摘要：文章通過分析我國近現(xiàn)代對(duì)固體絕緣開關(guān)柜的應(yīng)用以及對(duì)相關(guān)技術(shù)發(fā)展方向的探索，將目前國內(nèi)外的10kV小型化固體絕緣開關(guān)柜的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行比較，并結(jié)合相關(guān)的技術(shù)理論和實(shí)踐依據(jù)，提出解決10kV小型化固體絕緣開關(guān)柜的實(shí)施方案，為我國10kV小型化固體絕緣開關(guān)柜的技術(shù)推廣和廣泛應(yīng)用提供參考意見，以期促進(jìn)這一技術(shù)的快速發(fā)展。

關(guān)鍵詞：10kV小型化；固體絕緣開關(guān)；開關(guān)柜；電力設(shè)備；電網(wǎng)建設(shè)；電力事業(yè) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

隨著我國經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，國家電力設(shè)施和技術(shù)得到了快速發(fā)展。目前一些簡單的開關(guān)柜已不能滿足我國電網(wǎng)的需要，在開關(guān)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(guān)將以10kV小型化固體絕緣開關(guān)柜應(yīng)用為主，使我國的電力事業(yè)朝著更安全、更智能的方向發(fā)展。

1 固體絕緣開關(guān)柜的國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展歷史

1950年，瑞士開發(fā)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(jié)構(gòu)的絕緣開關(guān)技術(shù)。1958年瑞士又研發(fā)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(guān)設(shè)備。然而，在1959年，荷蘭發(fā)明了絕緣表面不接地的10kV固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜，由環(huán)氧外科制成的油絕緣斷路器，進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新。1960年德國也在荷蘭的基礎(chǔ)上發(fā)明了20kV固體絕緣開關(guān)柜。隨后，在1965年西德也采用了德國的20kV固體絕緣開關(guān)柜技術(shù)，使這一技術(shù)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(chǔ)上，研發(fā)了主母線電流為2000A的12kV固體絕緣開關(guān)柜，增加了絕緣開關(guān)柜的安全性。1970年，日本進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)了真空絕緣斷路器，并采用了20kV的固體絕緣開關(guān)，目前這一技術(shù)仍在使用中。現(xiàn)在使用最多的是日本研發(fā)的24～36kV固體絕緣開關(guān)柜，在利用真空絕緣斷路器的同時(shí)，它的短時(shí)耐受電流可達(dá)到25kA/3s，主母線電流可達(dá)到2000A，是目前國際上最先進(jìn)的絕緣開關(guān)柜技術(shù)。

2 10kV小型化固體絕緣開關(guān)柜的關(guān)鍵技術(shù)

目前，10kV固體絕緣開關(guān)柜的關(guān)鍵技術(shù)包括真空度監(jiān)測設(shè)計(jì)、表面感應(yīng)電壓設(shè)計(jì)、局部放電設(shè)計(jì)、散熱技術(shù)設(shè)計(jì)和其他優(yōu)化設(shè)計(jì)等技術(shù)。固體絕緣開關(guān)柜的優(yōu)點(diǎn)是絕緣能力相對(duì)較好，便于小型化設(shè)計(jì)，不會(huì)產(chǎn)生任何有害氣體，不會(huì)發(fā)生內(nèi)部燃弧現(xiàn)象等，但是也具有高壓絕緣受限、損壞后不可恢復(fù)、不易降解等缺點(diǎn)。而且，每個(gè)關(guān)鍵技術(shù)都會(huì)存在設(shè)計(jì)難題，如：表面感應(yīng)電壓需要考慮表面感應(yīng)電壓的產(chǎn)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(hù)，表面噴涂層電阻的選擇。同時(shí)，絕緣模塊表面沒有得到處理會(huì)導(dǎo)致相間模塊不能僅靠安裝，也不利于產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性和小型化發(fā)展。

3 10kV小型化固體絕緣開關(guān)柜的關(guān)鍵技術(shù)解決方案

3.1 表面感應(yīng)電壓解決方案

針對(duì)10kV固體絕緣開關(guān)柜中感應(yīng)電壓的產(chǎn)生和消除這一問題，現(xiàn)提出以下設(shè)計(jì)依據(jù)：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(fù)性能，因此，固體絕緣開關(guān)的局部放電值決定了產(chǎn)品的絕緣性能，根據(jù)圖1設(shè)定固體絕緣開關(guān)的局部放電值：

