固体绝缘环网柜研发中的若干技术问题
王德杉 刘 梅
（西安森源开关技术研究所有限公司，西安 710077）
1．引言
固体绝缘开关柜（SIS）是用固体绝缘材料将一次回路全部贯通包覆起来的一种中压开关柜，是开关领域一个重大的创新。
由于环氧树脂的材料和制品工艺的技术进步，以及真空开关的普及，为固体绝缘开关柜的发展奠定了技术基础。为少用或不用充SF6气体的环网柜，近些年来固体绝缘环网柜成为国、内外中压开关领域的研发热点，最早起步的应是日本，紧跟的是欧洲和韩国，后来是我国。
日本东芝公司在1999年研发出了高性能环氧树脂材料和浇注技术后，2002年开发出24kV固体绝缘开关柜之后，又进行了系列化，现在又向72kV及84kV高电压等级发展。
荷兰霍力克现在已被伊顿收购。在欧洲，霍力克起步较早，其产品的设计理念和技术都比较先进，同时也倡导环保理念，生产过程中都没有危害环境的产物。霍力克的固体绝缘环网柜最先进入我国，国内许多厂家自行研发的固体绝缘环网柜，都有它的影子。
我国起步较晚但发展较快，具有代表性的厂家有北京双杰、沈阳昊诚、北海银河等公司。西安森源开关技术研究所一直关注国内、外固体绝缘环网柜的技术发展，为适应市场的需求，与国家电网公司平高集团、成都旭光和余姚舜利等厂家进行联合开发，已取得阶段性成果。
2011年8月国家电网公司发文，将固体绝缘环网柜列入重点推广新技术目录，提出在2015年后新建和改造项目中其使用量不低于新增总量的25%的目标。2012年3月，国家电网公司发布了QG/DW 730《12kV 固体绝缘环网柜技术条件》（以下简称《技术条件》）企业标准和相关技术规范。这些政策和技术导向，对固体环网柜在我国的研发和应用具有极大的推动意义。
2．特点和发展
纵观国内、外各种固体绝缘环网柜的设计，它的结构特点和发展动向是：
a 主绝缘介质为环氧树脂和硅橡胶，模块间为硅橡胶界面绝缘，开关的操作件和部分绝缘支持件为空气沿面绝缘；
b 主绝缘由以空气为主的复合绝缘方式向以固体绝缘介质为主的方向发展，以及绝缘材料外表面无屏蔽层向涂敷屏蔽层方向发展；
c 采用高性能的环氧树脂；
d 灭弧断口全采用真空灭弧室，发展空气绝缘隔离断口的同时，也发展真空绝缘的隔离断口，且灭弧、隔离和接地断口通过不同的方式进行组合后并向一体化模块方向发展；
e 开关元件与开关柜柜体多是一体化结构，开关元件离开柜体后其功能将丧失；
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f 开关元件、主母线和分支母线等一次回路部件采用模块化结构，模块间为插接式结构；
g 采用了可靠性高、少维护的元件，固定式安装。
3．关键技术
3.1 固体绝缘设计
采用固体绝缘材料包封或固封工艺，将主导电回路和绝缘支撑形成一个有机整体，是固体绝缘环网柜的最大特点。
固体绝缘兼具了导电、散热、绝缘、支撑和连接等多项功能，它的结构和性能决定了产品运行的安全性、可靠性和制造、维护成本。 3.1.1 绝缘材料
东芝在开发固体绝缘开关柜之前，花费了几年的时间，首先进行了各种基础技术的开发。为保证运行的可靠性，防止因与瓷、铜等被包覆体的线形膨胀系数不同引起的间隙和裂纹，提高材料的拉伸强度、弯曲强度、绝缘性和耐电痕性，开发了高性能的环氧树脂材料和高效的制品工艺。新材料是双酚系环氧树脂，填充球状硅石粉和橡胶粒子，与传统材料相比、性能明显提高，且是绿色理念，制造时不污染环境，停用品可回收、可循环利用。高性能环氧树脂材料的主要特性是：
a 膨胀系数，17～19 ppm/K； b 拉伸强度，102MPa；` c 弯曲强度，151MPa； d 玻璃化温度，136℃；
e 导热系数，80～100 (10E‐2W/m.K)； f 击穿强度，20～24 kV/mm； g 介质损耗，0.13%。
日立在开发固体绝缘开关柜时也进行了相应的研究。
