固体绝缘技术在高压开关设备中的应用

赵会锋

【摘要】21世纪，人们环保意识的日益增强，对电力技术也提出了更高的要求，而目前在市场上使用较为广泛的SF6设备，因为对环境危害、气体回收难度大、难于维护等问题。已被国内外电力行业叫停。因此，研发一种性能更加稳定、对资源和能源的利用更加有效，更加节能环保的、更加经济实用的新型开关设备已经迫在眉睫。近几年，经过国内外技术人员的不懈努力，固体绝缘技术逐渐登上电力行业舞台，并且取得较大发展。

【关键词】 电力技术 开关设备 固体绝缘 环网柜

一.引言

所谓固体绝缘就是采用固体绝缘材料作为主要绝缘介质的一种绝缘方式。即用绝缘材料——环氧树脂将主要的一次导电元件通过自动压力凝胶技术浇注为一体的一种技术。采用该技术的供电设备无任何有毒物质的排放，完全符合环保要求。由于开关内部所有一次导电元件采用环氧树脂浇注，与空气绝缘开关设备相比结构更加紧凑、连接更加可靠、性能也更加稳定、安装更加方便。

二.背景介绍

众所周知，高压开关设备按绝缘介质可分为空气绝缘、油绝缘、SF6、真空绝缘等几个类别，以上这几种绝缘方式都曾在较长时间内取得了较广泛的应用，但是这几种方式也都有很大的弊端。

油绝缘开关设备（油断路器等）具有绝缘能力强，占用空间小的特点。因此，在上世纪较长时间内，占据主导地位。但是，绝缘用油易老化，而引起绝缘能力的降低，且油具有易燃性，而且须考虑油的密封性。因此也限制了此类设备的使用。

目前市场上以空气作为绝缘介质的高压开关设备仍然占据多数，干燥空气的绝缘性能较好，但是对外界环境要求较高，空气的湿度、空气中尘埃等都会对绝缘性能造成较大影响。因此，大多数空气绝缘开关設备都是户内使用。同时，因为空气绝缘需要较大的绝缘距离，因此对占地空间需求较大，造成极大的土地资源浪费。

在此基础上，人们经过不断探索，发现了气体绝缘。气体绝缘当前主要是SF6气体，也有一部分SF6与N2或CO2的混合气体（基本处于试验阶段，未能大规模应用）。“SF6气体是一种无色、无臭、不燃、无毒的惰性气体，具有优良的绝缘性能，且不会老化变质” [1] 。因此，在电力设备中应用十分广泛。SF6气体绝缘开关柜的体积小，结构紧凑，不受外界环境因素的影响，适应性极强。但是，SF6气体是国际公认六种温室气体之一，从环境保护的角度，应当少用或不用SF6气体；另外，《联合国气候变化公约》和《京都议定书》对温室气体排放均有明确的限制要求和减排目标，我国作为签约国，在减少温室气体排放方面也承担着义不容辞的责任与义务，因此，国内SF6气体的使用会受到越来越多的限制，逐步减少并最终停止使用SF6气体是国际社会的共识。

三.固体绝缘技术简介

3.1 固体绝缘概念

固体绝缘就是采用固体绝缘材料作为主要绝缘介质的一种绝缘方式。即用绝缘材料——环氧树脂将主要的一次导电元件通过自动压力凝胶技术浇注为一体的一种技术。采用该技术的供电设备无任何有毒物质的排放，完全符合环保要求。由于开关内部所有一次导电元件采用环氧树脂浇注，与空气绝缘开关设备相比结构更加紧凑、连接更加可靠、性能也更加稳定、安装更加方便。

3.2 固体绝缘材料

3.2.1 环氧树脂概述

目前，固体绝缘采用的主要绝缘介质是环氧树脂。环氧树脂（Epoxy Resin）是指分子结构中含有2个或2个以上的环氧基并在适当的化学试剂存在下能形成三维网状固化物的化合物的总称，是一类重要的热固性树脂。环氧树脂既包括环氧基的低聚物，又包括含环氧基的低分子化合物。环氧树脂作为胶黏剂、涂料和复合材料等的树脂基体，广泛应用与水利、交通、机械、电子、家电、汽车及航空航天等领域。

3.2.2 环氧树脂的优点

环氧树脂及其固化物的性能特点：

力学性能高。环氧树脂觉有很强的内聚力，分子结构致密，所以他的力学性能高于酚醛树脂和不饱和聚酯等通用型热固性树脂。如树脂浇注体的完全强度：环氧树脂为120～140MPa；不饱和聚酯为80～100MPa；酚醛树脂为60～80MPa。

附着力强。环氧树脂固化体系中含有活性极大的环氧基、羟基以及醚键、胺键、脂键等极性基团，赋予环氧固化物对金属、陶瓷、玻璃、混凝土、木材等极性基材以优良的附着力。

固化收缩率小。一般为1%～2%，是热固性树脂中固化收缩率最小的品种之一（酚醛树脂为8%～10%；不饱和聚酯为4%～6%；有机硅树脂为4%～8%）。线胀系数也很小，一般为6x10-5/℃，所以固化后体积变化不大。

电绝缘性能优良。固化后的环氧树脂吸水率低，不再具有活性基团和游离离子，因此具有优良的绝缘性能。其体积电阻率（ρv）为1x1013～15；介电常数（ε）3～4；介质损耗角正切（tgδ）〈0.004。

