新一代中压设备:固体绝缘环网柜
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摘要：在10kV电力系统中，环网柜担负着配电环网的重要职能，起着至关重要的作用。随着电网的飞速发展，环网柜的技术设计水平也得到了空前的飞跃。本文从技术角度重点探讨了固体绝缘环网柜在中压配网领域的技术现状及市场应用情况，逐一剖析固体绝缘环网柜在中压领域的优势，并对其在生产设计中存在的要点提出了自己的看法。
关键字:固体绝缘 环网柜SF6
一、固体绝缘环网柜的发展与现状
在10kV电力系统中，环网柜担负着配电环网的重要职能，起着至关重要的作用。随着电网的飞速发展，环网柜的技术设计水平也得到了空前的飞跃。无油化、绝缘化、组合化的要求在电网中的各类设备中得到逐步的实现，目前，10KV环网开关柜正朝着全绝缘、结构紧凑、扩展灵活以及全天候免维护的特点发展。1、固体绝缘环网柜发展的必要性
据有关权威机构统计分析，SF6气体为六种温室气体之一，而且其地球的温暖化系数GWP是CO2的23900倍，其在大气中寿命更达到了3400年。目前，全球平均每年产生大约 8500吨 SF6 气体，其中一半以上用于电力工业。而在电力工业中，高压开关设备约占用气量的 80% 以上。因此，合理、正确地使用和管理 SF6 气体，已经成为电力行业必须正视的问题和社会责任。
近十年内，全国的电网建设使用了大量的SF6设备，特别是在10kV电力系统中,广泛地使用了SF6环网柜， SF6气体的泄露与回收已是电力部门必须面对的课题，同时电力部门也急需一种新型的设备来替换这些存在隐患的SF6环网柜，固体绝缘环网柜的出现无疑为电力部门提供了更好的选择。
2、固体绝缘环网柜发展的可行性
SF6绝缘环网柜各项技术的极度成熟导致了国内设备与国外进口设备的差距越来越小，环网柜技术的进一步开发和拓展更具潜力。同时，固体绝缘技术在固封式开关中得到市场的大量应用和认可，以上两方面的有机结合进一步推进了固体绝缘环网柜的发展。此外，随着国内加工水平的不断提高，激光切割数控机床与焊接机器人等特种设备正逐步被使用在环网柜加工技术上，环网柜的加工质量越来越得到保证。
通过努力，国内厂家研发的固体绝缘环网柜相继涌现市面，其中较有代表性的是北京双杰电气股份有限公司研发的GTXGW固体绝缘全封闭环网柜。
二、固体绝缘环网柜的技术特点
1、固体绝缘技术的应用。
固体绝缘环网柜一般使用环氧树脂材作为主绝缘体，真空介质作为灭弧介质，采用固封极柱技术，将真空灭弧室、主导电回路及绝缘支撑等有机结合为一个整体，通过操动机构的运动来实现分、合负荷电流或短路电流，隔离负荷等功能，从而实现对供配电系统的控制和对设备、人身安全的保护。
图一为国内某厂家生产的固体绝缘单相开关，由图可见，开关的进出线导线、隔离开关、负荷开关以及熔断器等部分全部处于固体绝缘材料内，有效地增加了设备的电气安全性能。
2、体积结构更加紧凑
由于采用了固体绝缘方式，其电气强度达到为22~28kV/mm，这意味着采用这种绝缘介质来制作10kV的开关，相间及对地的安全绝缘距离从空气绝缘的125 mm缩短到几毫米的距离，这是任何充气柜都不能比拟的。同时在设计上取消了压力气箱部件，取消了压力表、防爆装置、充气阀门及气体压力报警等有关气体压力的零部件，体积更为简化。此外，固体绝缘环网柜一般采用固体迷宫式绝缘结构，将带有高压电的各相导电体中相互套装多层结构的绝缘套筒，利用绝缘套筒之间迷宫式的路径形成的大的爬电距离，使高压电封闭在较小的空间当中，从而大大减小设备尺寸。
3、模块化，扩展性强。
固体绝缘环网柜延续了充气式环网柜模块化设计的特点，结合自身优势，将不同柜型的相间距离、母排高度、柜体高度统一设计，以实现相互联结，快速组装。
