12kV固体绝缘环网柜的研究与发展现状
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
中能电气股份有限公司的研究人员吴良云、韩云、陈友强，在2017年第6期《电气技术》杂志上撰文指出，近年来，国际社会对环境的日益关注，为了减少SF6气体对大气环境的影响，减少温室气体的排放，急需新型环网柜来代替SF6气体绝缘环网柜，催生出了环保型环网柜，固体绝缘环网柜因此孕育而出，文中结合本公司对固体绝缘环网柜的研究开发，分析介绍了12kV固体绝缘环网柜的研究和发展现状。
目前，环保型固体绝缘环网柜是一种正进入规模应用的配电新产品。国家电网公司1285号文件和国家电网公司“十二五”规划，已明确把固体绝缘环网柜列入其中，作为其推广应用新型环网柜。同时文件明确提出：“从技术可靠性和环保要求更加严格的发展趋势看，固体绝缘环网柜具有全面取代SF6气体绝缘环网柜的趋”[1]。
国家电网公司于2012年3月2日发布了固体绝缘环网柜的企业标准Q/GD W730-2012 《12kV固体绝缘环网柜技术条件》[2]。为提升配电网(农网）工程标准化建设水平，推进标准配置，实现配电网装备水平升级，国家能源局电力司下发[2015]290号文件印发《配电网建设改造行动计划(2015~2020年)》的通知，其中指出推广应用固体绝缘环网柜等新设备新技术。
同时，国网公司科技部[2014]847号文件发布《国家电网公司重点推广新产品目录（2014版）》的通知，再次将固体绝缘环网柜技术列入其中，固体绝缘环网柜成为其重点推广应用对象：2014至2016年，在公司新建或改造项目中固体绝缘环网柜的使用量为新增总量的15% ~20%；2017至2019年，在公司新建或改造项目中固体绝缘环网柜的使用量为新增总量的25%~35%[3]。
南网公司在2015年2月正式颁布了《12kV固体绝缘环网柜技术规范》。电力行业标准《12kV固体绝缘金属封闭开关设备和控制设备》，已于2016年7月1日正式发布实施。
1 国内外研究发展现状
1.1 国内外研发情况
国外研发固体绝缘环网柜的国家主要有美国、法国、德国、日本、韩国，主要企业有瑞士的ABB，法国的施耐德，美国的吉唯达和伊顿，德国的迪康，日本的东芝和日立，韩国的现代等；国内企业也投入研发柜体绝缘环网柜，并推出自主研发的开关产品，包括中能电气、沈阳昊诚、广西银河、北京电研华源和北京双杰等。
1999年日本的东芝公司开发出高性能的环氧树脂材料，并开发出了高效率的环氧树脂浇注技术。在2002年东芝公司推出24kV固体绝缘开关柜（SIS）（图1）,随后又推出了系列化产品。美国伊顿公司在2008年开始研制的SVS型固体绝缘环网柜（图2），其产品额定电流630A, 开短电流25kA，隔离接地开关采用空气绝缘，两年后伊顿公司推出固体绝缘环网柜，瑞士的ABB公司也于推出了固体绝缘环网柜（图3），已在中国市场开始运用。
图1 日本东芝
图2 伊顿电气
图3 ABB
国内固体绝缘环网柜的发展按时间段可分为二个阶段：
第一阶段是从2005年到2010年,该阶段是固体绝缘环网柜的起步阶段，开展产品技术研发和生产的企业不多，由于处于初始研发阶段，此时的固体绝缘环网柜产品结构复杂，工艺水平不高，产品不稳定，可靠性能差。
第二阶段是从2011年至2014年该阶段是国内固体绝缘环网开关设备迅猛发展的时期，生产制造企业、产品成型工艺、研发技术水平、外部环境因素都发生了很大的改变。主要体现在生产制造企业由原来的5家增加到40多家，大多是靠企业技术转让或企业间联合设计获得产品技术。固体绝缘环网柜的产品结构、工艺彻底发生改变（图4）。
以中能电气为例，产品由第一代的采用三工位真空隔离/接地开关技术的分相式结构（图5），到第二代的带可视断口的共相式结构（图6），产品从结构、工艺和性能都有显著提高。
图4 固体开关
图5 空气绝缘三工位隔离/接地开关
图6 真空绝缘隔离/接地开关
1.2 技术现状分析
