环保型金属封闭开关设备的技术特点与发展趋势

环保型金属封闭开关设备的技术特点与发展趋势

马兴碧

七冶建设有限责任公司贵州省贵阳市550061

摘要：20世纪50年代以来，中压开关设备发展经历了敞开式、箱式、金属封闭式等阶段，在满足设备的功能性使用要求方面已经不存在任何问题，而且产品早已系列化和使用范围全覆盖。目前，创新和技术进步主要围绕着开关设备在安全性、可靠性、小型化、环保等市场和社会及时代的需求不断展开。为了保护地球环境。本文对环保型金属封闭开关设备进行了定义，探讨了环保型金属封闭开关设备的技术特点与发展趋势。

关键词：环保型金属封闭开关设备；技术特点；发展趋势；

由于环保型气体绝缘金属封闭开关设备不使用或很少使用SF6，不需要气体回收及防护装置，充气简单，不存在有毒电弧分解物，是真正的环保产品。同时，环保型气体绝缘金属封闭开关设备不受大气条件限制，特别适合于污秽和潮湿环境，是免维护产品。

一、环保型金属封闭开关设备的定义和分类

1.提到环保，人们通常会联想到减少温室效应气体的排放，其实这只是环保的多个指标中的一个指标。环保是一个相对的概念，环保型开关设备，既需要评判防止地球温室效应的指标，也需要从一些其他的环保性指标进行综合评判，例如降低或减少有毒有害物质的使用、材料资源的循环利用（如最大限度减少热固性材料的使用）、降低目标活动所需能量（节能）、减小产品的重量和体积（节材节地）、产品标称寿命后的再利用以及回收物质的循环处理能力和能耗等产品全寿命周期内对环境影响的指标。此外，还应考虑开关设备的环境适应性，其主要体现在不易受周围环境的影响，包括污秽、湿热、盐雾、高海拔和大气污染等。因此，可以将环保型金属封闭开关设备暂时定义为“极少使用或者不使用SF6在产品全寿命周期内对环境影响小的并具有环境适应性的开关设备”。

2.具体可分为三类：

（1）固体绝缘开关设备；

（2）不使用SF6的气体绝缘开关设备，如干燥空气绝缘开关设备或N2绝缘开关设备；

（3）极少使用SF6的气体绝缘开关设备，即在充气压力和SF6充气比例上应加以限制，例如SF6和N2的混合气体绝缘开关设备。环保型金属封闭开关设备产品主要分为两大类：一是环网开关柜—额定电流630A及以下，开断电流20-25kA及以下；二是通用开关柜—额定电流630A及以上，开断电流25kA及以上。

二、环保型金属封闭开关设备的技术特点与发展趋势

1.固体绝缘环网柜

（1）固体绝缘环网柜的设计与生产主要需解决的问题是屏蔽及其接地连续性、绝缘材料表面金属化、电场优化等技术，目的是实现包覆后的绝缘介质外表面涂覆导电或半导电屏蔽层并可直接可靠接地，降低、排除使用环境对产品的影响。目前，国内现有产品中很大一部分绝缘件表面均未做屏蔽与金属化处理，局放指标不稳定。由于固体绝缘与气体绝缘的不同在于气体泄漏可告警监视、放电可自行恢复，固体绝缘放电一旦发生，绝缘将不可恢复，同时在寿命期间，放电会持续增加，久而久之会出现绝缘击穿和发生相间短路故障。同时，因表面未可靠接地，人触摸时会出现人身伤亡事故。因此，需从固体绝缘技术的原理入手，对绝缘件的电场、磁场和温度场以及屏蔽、表面接地等进行科学计算和优化设计，同时加强对局部放电的监测。

（2）固体绝缘环网柜的隔离断口和接地断口一般采用干燥空气实现，其实质是将断口二端的静触座、动触座安装在同一个绝缘件上，过去常称这种断口为“假断口”。当开关处于分闸状态时，动、静触座之间的绝缘性能由动、静触座间的空气、绝缘件的沿面爬电距离共同决定，需要对这种断口进行电场分析和优化，采用技术措施使电场均匀，降低工作场强。由于这种断口存在绝缘件的沿面闪络因素，大大增加了断口击穿的几率。这种结构的隔离断口击穿或闪络将会使主回路的停电线段带电，有可能增加人员伤亡的几率。随环境的影响，绝缘材料的老化，该沿面的泄漏电流会增加、绝缘性能会下降，对产品可靠性的影响有多大需要有充分的认识和验证。而采用真空断口，由于其NSDD的影响，目前很难被用户接受。

