固体绝缘开关柜的结构及应用

固体绝缘开关柜的结构及应用

袁拓,陈梦飞,李杰,米少锋,王玮

默飓电气有限公司 单位省市:浙江省温州市  单位邮编：325000

摘要：在电力工业中，高压绝缘开关柜是十分重要的设备，它主要用于保护人身安全和防止接触电，由于其特殊性、使用环境限制较大等原因，开关柜结构设计和制造过程必须根据实际情况进行合理选择与改进，固体绝缘开关柜在技术上采用了先进的元件和工艺，体积较小，采用组装式的产品结构，提高了产品的标准化程度，便于组织批量生产，缩短产品的生产周期。

关键词：固体绝缘；开关柜；产品结构；自动化装置

一、引言

绝缘开关柜是一种特殊的电气设备，它具有隔离、节电和接地等功能，可以避免电路使用时处于异常状态，并保护人身安全，还能起到防潮防火的作用。在实际生活中有多种类型应用，如继电器控制触点接触，电磁式自动重合闸装置，数字化变频调速系统(PLC)或电力电子技术自动化装置等，都属于绝缘开关柜的使用范畴内。

二、固体绝缘开关柜的整体结构

固体绝缘开关柜，它是由多个部分组成，各个部件之间都是通过连接方式来进行相互协调，其中每个部分都有其各自独立功能，在整个装置中起到了主要作用：一是将电信号转换为电压；二是实现对变流配频后输出电流频率的可调性、稳定性；三是可以使谐波分量限制在一定范围内，以保证电路的正常工作和保护设备免受损坏，提高供电质量及安全性等多个方面发挥重要作用。

本次设计的固体绝缘开关柜，是由箱体、外壳和附件三大部分组成，箱体内部有一个密封环氧树脂涂层作为保护膜，用来防止外界对其造成损坏，而外部则用隔振胶将绝缘子固定在基座上使之能够与接触面之间形成一层薄壁结构，以达到隔绝电场辐射的目的。

通过分析可以知道，整个装置主要包括电源部分(主回路)、隔离电路及控制电路三个重要部分组成了本次设计所涉及到的箱体部件，在整个环氧树脂绝缘开关柜的设计中，我们需要考虑到两个方面，一个是满足用户的使用要求，另一个就是达到节能环保，其中就一点来讲，我们要保证其绝缘性能和耐磨性，这也是最需要注意的问题之一，另外一个则是避免机器发生故障时造成不必要的损失或者影响整个环氧树脂绝缘工作的环境。

三、固体绝缘开关柜的内部结构

（一）柜体结构

在实际生产中，绝缘开关柜的结构通常会有三个组成部分：外壳、底板和底面板三部分组成，其中，外壳是最重要的一部分，绝缘门框是由主梁及子房两大部分构成，箱体也称隔断器或限流电阻电器等，开口部位则主要为电控锁本体、分接点盒以及控制电路等几方面所形成，柜体由一个可承受两个及以上的电压，在箱体内部安装有电熔铁绝缘子，外壳是通过三根导线连接成三角形和矩形，箱壁材料选用不锈钢或铝合金制品，内部结构采用双层框架式布局设计，并使之美观、牢固可靠安全耐用，外部还设置了散热器以防止温度变化时受系统的影响，以及故障发生后产生大量气体泄漏等安全隐患。

（二）绝缘箱

绝缘箱是用来密封绝缘装置的重要部件，其主要作用就是起到隔绝电场，防止其他设备受磁场影响而损坏，当电源进线部分被切断时就会产生电流，在高压开关柜中，使用过电压保护电路和防雷接地回路都可以有效的提高供电系统的运行能力，同时还能够保证触头免遭高温、击穿或接触不良等现象引起的短路故障问题，避免因操作不当造成事故发生，从而减少经济损失及设备损坏率等[1]。

（三）主回路

主回路是用来控制整个电路的，主回路又分为电流传感器、电子变压器等器件，它们分别承担着不同电压等级和作用下对功率因数产生的影响，而支路则负责将各相输出电能进行合理分配并保证不发生环流动以及在特殊情况出现时能够自动断开故障，开关柜中还包括了一个隔离开关，它主要用于与外界隔离。

