吳良云 韓 云 陳友強

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12kV固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的研究與發(fā)展現(xiàn)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(huán)境日益關(guān)注，為了減少SF6氣體對大氣環(huán)境的影響，減少溫室氣體的排放，急需新型環(huán)網(wǎng)柜來代替SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜，催生出了環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜，固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜因此孕育而出。本文結(jié)合本公司對固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的研究開發(fā)，分析介紹了12kV固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的研究和發(fā)展現(xiàn)狀。

SF6；12kV；固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜

目前，環(huán)保型固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜是一種正進入規(guī)模應(yīng)用的配電新產(chǎn)品。國家電網(wǎng)公司1285號文件和國家電網(wǎng)公司“十二五”規(guī)劃，已明確把固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜列入其中，作為其推廣應(yīng)用新型環(huán)網(wǎng)柜。同時文件明確提出：“從技術(shù)可靠性和環(huán)保要求更加嚴(yán)格的發(fā)展趨勢看，固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜具有全面取代SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的趨”[1]。國家電網(wǎng)公司于2012年3月2日發(fā)布了固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GD W730—2012《12kV固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜技術(shù)條件》[2]。為提升配電網(wǎng)（農(nóng)網(wǎng)）工程標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)水平，推進標(biāo)準(zhǔn)配置，實現(xiàn)配電網(wǎng)裝備水平升級，國家能源局電力司下發(fā)[2015]290號文件印發(fā)《配電網(wǎng)建設(shè)改造行動計劃（2015—2020年）》的通知，其中指出推廣應(yīng)用固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜等新設(shè)備新技術(shù)。同時，國網(wǎng)公司科技部[2014]847號文件發(fā)布《國家電網(wǎng)公司重點推廣新產(chǎn)品目錄（2014版）》的通知，再次將固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜技術(shù)列入其中，固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜成為其重點推廣應(yīng)用對象：2014—2016年，在公司新建或改造項目中固體絕緣環(huán)網(wǎng)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(huán)網(wǎng)柜的使用量為新增總量的25%～35%[3]。南網(wǎng)公司在2015年2月正式頒布了《12kV固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜技術(shù)規(guī)范》。電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《12kV固體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備》，已于2016年7月1日正式發(fā)布實施。

1 國內(nèi)外研究發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)外研發(fā)情況

國外研發(fā)固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的國家主要有美國、法國、德國、日本、韓國，企業(yè)主要有瑞士的ABB、法國的施耐德、美國的吉唯達(dá)和伊頓、德國的迪康、日本的東芝和日立以及韓國的現(xiàn)代等。國內(nèi)企業(yè)也投入研發(fā)柜體絕緣環(huán)網(wǎng)柜，并推出自主研發(fā)的開關(guān)產(chǎn)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(fā)出高性能的環(huán)氧樹脂材料，并開發(fā)出了高效率的環(huán)氧樹脂澆注技術(shù)。2002年東芝公司推出24kV固體絕緣開關(guān)柜（SIS）（見圖1），隨后又推出了系列化產(chǎn)品。美國伊頓公司2008年開始研制的SVS型固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜（見圖2），其產(chǎn)品額定電流630A，開短電流25kA，隔離接地開關(guān)采用空氣絕緣，兩年后伊頓公司推出固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜，瑞士ABB公司也推出了固體絕緣環(huán)網(wǎng)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(nèi)固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的發(fā)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(huán)網(wǎng)柜的起步階段，開展產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)和生產(chǎn)的企業(yè)不多，處于初始研發(fā)階段，此時的固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝水平不高，產(chǎn)品不穩(wěn)定，可靠性能差。

2）第二階段：2011—2014年。該階段是國內(nèi)固體絕緣環(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)備迅猛發(fā)展的時期，生產(chǎn)制造企業(yè)、產(chǎn)品成型工藝、研發(fā)技術(shù)水平、外部環(huán)境因素都發(fā)生了很大的改變。主要體現(xiàn)在生產(chǎn)制造企業(yè)由原來的5家增加到40多家，大多是靠企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)讓或企業(yè)間聯(lián)合設(shè)計獲得產(chǎn)品技術(shù)。固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝徹底發(fā)生改變（見圖4）。以中能電氣為例，產(chǎn)品由第一代的采用三工位真空隔離/接地開關(guān)技術(shù)的分相式結(jié)構(gòu)（見圖5），到第二代的帶可視斷口的共相式結(jié)構(gòu)（見圖6），產(chǎn)品從結(jié)構(gòu)、工藝和性能都有顯著提高。