固体绝缘环网柜在绝缘结构上是以固体绝缘材料作为外绝缘，并结合其他绝缘结构的环网开关设备，为了设计出不受环境条件的影响的固体绝缘环网开关设备。采用固体绝缘材料将真空负荷开关/断路器等电器元件固封其中，并在材料的外表面设计出接地电极，纯以固体绝缘材料作为环网柜的主绝缘材质，充分利用绝缘材料的绝缘潜能。由于在相对地和相与相之间采用绝缘材料隔离，从而提高了开关设备的安全性、可靠性。
基于此的设计思想而进行的开关设备设计时，就需要解决屏蔽技术、绝缘介质表面金属化技术、隔离和接地电场优化等技术[4]。
目前，国内企业设计出的固体绝缘环网柜其结构己有数十种，但能够实现在固体绝缘材料的外表面设置接地电极的产品结构很少，结构特征主要有两大派系，第一派系：以美国伊顿公司的固体绝缘环网柜技术派生出来的产品，真空断路器或真空负荷开关+空气绝缘的隔离/接地开关(见图5)。空气绝缘的隔离/接地开关运动方式又分为：刀闸旋转式和触指直动式；隔离/接地开关的运动速度由快速运动和匀速运动两种。
第二派系：以日本东芝固体绝缘环网柜技术派生出来的产品，真空断路器或真空负荷开关+真空绝缘的隔离/接地开关(见图6)。两大派系的区别主要在隔离/接地开关的绝缘方式的不同[5]。
两大派系产品的比较：
由于隔离/接地开关的绝缘方式和结构的不同而带来了环网柜的技术方案、产品结构、成本、应用等方面的区别。两大派系产品的结构比较：
（1）真空断路器或真空负荷开关+刀闸旋转运动隔离/接地开关的方式；该方式的隔离/接地开关为复合绝缘，结构简单，受外界环境条件变化影响较大，隔离断口可见。
（2）真空断路器或真空负荷开关+三工位真空灭弧隔离/接地开关的方式；该方式的隔离/接地开关为真空绝缘，结构简单，但操动机构结构复杂、成本高，不受外界环境条件变化的影响，隔离断口密封在真空泡内，断口不可见。
1.3 应用现状概述
根据固体绝缘环网柜专业委员会会员单位提供的资料有显示，从2008年到2015年，我国固体绝缘环网柜年销售量已经达到2万台，大部分己在电网上运行，电压等级以12 kV为主，最早运行时间为2006年，但在固绝缘材料的外表面设置接地的地电极产品很少。
固体绝缘环网柜已在全国十几个地区挂网运行，其中，安徽、浙江和新疆等省份运行台数较多，其次是内蒙古、北京、西藏、山东、云南、广东、海南、贵州、四川、青海和湖北等地区，海拔4000米的西藏拉萨也有固体绝缘环网柜挂网运行。
2 典型固体绝缘环网柜
中能电气是国内较早进行研究固体绝缘环网柜的企业，经过公司多年的努力开发出了两款产品，分别对应两大派系。第一代固体柜主回路为真空断路器或真空负荷开关+真空绝缘的隔离/接地开关，第二代固体柜主回路为真空断路器或真空负荷开关+带可视断口的空气绝缘的隔离/接地开关。
优点主要包括：产品与环境和谐，主回路采用固体材料进行绝缘，隔离接地三工位开关采用固体绝缘或空气绝缘后，整柜不使用SF6气体，不产生温升气体、不破坏臭氧层；高性能环氧树脂材料的应用，可以使主回路结构更加简化，实现小型、轻量化；简易化的操作机构设计及产品模块化设计，零件数量少，生命周期内取消气体压力监视，减少维护量，甚至免维护。
2.1 一代固体柜技术特点
本司第一代固体柜主体结构为第二派系产品，即真空断路器或真空负荷开关+真空绝缘的隔离/接地开关结构(见图5)。
VSS-12一代产品是在目前固封成形和真空绝缘技术的基础上，采用环氧树脂（APG工艺）将断路器/负荷开关真空灭弧室和三工位真空灭弧室分相浇注在环氧树脂材料中，并通过一次导电件将其连接在一起构成单相开关单元，最后由绝缘母线等绝缘连接件组装在一起构成全绝缘、全封闭、防凝露的固体绝缘环网开关设备[6]。
固体开关的密封设计为整体式浇注式全封闭设计，可使固体开关的防护等级达到IP67，使产品性能达到不受外界环境变化的影响，由于开关结构为各相分离设计，进而实现完全避免相间短路的能力(见图7)。
图7 第一代固体柜
2.2 二代固体柜技术特点
本司第二代固体柜主体结构为第一派系产品，即真空断路器或真空负荷开关+空气绝缘的隔离/接地开关结构(见图6)。
与第一代固体贵相比，其结构特点是采用固体绝缘材料将三相断路器真空灭弧室浇注在壳体中，三工位开关（隔离、接地）采用同轴刀闸式旋转结构，并做有观察窗，可以直接的观察隔离断口，用电更加安全可靠[7]。二代固体柜上市以来已销售上千单元(见图8)。