东芝和日立的高性能环氧树脂能直接用来固封真空开关管，有利于热传导，而不像我们要借助硅橡胶来缓冲。
环氧树脂是一种绝缘遭到损害后不可恢复的有机介质。由于环氧树脂在材料、性能、参数和运行环境等方面的多样性，国际上也无法对如热应力、机械应力、局部放电、寿命周期等相关特性进行规定，所以在环氧树脂材料的选择上要结合应用经验，认真研究，综合评估，谨慎选择。
我国固体绝缘环网柜的研发和生产单位，绝大多数没有绝缘制品生产能力，更没有材料和工艺的研究能力。所以，不但要充分认识到对环氧树脂制品的特殊要求，而且要与有实力的专业厂家合作，避免造成不可挽回的损失。 3.1.2 绝缘设计
绝缘模块设计主要是结构和电压耐受两方面。
绝缘模块的设计要能满足功能、检测和安装等需要，造型美观，降低材料消耗，避免残余应力，有利于工艺制造。其结构相对复杂，粗粗细细，沟沟坎坎，壁厚应均匀，过渡
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要圆滑，能镂空的镂空，能加筋的加筋，为有利散热也可适当增加些非绝缘性的伞裙。试制样品要考虑到以后修改的可能。在保证性能和装配的前提下，要尊重模具厂家的修改意见。
在电压耐受设计方面，传统的、经验的设计方法保证不了设计质量。有效的设计方法是应用有限元仿真分析软件进行电场计算，采取合理分布电场，优化绝缘和电极形状，适当增加厚度，必要时加设屏蔽罩等降低电场强度的措施，并进行多次的优化改进。 必须强调的是，认为合适的电场计算结果并不能就认为设计是成功的，必须通过对试品的高压试验来描述绝缘特性。 3.1.3 屏蔽层设计
东芝、日立、韩国的一些公司一开始研制的产品以及现在西安森源的GSS3型和施耐德的Premset 型等产品，其绝缘模块外表面都有接地的金属或半导电屏蔽层。
绝缘模块外表面设置接地金属屏蔽层的目的：一是当绝缘破坏时使短路故障只发生相对地间，减少内部燃弧的电弧能量，降低故障风险；二是能在任何环境下保持绝缘性能，不用对模块外表面进行清扫，实现免维护。即便是金属异物进入柜中，电场分布也不会改变。
绝缘模块外表面不涂敷或局部涂敷屏蔽层时，其电场耐受是由空气和绝缘材料共同承担的，绝缘材料可能会承担的多一些。严格地讲，它应认为是复合绝缘。
有接地屏蔽层的绝缘模块，其电场耐受就全部由绝缘材料承担了。《技术条件》在固体绝缘环网柜的定义中，要求“人可触及的模块表面涂覆有导电或半导电屏蔽层并可直接可靠接地”。换而言之，无接地屏蔽层的，就不能称为真正意义上的固体绝缘环网柜。
根据西安森源的设计实践，有、无接地屏蔽层对模块的绝缘性能影响极大。
接地屏蔽层可以防止“人可触及”到带电绝缘模块。可能触及到的情况是设置在固体绝缘环网柜柜顶的绝缘母线，或因固体绝缘环网柜的五防联锁失效而导致误进入带电隔室时。
3.1.4 局部放电
局部放电是指在足够强的电场作用下，绝缘介质在局部范围内发生的放电现象。这种放电仅以造成导体间的绝缘局部短接（路桥）而不形成导电通道为限。像慢慢撕纸一样，长期的局部放电会使绝缘介质的绝缘强度缓慢下降直至丧失。而强烈的局部放电会使绝缘强度急剧下降，破坏绝缘。
局部放电测量的目的是检测在材料和制造上的缺陷。因为在测量结果和产品预期寿命之间不可能建立某种对应关系，所以企图规定局部放电量的可接受限值是很难的，且存有争议。
国家标准GB 3906‐2006《3.6kV‐40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》（简称GB3906）规定，对于用于12kV不接地系统中装配完整的开关柜，局部放电量的可接受限值是100pC（1.1Ur下）；而在《技术条件》中，断路器柜和负荷开关柜的可接受限值是20pC（1.2Ur下）。显然，《技术条件》的规定是很苛刻的，设定如此高的门槛是为了防止粗制滥造。`
