 紧跟的是欧

16、洲 ， 后来是我国 。54技术孙竹森等：环保型金属封闭开关设备的技术特点与发展趋势运行维护人员的安全 。2.3 两者的技术性能比较对固体绝缘环网柜与环保气体绝缘开关柜在产 品全寿命周期内的各项技术性能指标进行了比较，如表1所示。为“假断口”。当开关处于分闸状态时，动、静触座之间的绝缘性能由动 、 静触座间的空气 、 绝缘 件的沿面爬电距离共同决定，需要对这种断口进行 电场分析和优化，采用技术措施使电场均匀，降低 工作场强。由于这种断口存在绝缘件的沿面闪络因 素，大大增加了断口击穿的几率。这种结构的隔离 断口击穿或闪络将会使主回路的停电线段带电，有 可能增加人员伤亡的几率。随环境的影响，绝缘材

17、料的老化，该沿面的泄漏电流会增加、绝缘性能会 下降，对产品可靠性的影响有多大需要有充分的认 识和验证。而采用真空断口，由于其NSDD的影响，目前 很难被用户接受。有韩国公司的固体绝缘产品隔离 和接地断口采用充高燃点的环保油的方式，以解决 上述“假断口”问题。但充油又带来了无油化的问 题。如何取舍，仍需要进一步研究。有美国公司正在研究一种CF 3C(O)CF(CF3)2的液体，该液体在均匀电场中的绝缘性能要优于SF6 ，但在电场极不均匀的开关设备中不适用。3.1.3 密封的加强 固体绝缘环网柜是属于配网系统末端的配电设备 ， 大部分设备安装在户外的金属或非金属箱体 内，环境非常恶劣，由于柜体的密

18、封性不强，设备 的性能和可靠性很容易受环境因素的影响 。 受潮 气、灰尘、温差和空气中化学物质的作用，会出现 产品零件的锈蚀、表面氧化、凝露等现象，从而带 来固体绝缘环网柜操作机构与传动部分卡涩、绝缘 件表面的电场破坏、积水等，使得设备出现拒分、 拒合、绝缘件沿面放电、短路、接地等故障。因此 ， 应注重产品适应户外环境方面的结构 研究和工艺改进 ，例如对真空断路器 / 负荷开关 、隔离 / 接地开关用操动机构进行整体结构设计及优 化，从而解决因锈蚀、潮气、灰尘、凝露等现象带 来的拒动、绝缘下降等质量问题。3.1.4 成本控制目前 ， 对于固体绝缘环网柜的研发主要集中 在 24kV 及以下电压等

19、级 。其主要的技术难度是如 何提升大电流下的经济性 ， 固体绝缘环网柜超过 1250A后的经济性和可能性值得探讨。此外，固体 绝缘环网柜由于环氧材料用量大、成本较高，所以 采用自动化生产以提高合格率非常必要。3.1.5 环氧树脂的回收利用固体绝缘环网柜中的主绝缘材料 环氧树 脂 ， 其生产过程和报废后的处理都会有有毒物 质产生 。 目前对环氧材料本身的环保性仍存在争 议 ， 环氧材料的降解处理仍未见技术性的突破 。 因此 ， 开发高性能环氧树脂 ， 实现可回收再利用 是亟待研究的课题 。表1 固体绝缘环网柜与环保气体绝缘开关柜的技术性能比较 制造过程中 生产工艺 较为成熟 简单成熟 体积小，节

20、约占地体积、占地体积小，节约占地维护性维护量小维护量小无（SF6混合气体柜含有少量）温室气体排放无使用过程中使用环境几乎不受环境影响不受环境影响局放不稳定，绝缘恢复性能差局放影响小，绝缘可恢复安全性材料损耗较多较少大额定电流较小较大退出使用后回收利用回收利用性差可回收利用3 环保型金属封闭开关设备的技术难点与发展趋势3.1 固体绝缘环网柜3.1.1 局放的控制 固体绝缘环网柜的设计与生产主要需解决的问题是屏蔽及其接地连续性、绝缘材料表面金属化、 电场优化等技术，目的是实现包覆后的绝缘介质外 表面涂覆导电或半导电屏蔽层并可直接可靠接地， 降低、排除使用环境对产品的影响。目前，国内现有产品中很大一

