10kV小型化固体绝缘开关柜关键技术与解决实施方案

摘要：文章通过分析我国近现代对固体绝缘开关柜的应用以及对相关技术发展方向的探索，将目前国内外的10kV小型化固体绝缘开关柜的关键技术进行比较，并结合相关的技术理论和实践依据，提出解决10kV小型化固体绝缘开关柜的实施方案，为我国10kV小型化固体绝缘开关柜的技术推广和广泛应用提供参考意见，以期促进这一技术的快速发展。

关键词：10kV小型化；固体绝缘开关；开关柜；电力设备；电网建设；电力事业 文献标识码：A

中图分类号：TM591 文章编号：1009-2374（2016）01-0069-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.01.035

随着我国经济的不断发展，国家电力设施和技术得到了快速发展。目前一些简单的开关柜已不能满足我国电网的需要，在开关的大小、绝缘性、封闭性、智能型等方面有了更高的要求，今后的开关将以10kV小型化固体绝缘开关柜应用为主，使我国的电力事业朝着更安全、更智能的方向发展。

1 固体绝缘开关柜的国内外技术发展历史

1950年，瑞士开发了绝缘表面接地、固体绝缘母线和固体绝缘电压互感器这三大结构的绝缘开关技术。1958年瑞士又研发了绝缘表面接地、110kV固体绝缘整柜，形成了真正意义上的固体绝缘开关设备。然而，在1959年，荷兰发明了绝缘表面不接地的10kV固体绝缘环网柜，由环氧外科制成的油绝缘断路器，进行了技术创新。1960年德国也在荷兰的基础上发明了20kV固体绝缘开关柜。随后，在1965年西德也采用了德国的20kV固体绝缘开关柜技术，使这一技术得到了推广使用。1970年，荷兰人在原有的绝缘表面接地、油绝缘断路器基础上，研发了主母线电流为2000A的12kV固体绝缘开关柜，增加了绝缘开关柜的安全性。1970年，日本进行了技术创新，研发了真空绝缘断路器，并采用了20kV的固体绝缘开关，目前这一技术仍在使用中。现在使用最多的是日本研发的24～36kV固体绝缘开关柜，在利用真空绝缘断路器的同时，它的短时耐受电流可达到25kA/3s，主母线电流可达到2000A，是目前国际上最先进的绝缘开关柜技术。

2 10kV小型化固体绝缘开关柜的关键技术

目前，10kV固体绝缘开关柜的关键技术包括真空度监测设计、表面感应电压设计、局部放电设计、散热技术设计和其他优化设计等技术。固体绝缘开关柜的优点是绝缘能力相对较好，便于小型化设计，不会产生任何有害气体，不会发生内部燃弧现象等，但是也具有高压绝缘受限、损坏后不可恢复、不易降解等缺点。而且，每个关键技术都会存在设计难题，如：表面感应电压需要考虑表面感应电压的产生方式和危害性，表面喷涂层的必要性以及喷涂层材料的选择和保护，表面喷涂层电阻的选择。同时，绝缘模块表面没有得到处理会导致相间模块不能仅靠安装，也不利于产品的环境适应性和小型化发展。

3 10kV小型化固体绝缘开关柜的关键技术解决方案

3.1 表面感应电压解决方案

针对10kV固体绝缘开关柜中感应电压的产生和消除这一问题，现提出以下设计依据：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

表面电阻（Ω） Rs=500 Rs=1000 Rs=2000

Vi（V） 1.25 2.5 5

3.2 局部放电解决方案

由于固体绝缘材料一旦损坏，就不可能再恢复性能，因此，固体绝缘开关的局部放电值决定了产品的绝缘性能，根据图1设定固体绝缘开关的局部放电值：

图1 10kV小型化固体绝缘开关柜关键技术与解决实施方案

3.3 散热技术解决方案

固体绝缘开关柜技术主要采用环氧树脂作为绝缘材料，与SF6气体绝缘相比，环氧树脂的散热性能更好，更容易制作大电流的绝缘开关柜产品。根据以下公式设计绝缘材料的散热性能：

tl=t2+Q/Lx（1/2πW）[In（r2/r1）+1/2πa2r2]