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在设计确定的绝缘模块，局部放电量的大小关键取决于材料和工艺。过低的局部放电量必然会提高制品的成本，厂家应对标准、设计、材料、工艺和检验诸环节全面权衡，慎重对待。
3.2 隔离开关的设计
断路器和负荷开关保护的是设备安全，而隔离开关保护的是人身安全。尽管隔离开关的工作原理及结构很简单，但对电力系统的建立和运行影响很大。所以，对隔离开关在性能和可靠性上的要求，显然要比对断路器和负荷开关更为严格。 3.2.1 隔离开关的功能
隔离开关的主要功能是在分闸后建立起可靠的隔离断口，将需要检修的主开关与带电线路和电源隔开，以保证检修人员的安全。隔离开关的基本属性是：
a 一种机械开关设备；
b 触头间有符合规定的绝缘强度；
c 一侧端子到另一侧的任一端子间不会有危险的泄漏电流； d 有明显断开标识（断口可见、指示清晰可靠）。 3.2.2 隔离开关的结构选型 3.2.2.1 空气隔离开关
有的固体绝缘环网柜的隔离开关是空气断口。这里讲“空气断口”而不是 “空气绝缘”，是因为它在固体绝缘环网柜中特殊性。它的断口间的绝缘介质是空气的，但动、静触头之间的绝缘介质是固体的，绝缘材料内部和沿面上可能有微小的泄漏电流，所以有人夸张地说这是“假断口”。避免“假断口”的方法是在动、静触头间设置接地电极，但由于在结构、空间和成本等方面的限制，往往实现不了。
空气隔离开关要建立起可靠的隔离功能，一是绝缘耐压试验要符合标准要求，并且断口间的空气净距要与型腔环境（污秽等级）相适应。二是整体绝缘性能要可靠，绝缘沿面的爬距也要与型腔环境相适应。
和真空开关管绝缘拉杆的型腔一样，空气隔离开关的型腔设计也要讲究，应将其型腔进行有效的封闭，避免大气环境与异物的影响。敞开的、口朝上的型腔，空气不易对流，异物不易清理，尽可能不用。气密性的型腔充入干燥空气或氮气能适应较为恶劣的环境条件。
3.2.2.2 真空隔离开关
真空灭弧室的体积小，寿命长，工艺稳定，性能可靠，在中压开关领域已得到广泛应用。为扩展其优良的性能和质量，国外近几年研发的固体绝缘开关柜都采用真空隔离开关和真空接地开关。
我国三大真空开关管生产厂，也分别与固体绝缘环网柜研发厂家联合研制出了不同结构形式的真空开关管，有一管三功能（开断、隔离和接地）的、有一管两室（开断室、隔离/接地室）的，有三工位（闭合、隔离、接地）的。通常认为将三工位真空隔离/接地开关(TPS)与真空灭弧室串联使用其经济性和可靠性是较佳的。
用户对真空断口用于隔离功能的可接受度有两个方面。一是取决于技术方案的说服力。在原理和标准方面要认可，要接受隔离开关的断口可以是“不可见的”，同时其位置指示
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装置必须是刚性连接的、直接传动的，指示是清晰可靠的。二是必须相信真空开关管的真空度在寿命周期内是稳定的、绝缘是可靠的，而且整体（真空开关管外部的）绝缘性能也是可靠的。
由于管理和工艺、材料诸方面的差距，国产真空开关管的漏气率比国外高。同时，国内真空隔离开关的运行经验的确太少。目前，我国电力系统用户尚不能完全接受真空隔离开关。
我国用户对真空隔离开关的认识和接受还有一个过程，在如今信息化和技术快速发展的年代，这个过程不会太长。为推动固体绝缘环网柜的发展，在这个过程中有两个功课要做：一是真空开关管厂家要努力降低漏气率；二是电力系统用户要加强对国产产品的质量信心，同时要制定相应的现场操作规程，达到敢用、用好。 3.2.3 隔离开关的设置位置
一般地讲，传统的一次配电中压开关柜，设置的上位隔离开关是为了隔离带电的主母线，设置的下位隔离开关是为了隔离电缆和防止反送电；在空气和SF6的二次配电环网柜中是上位隔离开关，但为简化结构，电缆侧仅设置了下位接地开关。
那么，在固体绝缘环网柜中隔离开关特别是三工位开关应该如何设置呢?