（四）触点

触点在接触到高压电弧设备时，由于其本身具有一定的导电性以及较高阻抗从而使电流不能通过绝缘体，而当被击物体受到来自于电网中性线或接地故障回路冲击放电后产生瞬间的短路电流，这种过电压一般会给整个电气系统造成很大的影响并且还会破坏电器中各种元器件和线路装置、甚至是威胁人身安全等。

四、固体绝缘开关柜的结构设计研究

（一）固体绝缘开关柜的工作原理

固体绝缘开关柜是由电阻丝作为电感元件的，当电源接通时，由于电压被切断或通过电容产生电流，这种情况下需要一个放大电路将负载一端转化为直流电源来实现控制功能，而在交流电消失后就会恢复直流供电状态(即停止供电)。当电源电压降低到正常值后就可以控制开关柜断开闭合或打开开关门并关闭继电器的通电线圈和接地导线，从而达到隔离故障、稳定工作的目的[2]。

绝缘开关柜的工作原理是：当变压器油进入电弧室时，由于电流通过导通和断开了回路中高压绕组上的电压，在高压绕组流过铁芯产生交变磁场后，会使导线发热并发出声音，而在变压器油饱和下形成一个具有高温度区(约为10K)低辐射电场来降低电磁损耗并且隔离其他负载，当变压器处于绝缘状态时它就能与继电器线圈串联起来实现电路功能和控制电源电流通断的任务。

（二）结构设计的选型

高压开关柜的结构设计，是根据其使用环境和额定电压来确定所需参数，在电路中影响功率器件损耗最主要因素有：电源系统、绝缘损坏(或短路)以及负载阻抗，其中电源系统包括直流供电源及其它输出端口，而绝缘保护则由电容器与电子仪器设备构成一个整体，两者共同作用实现对开关的控制及限制功能，另外还需要考虑到其工作环境和使用寿命等问题来确定选择是否要选作此电路[3]。

在结构的设计过程中，我们需要考虑很多方面，比如说抗震性、绝缘材料选择和工艺参数确定，因为绝缘体是一个整体框架的形状而决定了它的工作电压，因此为了保证电气隔离器能够正常运行就必须要有耐压能力强和散热性能好等一系列要求来满足这两个条件，同时还要考虑其成本，在经济上也不能太过昂贵，最后还应该具有良好地导电性、抗老化性能以及较高可靠性[4]。

（三）设计参数的确定

在设计固体绝缘开关柜时，要考虑各种因素对其性能的影响，并且根据所选材料选择合适的元器件，同时还要充分了解各个元件之间相互配合的关系、工作过程中是否有发热问题及温度变化等情况。

由于电工电子技术发展迅速且应用广泛以及各行业对于产品质量要求越来越高使得我们必须不断优化和改进产品结构设计以满足市场需求，在保证可靠性与稳定性之余要提高电路的响应时间，尽量减少不必要损耗并使其寿命更长，从而降低成本[5]。

在设计过程中，根据所提供的原始参数，通过对其进行计算分析和优化选择出最优方案，该方法是利用PLC作为核心控制器来完成控制电路与单片机系统之间建立通信通道实现数据实时交流、信息交互以及控制功能等操作，它可以将电路图进行简化处理后再由PC上位机显示出来，同时也便于后期设计的修改及后续程序运行，最终达到最佳效果，另外其结构简单易于安装、使用方便且成本低。

五、结语

随着科技的发展,人们对电气设备和生活安全越来越重视，同时也有了更多新技术应用于电力系统中。在实际设计过程中我们要充分考虑到各种因素带来的影响，例如：温度、湿度等环境条件，还有就是我们所选择使用材料是否符合要求等，都会给产品造成一定程度上或严重地损失甚至报废处理，所以在进行设计时还应该考虑到如何提高电气设备和生活用电负荷,减少电能损耗以及降低线路损坏率等问题。

参考文献：
[1]张洋海.固体绝缘开关柜技术的应用  [J].《技术与市场》，2016：141-141，
[2]张永军.固体绝缘开关柜绝缘结构的设计与分析[J].《中国机械》，2015：24-25.
[3]西门子公司.气体绝缘开关柜的固体绝缘排连接结构及其气体绝缘开关柜：[P].
[4]赵利生.高压开关复合绝缘与固体绝缘结构技术的应用与发展[J].绝缘材料，2001：18-21.
[5]刘欣海 ，李超 ，韩春成 ，刘冠男 ，何海 ，刘涛 .固体绝缘开关柜性能特点及适用性[J].电力勘测设计，2017