式中：t1代表铜件表面温度，单位为℃；t2代表环境温度，单位为℃；Q代表产生的热量，单位为卡；L代表单位长度，单位为m；W代表绝缘体表面的散发热量；a2代表热传导率；r1、r2分别代表铜棒的直径和绝缘层的直径。

SF6的导热温度为12℃～100℃，空气的导热温度为3.17℃～100℃，二氧化碳的导热温度为2.23℃～100℃，氮气的导热温度为3.09℃～100℃，环氧树脂的导热温度为80.0℃～100℃，所以环氧树脂的散热性能更好。

3.4 优化设计解决方案

优化设计主要通过绝缘材料的环境试验来实现，如高低温试验、冷热交变试验、机械强度试验等。由于环氧树脂压注模块结构设计的不合理，导致在电场集中出现绝缘能力较差、模具结构复杂、局放大、应用集中等问题，影响产品的使用寿命。目前，通过Maxwell和Estat软件对绝缘模块进行分析，对开关柜的局部电场集中的问题进行优化。通过对电场进行分析，不仅优化了设计，减少了设计风险，还提高了产品的环境适应性。

3.5 断路器的设计

断路器常采用夹板式的操作结构，使断路器的每个部分受理均匀，具有良好的稳定性。在断路器的设计方面，将驱动和储能部分、合闸输入轴、输出轴等安装在侧板外侧，电磁铁安装在外侧的上下方，利于拆卸，同时便于观察。在此基础上设计的断路器具有运行效率高、应用安全、产生的噪音小、合闸功大、操作方便、机械体积小和寿命长等特点。三工位的断路器具有结构紧凑、操作机构融合、整体结构一体化的特点。另外，在接地、隔离、接通三个工位上，采用统一输出、统一输入，使功能转换效率更高，操作时更加可靠。

3.6 柜体设计

固体绝缘开关柜的设计与传统的开关柜设计有很大不同，小型固体绝缘开关柜减小了高压室和电缆室的可用空间，使开关柜内的电弧障碍和长期发热问题有所改善。同时，由于三相之间的距离减小，使得固体绝缘柜的强度增加。利用环氧树脂作为绝缘材料，在一定程度上增加了固体绝缘柜的重量，柜体强度也有所增加。柜体的设计上需要在柜体小型化的同时，利用双折边技术可以加大柜体立柱和横梁的强度，使通风口和压力释放口的有效面积增大。

4 结语

10kV小型化固体绝缘开关柜的电路的优点在于整体功率较高、电压输出量少。线路受电磁波的干扰较少，对于日常生活中的大功率电器适合使用，大大降低了用电的风险，减少了电路因电压过大而引起短路、失火的几率，在国家电网中适合大规模的推广使用。目前，随着人们对电力设施以及相关技术的要求不断提高，真空断路器已不能满足人们的需要，需要研发出更先进更安全的断路器。因此，小型化固体绝缘开关设备关键技术需要不断被优化设计，提高产品的安全性。另外，采用的绝缘材料要安全、稳定、环保。同时在生产的过程中，要研发出科学的生产工艺，提高产品的合格率，尽量降低产品的生产成本，以合理的价格推向市场。本文分析了固体绝缘开关柜的国内外技术发展历史，阐述了10kV小型化固体绝缘开关柜的关键技术，提出了10kV小型化固体绝缘开关柜优化设计方面的解决实施方案，使电力设施更安全、环保，更好地在市场推广使用。

参考文献

[1] 蔡智勇.真空隔离开关的可接受性[J].高压开关行业通讯，2006，4（1）.

[2] 翟鹏飞，蔡智勇.三工位灭弧室用操作机构[J].中国电力电气，2013，4（2）.

[3] 李建基.固封真空断路器及固封绝缘开关柜[J].江苏电器，2008，9（2）.

[4] 高文胜.3.6～40.5kV环氧树脂绝缘件通用技术条件

[J].高压开关行业通讯，2011，6（3）.

作者简介：张伟翰（1987-），男，广东汕头人，广州南方电力集团电器有限公司助理工程师，研究方向：10kV成套设备设计。

（责任编辑：秦逊玉）