作者曾就手边掌握的国内外固体绝缘环网柜的一次接线方案进行过统计。结果是多数产品三工位开关设置在主母线侧；设置在电缆侧的是少数。
三工位开关设置在主母线侧，特点是接地短路关合功能是由其与主开关合作完成的。操作时，先合接地开关至预接地位置而后合主开关实现真正接地，短路关合由主开关承担。此时，三工位开关的接地功能侧不必具有关合能力，不必要求有关合速度，接地开关及其机构的结构较为简单。缺点是需要增加两个机构之间的操作连锁装置，操作较麻烦。
传统的设计是隔离开关首要功能是隔离电源侧即隔离主母线。但在固体绝缘环网柜中，将三工位开关设置在电缆侧也是应该被接受的。这里涉及到的是个设计理念问题。固体绝缘环网柜的主体结构是集断路器（负荷开关）灭弧室、隔离和接地开关为一体的模块化结构，在隔离开关断开、接地开关接地后，并不能实现传统意义上对断路器（负荷开关）进行的维护和检修，而且一体化模块是少维护、免维护的结构设计，也不可能检修。所以，无论是隔离开关在主母线侧、在电缆侧，其结果是一样的，检修和维护断路器（负荷开关）时，主母线都必须停电。
三工位开关设置在电缆侧，不但能满足运行数量占多数的出线柜要求，同时，当取消接地功能后也能满足进线柜的要求。但这种设置形式，其接地功能侧就应具备短路关合能力。
对于开断和隔离断口是一个真空开关管、接地开关设置在电缆侧的方案，以及一管三功能的方案，同样取决于用户对真空隔离断口的可接受度。
总之，隔离开关的设置位置，应结合固体绝缘环网柜一次方案的完整性和适应性，以及开断、隔离、接地三断口的组合程度和绝缘模块的结构，还有各操动机构、连锁装置的功能实现程度等，通过综合的评估和认真的分析来确定。 3.3 产品的可靠性设计
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GB 3906从用户使用的角度，把重点放在运行的安全性、运行连续性和维护性等方面。安全性有两个含义：设备的安全和人身的安全，人身安全性是第一位的。为保证运行中的安全性，GB 3906对接地、联锁装置、内部故障、外壳、隔室以及电缆绝缘试验的设计和结构进行了规定。GB 3906是开关柜在设计、试验和运行中遵循的基本要求、最低要求，同样也适用固体绝缘环网柜。国家电网《12kV固体绝缘环网柜通用技术规范（1016006‐0010‐A0）》中已经进行了明确。 3.3.1 柜体设计
固体绝缘环网柜在设计上与传统开关柜是有一定区别的。主要表现在：固体绝缘环网柜的小型化后，高压室和电缆室空间的减小对内部电弧故障和长期发热的影响；三相相距减小、短路电动力的增加，造成对固体绝缘件强度的影响；环氧树脂用量大，造成固体绝缘环网柜重量对柜体强度的影响等等。
上述各项都涉及柜体的结构设计。解决的方法是：摒弃空气绝缘柜柜体的设计结构，在保证小型化的基础上，采用双折边工艺，加大柜体的强度特别是立柱和横梁强度，加大通风口和压力释放口的总面积等。同时，也要加强开关元件与其操动机构之间在合闸时会引起操作力损耗的各个环节。 3.3.2 运行连续性
以前的固体绝缘环网柜大多是箱型结构，当对某个柜子进行维护和检修时全站都将停电，丧失运行连续性的类别最低。
《技术条件》规定有高压室（包括高压电器元件）和电缆室是适合的。两个隔室，其丧失运行连续性类别为ＬＳＣ２Ａ级，即当对电缆室进行维护和检修时高压室（包括主母线）仍可带电。如是三个隔室，虽可把运行连续性类别提高到ＬＳＣ２B级，但隔室太小，不利于燃弧试验。 3.3.3 主母线布置