（3）密封的加强。固体绝缘环网柜是属于配网系统末端的配电设备，大部分设备安装在户外的金属或非金属箱体内，环境非常恶劣，由于柜体的密封性不强，设备的性能和可靠性很容易受环境因素的影响。受潮气、灰尘、温差和空气中化学物质的作用，会出现产品零件的锈蚀、表面氧化、凝露等现象，从而带来固体绝缘环网柜操作机构与传动部分卡涩、绝缘件表面的电场破坏、积水等，使得设备出现拒分、拒合、绝缘件沿面放电、短路、接地等故障。因此，应注重产品适应户外环境方面的结构研究和工艺改进，例如对真空断路器/负荷开关、隔离/接地开关用操动机构进行整体结构设计及优化，从而解决因锈蚀、潮气、灰尘、凝露等现象带来的拒动、绝缘下降等质量问题。

2.环保气体绝缘开关柜

（1）实际上，环保气体绝缘金属封闭开关设备仍有诸多问题需要解决。采用新型环保气体后，如干燥空气或N2，由于绝缘性能低于SF6，特别是N2，其绝缘性能仅为SF6气体的1/3，因此需要对开关设备的绝缘进行重新研究。为确保绝缘强度，在检漏补气以及焊接工艺等方面应加强研究，如采用自动检漏及充气设备以及机器人焊接设备等。此外，还应进行电场的优化设计，使场强尽量均匀，并采用降低电场的元器件，如金属屏蔽等。同时要考虑采用无/低SF6气体作为开关设备的绝缘介质后，如何使之与SF6气体绝缘产品的外形尺寸和制造成本基本保持不变、用户界面和操作方式基本类同等问题。

（2）对于环网柜中的负荷开关单元，如采用无／低SF6气体，其开断能力会受到影响。采用真空灭弧室来增强开断能力是一个成熟的替代方案。但是用真空灭弧室作为隔离断口目前还很难被接受，因为真空断口在高电压作用下存在NSDD的可能，真空触头的冷焊现象也容易导致冲击水平的下降，直接威胁人身安全。所以，现有的真空负荷开关需要与三工位隔离/接地开关相匹配，但成本高，产品尺寸大。因此，研究新型的开关结构，使无／低SF6气体既可以做绝缘介质又可以做灭弧介质。气体绝缘金属封闭开关设备的特点就是将高压元件密封于不锈钢气箱内，密闭的气箱对于负载电流产生的热量只能通过有限的对流、传导和辐射方式进行散热，因此它的设计电流密度相对于传统式（或敞开式）空气绝缘需要适当降低。不同气体相同的设计，其温升裕度有很大的差别，同样条件下SF6与N2或干燥空气相差10K以上。因此，温升控制在紧凑的环保气体绝缘开关柜设计中是一个挑战。同时，混合气体的回收也是一个重要问题。设计时不同比例的混合气体回收装置的研发，漏气发生时如何补气措施，产品维护维修措施，产品废弃后的有害物质的处理等都应在理论上加强研究，制度上加以规范。无／低SF6气体已有研究单位研究，绝缘性能与SF6基本相当，对环境没有污染，但其研究成果需要工业化。能够工业化提供这种气体后，开关设备制造企业可研制使用无／低SF6气体的开关设备。

综上所述，环保型金属封闭开关设备是指固体绝缘开关设备和环保气体绝缘开关设备。固体绝缘环网柜具有体积小、免维护、结构灵活、环境适应性强，特别适用于高温和高原地区使用等特点。而绝缘件表面的局放控制、“假断口”的解决、密封的加强、成本控制、环氧树脂的回收利用等是其未来的技术趋势。环保气体绝缘开关柜除了绿色环保外，还具有体积小、维护量小、高模块化和安全可靠等优势。其技术难点主要体现在绝缘优化、开断能力的保证、温升与散热、混合气体的选用与回收等方面。

参考文献：

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