高压开关设备用固体绝缘材料综述

高压开关设备用固体绝缘材料综述

何永泉   

鞍山申佳电力科技有限公司 辽宁省鞍山市 114000

摘要：气体绝缘金属封闭开关设备已在电力系统中得到广泛应用。绝缘台作为GIS中的关键部件，起支撑灭弧室的作用，用量较大，因此其性能好坏对GIS和电网运行安全的影响十分突出。绝缘台的结构设计不仅要关注绝缘性能，也要注重机械强度。在安装、运行、检修等工况下，绝缘台经常承受的机械载荷为扭转、剪切、弯曲和挤压，如果在这些应力分布不均匀的情况下绝缘台出现破裂，将直接严重影响GIS的整体运行。因此，在设计时除了提高材料本身的强度，还要保证电、热等性能，在结构上应使应力分布均匀，以提高整体的机械强度，保证电站的安全运行。

关键词：环氧树脂；SF6高压开关设备；真空压力浸胶绝缘制品；环氧浇注绝缘件

引言

高压开关设备使用的环氧热固性绝缘材料是伴随着开关设备的发展而发展起来的。开关设备从10kV油开关发展到1100kVSF6开关，与之配套的固体绝缘材料从酚醛纸质层压材料、酚醛棉布层压材料、环氧酚醛层压玻璃布板(管、棒)材料发展到满足SF6高压、超高压开关设备使用的真空压力环氧玻璃布浸胶管(板)、真空压力浸胶环氧玻璃纱棒、真空压力环氧浇注绝缘制品及真空压力凝胶注射成型绝缘制品。

1高压开关设备的技术发展

开关设备通过操作自身的开合对电网的联通进行控制，是输电线网络中的基本构成部分。20世纪60年代以SF6为技术代表的高压开关技术就已成熟，能够实现高压状态下的电网控制。随着输电网络电压的不断提升，智能化水平要求不断提高，针对空气绝缘开关设备的研发与技术升级成为研究热点。敞开式断路器、隔离开关等主要设备投入实际应用，此类设备具有抗干扰、噪声低、体积小、反应灵敏等诸多优点，稳定性极高，日常的维护需求相对较低，不仅安装成本较低，在日常运行的成本控制上也具有一定的优势。从实际的应用层面来看，当下的高压开关设备至少具有三方面的研究需求。其一是高压开关的智能化应用。由于智能电网建设的需求，高压开关需要进行智能化升级，对电网运行状态的检测、自我动作以及远程控制等均是当下对高压开关的要求之一。其二是高压开关的灭弧要求。在不断提高输电线路电压的过程中，由于绝缘能力而造成的电路跳弧成为高压开关的限制性条件之一。从研究方向上可以分为结构性灭弧与材料性灭弧两种基本模式，分别利用对开光装置结构的优化或对绝缘材料的升级实现灭弧要求。其三是新材料需求。通过不断探讨高压开关中的新材料应用改善开关的机械效能与电学效能，提高开关的灵敏度、稳定性，并从环保节能等多个角度进行评估，确定了进一步的研究方向。

2开关设备用固体绝缘材料的发展现状

20世纪80年代末，以西电西开电气为龙头的几家开关设备制造企业纷纷引进国外先进的SF6高压开关设备制造技术，受当时各方面的政策限制，引进技术生产的SF6高压开关中的绝缘拉杆及关键绝缘件需从日本、德国、瑞士等国进口，各开关设备生产厂家又从德国进口了环氧浇注生产设备，自己生产环氧浇注绝缘件。西电西材近年来采用自主研发的绝缘管与金属接头连接处采用表面无丝扣粘接的专利技术，为国内一些中小型开关企业提供PASS开关用真空压力浸胶成品。同时积极加快特高压进口产品国产化替代进程，500kV～800kVGIS组合电气封闭开关用绝缘拉杆及绝缘扭杆已完成用户装机验收试验，实现批量供货。1100kVGIS组合电气封闭开关用绝缘拉杆、绝缘扭杆亦研发成功。