21、部分绝缘件表面均未做屏蔽与金属化处理，局放指标不稳定。由于固体绝缘与气体绝 缘的不同在于气体泄漏可告警监视、放电可自行恢 复，固体绝缘放电一旦发生，绝缘将不可恢复，同 时在寿命期间，放电会持续增加，久而久之会出现 绝缘击穿和发生相间短路故障。同时，因表面未可 靠接地，人触摸时会出现人身伤亡事故。因此 ，需从固体绝缘技术的原理入手 ，对绝 缘件的电场、磁场和温度场以及屏蔽、表面接地等 进行科学计算和优化设计，同时加强对局部放电的 监测。3.1.2 “假断口”的解决 固体绝缘环网柜的隔离断口和接地断口一般采用干燥空气实现，其实质是将断口二端的静触座、动触座安装在同一个绝缘件上，过去常称这种断口技术

22、55环保气体绝缘开 性能指标固体绝缘环网柜关柜电 气 设 备中国电业技术 2014年第6期此外，据了解，韩国早期投运的固体绝缘环网柜，由于运行多年长期的工频振动，已经开始出现 固体绝缘开裂或局部放电升高导致事故多发的现 象。应尽快进行深入了解、沟通和借鉴。3.2 环保气体绝缘开关柜3.2.1 绝缘优化采用新型环保气体后，如干燥空气或N2，由于 绝缘性能低于SF6，特别是N2，其绝缘性能仅为SF6 气体的 1/3 6 ，因此需要对开关设备的绝缘进行重 新研究。为确保绝缘强度，在捡漏补气以及焊接工 艺等方面应加强研究，如采用自动捡漏及充气设备 以及机器人焊接设备等。此外，还应进行电场的优 化设计，

23、使场强尽量均匀，并采用降低电场的元器 件，如金属屏蔽等。同时要考虑采用环保气体作为开关设备的绝缘介质后，如何使之与SF6气体绝缘产品的外形尺寸 和制造成本基本保持不变、用户界面和操作方式实 现类似等问题。3.2.2 开断能力的保证对于环网柜中的负荷开关单元，采用环保气体 后 ， 其开断能力会受到影响 。 采用真空灭弧室来 增强开断能力是一个成熟的替代方案 。 但是用真 空灭弧室作为隔离断口目前还很难被接受 ， 因为 真空断口在高电压作用下存在非保持性击穿放电 （NSDD）的可能，真空触头的冷焊现象也容易导 致冲击水平的下降，直接威胁人身安全。所以，现有的真空负荷开关需要与三工位隔离 / 接地开

24、关相 匹配，不仅成本高，而且产品尺寸大。因此，需要研究新型的开关结构，使环保气体 既可以做绝缘介质又可以做灭弧介质。3.2.3 温升与散热气体绝缘开关设备的特点就是将高压元件密封 于不锈钢气箱内，密闭的气箱对于负载电流产生的热量只能通过有限的对流、传导和辐射方式进行散热，因此气体绝缘开关柜的设计电流密度相对于空 气绝缘需要适当降低。不同气体相同的设计，其温升裕度有很大的差别，同样条件下 SF6与N2或干燥空气相差10K以上。由于气体绝缘产品气箱内的密闭环境不会受到周围环境影响因素的干扰，接触电 阻稳定，将额定电流提高以保证负载温升水平的措 施直接影响到产品材料成本上升，不利于环保型产 品的整体解决方案。3.2.4 混合气体的选用与回收混合气体一般指SF6与环保气体的混合，但SF6到底占多少才能定义为环保气体没有明确的定义。因此，应对混合气体的比例进行明确界定。设计时 不同比例的混合气体回