圖1 10kV小型化固體絕緣開關(guān)柜關(guān)鍵技術(shù)與解決實(shí)施方案

3.3 散熱技術(shù)解決方案

固體絕緣開關(guān)柜技術(shù)主要采用環(huán)氧樹脂作為絕緣材料，與SF6氣體絕緣相比，環(huán)氧樹脂的散熱性能更好，更容易制作大電流的絕緣開關(guān)柜產(chǎn)品。根據(jù)以下公式設(shè)計(jì)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(huán)境溫度，單位為℃；Q代表產(chǎn)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(fā)熱量；a2代表熱傳導(dǎo)率；r1、r2分別代表銅棒的直徑和絕緣層的直徑。

SF6的導(dǎo)熱溫度為12℃～100℃，空氣的導(dǎo)熱溫度為3.17℃～100℃，二氧化碳的導(dǎo)熱溫度為2.23℃～100℃，氮?dú)獾膶?dǎo)熱溫度為3.09℃～100℃，環(huán)氧樹脂的導(dǎo)熱溫度為80.0℃～100℃，所以環(huán)氧樹脂的散熱性能更好。

3.4 優(yōu)化設(shè)計(jì)解決方案

優(yōu)化設(shè)計(jì)主要通過絕緣材料的環(huán)境試驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)，如高低溫試驗(yàn)、冷熱交變?cè)囼?yàn)、機(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)等。由于環(huán)氧樹脂壓注模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不合理，導(dǎo)致在電場集中出現(xiàn)絕緣能力較差、模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜、局放大、應(yīng)用集中等問題，影響產(chǎn)品的使用壽命。目前，通過Maxwell和Estat軟件對(duì)絕緣模塊進(jìn)行分析，對(duì)開關(guān)柜的局部電場集中的問題進(jìn)行優(yōu)化。通過對(duì)電場進(jìn)行分析，不僅優(yōu)化了設(shè)計(jì)，減少了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，還提高了產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性。

3.5 斷路器的設(shè)計(jì)

斷路器常采用夾板式的操作結(jié)構(gòu)，使斷路器的每個(gè)部分受理均勻，具有良好的穩(wěn)定性。在斷路器的設(shè)計(jì)方面，將驅(qū)動(dòng)和儲(chǔ)能部分、合閘輸入軸、輸出軸等安裝在側(cè)板外側(cè)，電磁鐵安裝在外側(cè)的上下方，利于拆卸，同時(shí)便于觀察。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的斷路器具有運(yùn)行效率高、應(yīng)用安全、產(chǎn)生的噪音小、合閘功大、操作方便、機(jī)械體積小和壽命長等特點(diǎn)。三工位的斷路器具有結(jié)構(gòu)緊湊、操作機(jī)構(gòu)融合、整體結(jié)構(gòu)一體化的特點(diǎn)。另外，在接地、隔離、接通三個(gè)工位上，采用統(tǒng)一輸出、統(tǒng)一輸入，使功能轉(zhuǎn)換效率更高，操作時(shí)更加可靠。

3.6 柜體設(shè)計(jì)

固體絕緣開關(guān)柜的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的開關(guān)柜設(shè)計(jì)有很大不同，小型固體絕緣開關(guān)柜減小了高壓室和電纜室的可用空間，使開關(guān)柜內(nèi)的電弧障礙和長期發(fā)熱問題有所改善。同時(shí)，由于三相之間的距離減小，使得固體絕緣柜的強(qiáng)度增加。利用環(huán)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(qiáng)度也有所增加。柜體的設(shè)計(jì)上需要在柜體小型化的同時(shí)，利用雙折邊技術(shù)可以加大柜體立柱和橫梁的強(qiáng)度，使通風(fēng)口和壓力釋放口的有效面積增大。

4 結(jié)語

10kV小型化固體絕緣開關(guān)柜的電路的優(yōu)點(diǎn)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(duì)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(fēng)險(xiǎn)，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(wǎng)中適合大規(guī)模的推廣使用。目前，隨著人們對(duì)電力設(shè)施以及相關(guān)技術(shù)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(fā)出更先進(jìn)更安全的斷路器。因此，小型化固體絕緣開關(guān)設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)需要不斷被優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的安全性。另外，采用的絕緣材料要安全、穩(wěn)定、環(huán)保。同時(shí)在生產(chǎn)的過程中，要研發(fā)出科學(xué)的生產(chǎn)工藝，提高產(chǎn)品的合格率，盡量降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，以合理的價(jià)格推向市場。本文分析了固體絕緣開關(guān)柜的國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展歷史，闡述了10kV小型化固體絕緣開關(guān)柜的關(guān)鍵技術(shù)，提出了10kV小型化固體絕緣開關(guān)柜優(yōu)化設(shè)計(jì)方面的解決實(shí)施方案，使電力設(shè)施更安全、環(huán)保，更好地在市場推廣使用。

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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(tuán)電器有限公司助理工程師，研究方向：10kV成套設(shè)備設(shè)計(jì)。

（責(zé)任編輯：秦遜玉）