圖4 固體開關(guān)

1.2 技術(shù)現(xiàn)狀分析

固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜在絕緣結(jié)構(gòu)上是以固體絕緣材料作為外絕緣，并結(jié)合其他絕緣結(jié)構(gòu)的環(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)備，為了設(shè)計出不受環(huán)境條件影響的固體絕緣環(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)備。采用固體絕緣材料將真空負(fù)荷開關(guān)/斷路器等電器元件固封其中，并在材料的外表面設(shè)計出接地電極，再以固體絕緣材料作為環(huán)網(wǎng)柜的主絕緣材質(zhì)，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(guān)設(shè)備的安全性和可靠性?；诖嗽O(shè)計思想而進行設(shè)計開關(guān)設(shè)備時，需要解決屏蔽技術(shù)、絕緣介質(zhì)表面金屬化技術(shù)、隔離和接地電場優(yōu)化等技術(shù)[4]。

目前，國內(nèi)企業(yè)設(shè)計出的固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜其結(jié)構(gòu)已有數(shù)十種，但能夠?qū)崿F(xiàn)在固體絕緣材料的外表面設(shè)置接地電極的產(chǎn)品卻很少。結(jié)構(gòu)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(huán)網(wǎng)柜技術(shù)派生出來的產(chǎn)品，真空斷路器或真空負(fù)荷開關(guān)+空氣絕緣的隔離/接地開關(guān)（見圖5），空氣絕緣的隔離/接地開關(guān)運動方式又分為刀閘旋轉(zhuǎn)式和觸指直動式，隔離/接地開關(guān)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(huán)網(wǎng)柜技術(shù)派生出來的產(chǎn)品，真空斷路器或真空負(fù)荷開關(guān)+真空絕緣的隔離/接地開關(guān)（見圖6）。兩大派系的區(qū)別主要在隔離/接地開關(guān)的絕緣方式的 不同[5]。

鑒于隔離/接地開關(guān)的絕緣方式和結(jié)構(gòu)的不同而帶來了環(huán)網(wǎng)柜的技術(shù)方案、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、成本、應(yīng)用等方面的區(qū)別。兩大派系產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)比較如下。

1）真空斷路器或真空負(fù)荷開關(guān)+刀閘旋轉(zhuǎn)運動隔離/接地開關(guān)的方式。該方式的隔離/接地開關(guān)為復(fù)合絕緣，結(jié)構(gòu)簡單，受外界環(huán)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(fù)荷開關(guān)+三工位真空滅弧隔離/接地開關(guān)的方式。該方式的隔離/接地開關(guān)為真空絕緣，結(jié)構(gòu)簡單，但操動機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，不受外界環(huán)境條件變化的影響，隔離斷口密封在真空泡內(nèi)，斷口不可見。

1.3 應(yīng)用現(xiàn)狀概述

根據(jù)固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜專業(yè)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(huán)網(wǎng)柜年銷售量已經(jīng)達(dá)到2萬臺，大部分己在電網(wǎng)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(shè)置接地的地電極產(chǎn)品很少。固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜已在全國十幾個地區(qū)掛網(wǎng)運行，其中，安徽、浙江和新疆等省份運行臺數(shù)較多，其次是內(nèi)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(huán)網(wǎng)柜掛網(wǎng)運行。

2 典型固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜

中能電氣是國內(nèi)較早進行研究固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的企業(yè)，經(jīng)過公司多年的努力開發(fā)出了兩款產(chǎn)品，分別對應(yīng)兩大派系：①第一代固體柜主回路為真空斷路器或真空負(fù)荷開關(guān)+真空絕緣的隔離/接地開關(guān)；②第二代固體柜主回路為真空斷路器或真空負(fù)荷開關(guān)+帶可視斷口的空氣絕緣的隔離/接地 開關(guān)。