由于充气柜内的负荷开关或断路器单元的联结排布及数目在产品下线后是固定不变的，开关单元间组合的灵活性差。另外，充气柜由于受到电流互感器和电压互感器维护的限制，无法将电压互感器和电流互感器安装在封闭气箱内，故也没有双电源间的计量设计方案。相比之下，固体绝缘环网柜组合更显灵活。由于采用单元组装结构，各单元间可以实现现场调换。当一回路出现故障，可以现场更换新的一个回路，同时也可以在现场更改设计回路方案，如临时将断路器单元与负荷开关单元的置换等。
4、环保、更高的安全性能
固体绝缘环网柜中取消了SF6的应用，杜绝了SF6的排放，绿色环保，更由于其自身结构的特点，有着以下更高的安全性能。
①固体绝缘环网柜采用分相结构相间隔离设计，故障范围不会造成扩大，从根本上保证不会引起内部相间故障，同时，固体绝缘环网柜开关部分也采用了真空作为内绝缘与灭弧介质，分相绝缘设置，并采用厚度不小于12mm进口环氧树脂进行外部防护，其结构特性和灭弧原理决定其极强的安全性能，避免拉弧时开关爆炸危害。此外，由于固体绝缘环网柜无裸露带电体，因此不会出现“凝露”、“污闪”的事故发生。
②固体绝缘环网柜采用环氧树脂套筒和绝缘筒进行外绝缘，从根本上解决了SF6气体在严寒地区液化冷缩与高温地区膨胀造成的影响，也避免了在不同海拔高度气压对开关气箱的影响。
③开关内部所有连接部分使用环氧树脂进行浇注，与气体绝缘的开关相比连接部位的强度加强了许多，避免了因为运输或使用中的震动造成开关连接部位的松动而导致发热的情况出现。由于采用单元组装方式，设备运行现场可以将故障单元及时更换，大大缩短了维修时间，降低了现场工作风险。
三、固体绝缘环网柜设计难点
1、虽然固体绝缘环网柜在型式试验中达到了IP67的要求，但在高盐雾、高潮湿的地区加装智能单元后，上部的控制箱内的电动操作机构、各指示单元等会出现不同程度的腐蚀，极大地影响了设备的正常运作。其关键的问题在于控制箱部分未采用固体绝缘技术，未能实现免维护的目的。控制箱的进一步完善是固体绝缘环网柜真正体现全天候免维护必须解决的课题。
2、交流电在流经导体时存在特有的集肤效应现象，同时由于固体绝缘环网柜结构紧凑，在安装过程中各导体间的摩擦力过大。目前，大多厂家一方面选用铜管代替传统的矩形母排，减少集肤效应现象；另一方面将绝缘外套设计成具有中间绝缘层、内半导层的圆管状以增强绝缘外套的电气特性，因为此设计的表面面积最小，也就是摩擦面积最小，安装方便。同时由于绝缘外套中间绝缘层、内半导层的结构特点，也起到了均衡电场，增强电气性能的作用。
3、国内未有明确的国家标准或行业标准规范固体绝缘环网柜的设计和生产。目前参照的标准主要为：GB3906、GB/T11022，其相关技术参数未能体现固体绝缘环网柜应有的特点，近年来，随着固体绝缘环网柜的推广，电力部门越来越重视该设备相关标准的制定。2011年，国家电网公司制定了《12kV固体绝缘环网柜技术条件》的企业标准，标准规定了12kV固体绝缘环网柜的适用范围、使用条件、额定值、额定参数、设计结构、型式试验、出厂试验以及交接试验等一系列的要求。为固体绝缘环网柜的规范设计和生产提供了明确的指引。4、固体绝缘环网柜的生产需要投入大量的专用设备及专用模具，生产成本较高，因此，固体绝缘环网柜现阶段的市场竞争力不强，短期内接受的客户较少。因此，通用性设计以及固体绝缘配件的经济化设计生产是目前固体绝缘环网柜急需解决的问题。
四、结束语
综上所述，笔者认为根据目前的条件，固体绝缘环网柜是气体绝缘环网柜一个有益的补充，重点用于解决高海拔、重污秽等特殊场合，短时间内尚无法完全取代气体绝缘环网柜。随着电力的高速发展，节能环保将是一个必然趋势，而固体绝缘环网柜也必然是一个新的发展方向。
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