工艺性好。环氧树脂固化时基本上不产生低分子挥发物，所以可以低压成型或者接触压成型。能与各种固化剂配合制造无溶剂、高固体、粉末涂料及水性涂料等环保型涂料。

稳定性好，抗化学腐蚀性优良。不含碱、盐等杂质的环氧树脂不易变质。只要贮存得当（密封、不含潮、不遇高温），其贮存期为一年。超气候若检验合格仍可使用。环氧固化物具有优良的化学稳定性。其耐碱、酸、盐等多种介质腐蚀的性能优于不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等热固性树脂。

耐热性高。脂环形环氧树脂的使用温度可以达到200～300℃。

由此可见，环氧树脂作为高压开关设备的固体绝缘材料，是具有无可比拟的优势。

四.固体绝缘技术在高压开关设备中的应用

固体绝缘技术在高压开关设备中已得到广泛应用，例如厦门华电的VEP-12（24），宝光（施耐德）电气的VBG-12（24），西安森源的EVSP-12（24）等，均是固体绝缘的应用典型。如图1（a）所示：为绝缘筒方案，绝缘筒主要起支撑、固定作用。图1（b）为固封极柱方案。

由图可以看出，图1（b）中将上、下出线座，真空灭弧室，导电块用环氧树脂固封为一体，减少了一次导电件数量，同时，减少了一次导电件连接部位，减少了故障点，使结构更为紧凑，安装更为方便。同时杜绝了导电面粉尘、污秽的堆积，使性能更为稳定、可靠。

但是图中所示的固封极柱，相间绝缘以及外部断口绝缘仍采用空气绝缘，因此整个断路器的体积并未明显缩小，未能完全体现出固体绝缘的优势。

目前市场上已经研发成功，并逐渐推广的固体绝缘环网开关设备，便是采用固体绝缘材料作为主绝缘介质的环网柜，将真空灭弧室及其导电连接、隔离开关、接地开关、主母线等主导电回路单一或组合后用固体绝缘介质包覆封装为一个或几个具有一定功能，并可再次组合和扩展的具备全绝缘、全密封性能的模块，人可触及的表面涂覆有导电或半导电屏蔽层并可直接可靠接地的环网柜[4]。

新型固体绝缘环网柜开关设备主要由三种基本单元，即V单元（断路器单元），C单元（负荷开关单元），T单元（组合电器单元），每个单元可以单独使用也可以自由扩展，其结构分为仪表室，操作机构和一次部分，仪表室可配微机保护（控制器），機构为专用弹操机构，一次部分采用APG自动凝胶工艺，将隔离开关和灭弧室完全固封在环氧树脂中，并有专用接头和母线相连。

如图2所示，为上海正昊电力科技有限公司TSR-12型固体绝缘环网柜方案图：

以上图为TSR-12型固体绝缘环网柜基本方案模块，将几个模块组合后便可组成多种方案如断路器（V）、负荷开关（C）、组合电器（T）、联络柜（VL，CL）、PT、计量、提升等方案。连接部位用专用密封圈密封，达到完全固体绝缘效果，具有结构紧凑、安装方便、绝缘性能高、抗污秽能力强、防护等级高等优点。

五.固体绝缘技术的特点

固体绝缘高压开关设备是从符合和适应现代坚强智能电网的要求出发，具备全绝缘、全密封、模块化、小型化等主要特点。主回路部分采用单相模块设计，一方面在运行时可以完全避免相间短路故障的发生，另一方面在极大提高维修效率的同时降低维护成本。[5]

固体绝缘高压开关设备从原理结构上完全取消了SF6气体以及相应的气箱零部件，彻底解决了由于气箱内部开关短路时因压力上升而引起爆炸所造成的事故，完全避免了SF6气体分解、泄漏而造成的有害气体的排放，真正成为社会所需要的环境友好型开关产品。

六.固体绝缘环网柜应用

6.1应用情况

固体绝缘开关设备不但适用于城市旧电网改造，也适用于农村新电网建设，不但可用于输配变电站系统，也可用于城市环网供电系统。可满足-45℃高寒、4000m高海拔、沿海及污秽地区的使用要求。

6.2应用成效

固体绝缘开关设备不排放任何有毒物质，无漏气爆炸和内部燃弧的隐患，具有绝缘性能高、环保、灵活方便及抗恶劣环境等突出特点等特点，从技术可靠性和环保要求更加严格的发展趋势看，固体绝缘开关设备具有全面取代SF6气体绝缘环网柜的趋势。

七.结束语

固体绝缘技术是将材料、模具、成型、加工、电力技术等技术综合的成果，是一种安全、环保型的新型绝缘技术，并且特别适合在高压开关设备中使用，且能够极好的适应高海拔、高温差、污秽潮湿的场所使用，它将会在我国坚强高压输配电技术中扮演重要的角色。但同时，作为一种新兴的技术，它还不是很成熟和可靠，需要我们共同去研究、去探索、去验证。通过我们的不懈努力，将固体绝缘技术推广到超高压，特高压等电压等级，完全取代SF6高压开关设备。为我国的电力、环保、经济建设提供真正绿色、环保、清洁、可靠的能源。

参考文献

[1] 马全福 《SF6气体》 宁夏电力科技教育工程院

[2] 叶蕊 《塑料注射成型技术》 北京 金盾出版社 1989

[3] 刘元东 《固体绝缘开关柜的结构特点分析》 配网设备与应用 2011