優(yōu)點主要包括：①產(chǎn)品與環(huán)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(guān)采用固體絕緣或空氣絕緣后，整柜不使用SF6氣體，不產(chǎn)生溫升氣體、不破壞臭氧層；②高性能環(huán)氧樹脂材料的應(yīng)用，可以使主回路結(jié)構(gòu)更加簡化，實現(xiàn)小型、輕量化；③簡易化的操作機構(gòu)設(shè)計及產(chǎn)品模塊化設(shè)計，零件數(shù)量少，生命周期內(nèi)取消氣體壓力監(jiān)視，減少維護量，甚至免維護。

2.1 一代固體柜技術(shù)特點

中能電氣第一代固體柜主體結(jié)構(gòu)為第二派系產(chǎn)品，即真空斷路器或真空負(fù)荷開關(guān)+真空絕緣的隔離/接地開關(guān)結(jié)構(gòu)（見圖5）。

VSS-12一代產(chǎn)品是在目前固封成形和真空絕緣技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用環(huán)氧樹脂（APG工藝）將斷路器/負(fù)荷開關(guān)真空滅弧室和三工位真空滅弧室分相澆注在環(huán)氧樹脂材料中，并通過一次導(dǎo)電件將其連接在一起構(gòu)成單相開關(guān)單元，最后由絕緣母線等絕緣連接件組裝在一起構(gòu)成全絕緣、全封閉、防凝露的固體絕緣環(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)備[6]。固體開關(guān)的密封設(shè)計為整體式澆注式全封閉設(shè)計，可使固體開關(guān)的防護等級達(dá)到IP67，使產(chǎn)品性能達(dá)到不受外界環(huán)境變化的影響，開關(guān)結(jié)構(gòu)為各相分離設(shè)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(shù)特點

中能電氣第二代固體柜主體結(jié)構(gòu)為第一派系產(chǎn)品，即真空斷路器或真空負(fù)荷開關(guān)+空氣絕緣的隔離/接地開關(guān)結(jié)構(gòu)（見圖6）。

與第一代固體柜相比，其結(jié)構(gòu)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(guān)（隔離、接地）采用同軸刀閘式旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，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(huán)網(wǎng)柜亟待解決的問題

3.1 絕緣件屏蔽技術(shù)及絕緣表面噴涂技術(shù)

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

3.2 “假斷口”問題

現(xiàn)行氣體絕緣的隔離開關(guān)、接地開關(guān)，本質(zhì)上是將隔離（接地）斷口兩端的導(dǎo)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(dāng)隔離開關(guān)處于分閘狀態(tài)時，斷口的導(dǎo)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(huán)網(wǎng)柜也存在這種問題，所以在設(shè)計時要對”假斷口”進行電場分析和優(yōu)化，采用有效的技術(shù)手段使產(chǎn)品的電場更均勻，降低產(chǎn)品工作時的電場強度。

3.3 運行、維護經(jīng)驗不足

固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜是近幾年推出的新技術(shù)產(chǎn)品，前期沒有對掛網(wǎng)試運行進行科學(xué)合理的布局設(shè)計，使得目前掛網(wǎng)運行的數(shù)量還不是很多，運行累計時間也比較短，掛網(wǎng)運行的省份區(qū)域不夠全面[5]。比如：高寒高海拔地區(qū)、高溫高濕地區(qū)、沿海區(qū)域、多雨和晝夜溫差變化大的地區(qū)等，要全面積累全國不同地區(qū)的運行經(jīng)驗，根據(jù)實際使用中出現(xiàn)的問題，有針對性和前瞻性的對固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜進行改進，才能不斷提高產(chǎn)品的安全性和穩(wěn)定性。

4 固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜技術(shù)未來發(fā)展趨勢

隨著國家對環(huán)網(wǎng)柜性能要求越來越高，高可靠性的環(huán)境友好型環(huán)網(wǎng)柜越來越受到重視，可將固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜技術(shù)未來的發(fā)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(fā)