GB 3906 对“金属封闭开关设备和控制设备”的定义是 “除外部连接外，全部装配完成并封闭在接地金属外壳内的开关设备和控制设备”。“全部装配完成并封闭”当然包括主母线。
国外有产品的固体绝缘主母线布置在柜顶，并在金属外壳外部。一旦发生电弧短路故障，故障将是灾难性的。 3.3.4 内部故障电弧试验
GB 3906 规定IAC级开关柜内部故障电弧试验是强制性的。试品至少由两面开关柜组成，至少在一个终端柜内进行，对每个隔室进行。应进行三相试验，施加的短路电流为额定短时耐受电流。如果制造厂有规定，也可以低于该值。
上述规定是鉴于当时（2003年前）的产品现状。空气或SF6绝缘的开关柜，当内部短路故障产生时，必定会是三相短路。
固体绝缘环网柜的结构设计，已经决定了它的各相之间是绝缘的。无论有、无屏蔽层和屏蔽层接地不接地，内部短路只会发生在相对地间，三相同时短路不可能发生。那么，试验的短路电流应是相电流、电压是相电压。当然，上述试验应与试验站协商决定。
《技术条件》规定试验的持续时间是０.５ｓ。
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电弧能量小了，故障发生时对人的危害程度小多了，同时也降低了对柜体强度的要求，这是固体绝缘环网柜的技术优势之一。 3.4 关于电缆连接
与配电网电缆连接的出线套管，应符合EN 50181:2010和DIN 47636标准。
柜壳的设计，应考虑到截面积400m㎡的电缆的施工难度，柜宽应在400~500 mm，电缆套管的中心高度在650mm左右。
尽可能设计有多种电缆出线方式如柜前、柜中和柜后等供用户选择。
应有电缆耐压测试装置接口，环氧树脂出线套管应嵌有电容式带电测试装置。 3.5 关于负荷开关—熔断器组合电器
负荷开关—熔断器组合电器的功能是保护配电变压器，抑制其内部突发短路故障的危害。断路器的分闸时间一般在25ms左右，而限流熔断器的开断时间仅为几ms，保护快速、有效，结构简单，更换方便，该技术80年代进入我国后目前已经普及。
最近看到的几家国外新样本，推出的倒是断路器加微机继电保护装置的方式。加之国内产品在运行中出现的诸如熔断器井温升较高、脱扣动作失效、熔断器质量等问题，也对组合电器的保护方式产生疑虑。
作者就此问题咨询了权威专家。专家指出，上述两种保护方式都对，关键要看保护对象的质量。目前国内小容量配电变压器的整体质量不是提高了而是下降了，突发短路故障频发，仍应坚持有限流熔断器的保护方式。
4 结语
用固体绝缘环网柜取代SF6环网柜是个美好的愿景。但SF6环网柜是个技术成熟、生产历史长、性能可靠、质量稳定且市场稳定的高端产品，目前漏气率已控制在千分量的水平，产品寿命周期达20～40年。固体绝缘环网柜要达到现在SF6环网柜的技术水平还有一段很长的路程，仅可作为一个并存的品种。固体绝缘环网柜能部分取代的应是结构简单、产量大、质量参差不齐且市场紊乱的空气绝缘环网柜产品，其中包括环氧“气包型”复合绝缘环网柜。
目前国内的固体绝缘环网柜现状是，厂家在观望、设计、试制和完善，用户在认识、在试用。固体绝缘环网柜是中压开关柜领域一个设计理念上的创新，但更是一个新产品。新产品的发展必定有一个过程，在发展的过程中产品需不断得到改进、完善和提高，经受市场检验，取得用户认可。
我们应学习先进设计理念和经验，发挥行业优势，应用先进手段，设计出符合国情的固体绝缘环网柜，推动我国开关行业的技术进步。
2012-12-03 西安
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