图8 第二代固体柜
3 固体绝缘环网柜亟待解决的问题
3.1 绝缘件屏蔽技术及绝缘表面喷涂技术
主开关单元屏蔽作用的好坏直接影响的设备的使用性能，固体绝缘环网柜在这方面尤为明显，所以在实际设计和生产中要解决其表面屏蔽技术，即绝缘材料表面金属化。目的是为了更好的使固体开关单元可靠接地，使环境因素对产品的影响降到最低，提高固体柜的使用范围。现在世面上销售使用的很大一部分固体绝缘环网柜绝缘件表面未作处理，产品的局放指标较高[8]。
3.2 “假断口”问题
现行气体绝缘的隔离开关、接地开关，本质上是将隔离（接地）断口两端的导电件安装于同一个绝缘件上，过去常称这种断口为“假断口”[9]。当隔离开关处于分闸状态时，断口的导电件之间的绝缘性能就由断口之间的气体和支撑绝缘件的沿面爬离共同影响。
同样固体绝缘环网柜也存在这种问题，所以在设计时要对”假断口”进行电场分析和优化，采用有效的技术手段使产品的电场更均匀，降低产品工作时的电场强度。
3.3 运行、维护经验不足
固体绝缘环网柜是近几年推出的新技术产品，由于前期没有对挂网试运行进行科学合理的布局设计，使得目前挂网运行的数量还不是很多，运行累计时间也比较短，挂网运行的省份区域不够全面[5]。
比如：高寒高海拔地区、高温高湿地区，沿海区域、多雨和昼夜温差变化大的地区等，要全面积累全国不同地区的运行经验，根据实际使用中出现的问题，有针对性和前瞻性的对固体绝缘环网柜进行改进，才能不断完善产品的安全、稳定的可靠性能。
4 固体绝缘环网柜技术未来发展趋势
随着国家对环网柜性能要求越来越高，高可靠性的环境友好型环网柜越来越受到重视，所以固体绝缘环网柜技术未来的发展趋势主要有以下四个方面：
4.1 新的高性能绝缘材料的开发
作为固体绝缘环网柜使用的绝缘材料--环氧树脂，虽然其性能非常优越，但是还存在着对陶瓷真空灭弧室进行浇注后，产生原件开裂的问题，因此，必须开发出完全超过己有环氧树脂特性的高性能可降解的环氧树脂。
2014年，《科学》杂志刊发了一篇关于发现了一种可循环利用的新型热固性聚合物的文章，这宣示着可循环利用的热固性塑料领域迎来了重大进展，这种材料名为“聚六氢三嗪”。论文中指出这种新型聚合物可以溶解于强酸中，进而破坏聚合物原有的物理特性，使其可以有效的进行降解，进而分离出单个分子结构，然后通过新的加工工艺生产出新的产品，实现该材料的循环利用。
由于这种聚合物具有的优越的可循环利用的特性，其将有可能在5年内取代不可循环利用的热固性塑料，未来10年内生产的新产品将全部使用可循环利用的热固性材料。
4.2 高效率浇往技术的开发
传统环氧树脂的浇注工艺，费时费力，效率低下，成本昂贵。为了解决高成本、低效率的问题，必须开发高效率的浇注技术。该技术除对催化剂做了改良外，还运用了流动硬化解析技术，通过优化树脂催化剂成分和控制金属模温度，使金属模内的树脂从距离注入口最远的上部开始顺次发生良好反应，对硬化中发生的树脂收缩，用未硬化的液状树脂从注入口给予压力补充，从而获得不变形的浇往件。
实现了一天可浇注8-12次的高效率浇注技术，一个金属模就可以最多制作出14个浇注件，与过去相比，生产性能提高了8-160倍。通过这些技术开发，从而可以在短时间内制作出多个价廉的高质量浇注件[5]。
4.3 内置元件间界面连接方式的开发
固体绝缘环网柜因是采用固绝缘件将主回路导体及放置元件的主回路部分浇注成型，所以内置元件之间的连接没有灵活性，因此，必须使连接各种浇注元件的连接导体标准化，使环网柜的整体构成合理化[5]。由于该连接导体也必须用环氧树脂浇注，因而就需要一种和浇注体的连接部位保持一定自由度的合理化产品。
为此，开发出了在浇注体和连接导体的连接部位将硅橡胶压缩后连接的界面连接技术。采用这种可缩小连接部位尺寸的界面连接方式，就可以实现将各收纳原件组合在一起的连接导体的标准化，合理地配置收纳元件，其结果，实现了固体绝缘环网柜整体结构的小型化[10]。
5 结论
保护环境受到越来越多人们的关注，可以肯定环境友好型绝缘环网柜将是未来环网柜的发展趋势，国内外企业都在进行相关产品的开发。作为已经有部分挂网运行的固体绝缘环网柜也将保护环境做出贡献，同时具有广阔的应用前景。