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

2014年，《科學(xué)》雜志刊發(fā)了一篇關(guān)于發(fā)現(xiàn)了一種可循環(huán)利用的新型熱固性聚合物的文章，可循環(huán)利用的熱固性塑料領(lǐng)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(jié)構(gòu)，然后通過新的加工工藝生產(chǎn)出新的產(chǎn)品，實現(xiàn)該材料的循環(huán)利用。

這種聚合物具有優(yōu)越的可循環(huán)利用的特性，其將有可能在5年內(nèi)取代不可循環(huán)利用的熱固性塑料。未來10年內(nèi)生產(chǎn)的新產(chǎn)品將全部使用可循環(huán)利用的熱固性材料。

4.2 高效率澆注技術(shù)的開發(fā)

傳統(tǒng)環(huán)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(fā)高效率的澆注技術(shù)。該技術(shù)除對催化劑做了改良外，還運用了流動硬化解析技術(shù)。通過優(yōu)化樹脂催化劑成分和控制金屬模溫度，使金屬模內(nèi)的樹脂從距離注入口最遠(yuǎn)的上部開始順次發(fā)生良好反應(yīng)，對硬化中發(fā)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(xiàn)了一天可澆注8～12次的高效率澆注技術(shù)，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(chǎn)性能提高了8～160倍。通過這些技術(shù)開發(fā)，可以在短時間內(nèi)制作出多個價廉的高質(zhì)量澆注件[5]。

4.3 內(nèi)置元件間界面連接方式的開發(fā)

固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜因是采用固絕緣件將主回路導(dǎo)體及放置元件的主回路部分澆注成型，所以內(nèi)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(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)化，使環(huán)網(wǎng)柜的整體構(gòu)成合理化[5]。該連接導(dǎo)體也必須用環(huán)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(chǎn)品。為此，開發(fā)出了在澆注體和連接導(dǎo)體的連接部位將硅橡膠壓縮后連接的界面連接技術(shù)。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(xiàn)將各收納原件組合在一起的連接導(dǎo)體的標(biāo)準(zhǔn)化，合理地配置收納元件，從而實現(xiàn)了固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜整體結(jié)構(gòu)的小型化[10]。

5 結(jié)論

環(huán)境保護受到越來越多人們的關(guān)注，可以肯定環(huán)境友好型絕緣環(huán)網(wǎng)柜將是未來環(huán)網(wǎng)柜的發(fā)展趨勢，國內(nèi)外企業(yè)都在進行相關(guān)產(chǎn)品的開發(fā)。作為已經(jīng)有部分掛網(wǎng)運行的固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜也將為保護環(huán)境做出貢獻(xiàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 國家電網(wǎng)公司. 國家電網(wǎng)公司第一批重點推廣新技術(shù)目錄[Z]. 2014.

[2] Q/GD W730—2012. 12kV固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜技術(shù)條件[S].

[3] 國網(wǎng)公司科技部. 國家電網(wǎng)公司重點推廣新產(chǎn)品目錄[Z]. 2014.

[4] 王樹軍. 固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜技術(shù)性能分析[J]. 電氣開關(guān), 2015, 53(2): 4-5.

[5] 全國輸配電技術(shù)協(xié)作網(wǎng). 固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜生產(chǎn)應(yīng)用與市場研究報告[Z]. 2014.

[6] VSS-12一代固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜樣本[Z]. 中能電氣, 2013.

[7] VSS-12二代固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜樣本[Z]. 中能電氣, 2015.

[8] 王琳, 于海江. 2015年固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜將占總量的25%[N]. 中國電力報, 2013.

[9] 孫竹森, 蘭劍. 環(huán)保型金屬封閉開關(guān)設(shè)備的技術(shù)特點與發(fā)展趨勢[J]. 中國電業(yè)(技術(shù)版), 2014(6): 53-56.

[10] 翟鵬飛. 12kV固體絕緣環(huán)網(wǎng)開關(guān)設(shè)備的研究與開發(fā)[D]. 保定: 華北電力大學(xué), 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(fā)工作。