3灭弧装置外绝缘设计

对于并联接线的辅助灭弧装置，在运行过程中的绝缘要求主要包括：在完全分闸或合闸位置时，要求辅助灭弧装置处于接地状态，不承受任何电压；在合闸过程中，要求辅助灭弧装置的动触头和静触头接触，辅助回路要承受额定的感应工频电压，也就是辅助灭弧装置要有一定的绝缘能力；灭弧装置触头合闸时，回路要承受合闸操作过电压；分闸过程中，当辅助灭弧装置开断时，回路要承受分闸过电压；分闸过程中，辅助灭弧装置动、静触头分开前，回路要承受感应工频电压。根据以上分析结果，对辅助灭弧装置绝缘性要求最高的是关合和开断操作时的操作过电压，其中又以开断时的操作过电压为主，因此在进行辅助灭弧装置的绝缘性设计时，要求按开断过电压来进行设计。《高压交流隔离开关和接地开关》标准中对电磁感应电流开断试验恢复电压的ＴＲＶ峰值及到达峰值的时间有了明确规定：开断时恢复电压到达ＴＲＶ峰值的时间在１００～２０００μｓ之间，属于缓波前过电压范围。按照《绝缘配合第２部分：高压输变电设备的绝缘配合使用导则》规定：工频电压的耐压是可覆盖冲击的耐压水平，因此可用工频耐压峰值来进行绝缘距离的确定。

4 SF6开关设备对固体绝缘材料及绝缘件的技术要求

（1）机械强度。绝缘拉杆及其他受力绝缘结构件的抗拉强度、弯曲强度、扭曲强度等应达到相应零件的要求。（2）电性能。绝缘拉杆及其他绝缘结构件应能耐受相应电压等级的工频耐受电压，在1.1倍相电压下测局放值≤3PC，相应电压等级还应能耐受相应的雷电冲击电压。（3）耐化学性能。绝缘拉杆及其他绝缘结构件用绝缘材料本身应具有耐酸、碱，耐各种化学药物的腐蚀，装入SF6开关中的绝缘件能耐受开关在开断后SF6分解物的腐蚀。（4）耐气候性。开关设备中的关键绝缘件在规定气候条件下服役期间应无裂纹、开裂，表面无异常。（5）除上述要求外，环氧浇注绝缘件还需水压、气体泄漏、X射线探伤检测，在规定时间内无泄漏、内部无气隙、裂纹等异常现象。（6）凡是绝缘拉杆类零件，在应用于产品之前必须通过10000次随机寿命试验而不被损伤，否则不得应用于开关设备。

5高压开关设备用固体绝缘材料

5.1高压开关的灭弧技术

开断短路电流时，触头刚分离后电极间电阻急剧增大、温度迅速升高，导致剧烈的场致发射和间隙击穿，产生了真空电弧。随着触头开距的增加，电流接近零点时，真空电弧的等离子体迅速扩散，触头间隙的介质迅速由导体变为绝缘体，电弧熄灭，实现电流的开断。在开断大电流（大于10kA）方面，主要有横向磁场和纵向磁场两种触头结构。横向磁场触头主要包括万字形横磁触头和杯装螺旋槽型横磁触头，该类型触头利用短路电流产生的横向磁场驱使真空电弧在触头表面进行运动，防止电弧对触头局部进行严重烧蚀。纵向磁场触头主要包括杯装螺旋槽型横磁触头、线圈型纵磁触头和马蹄形纵磁触头。该类纵磁型触头，对大电流真空电弧可较好地保持扩散性真空电弧的特征，使电弧斑点在电极触头表面均匀分布，保证触头表面不会产生局部严重熔化的现象，且电弧电压低、电弧能量小，更有利于开断，具有分断能力强、电寿命长等优点。

5.2 C4F7N混合气体

3M公司长期致力于研究环保材料，考虑到全球变暖，3M公司对已存在的介质和新物质进行了测试研究，提出新型环保气体C4F7N混合气体。G3气体为C4F7N与CO2的混合气体，目前，ALSTOM和美国3M公司报道了其研究的G3气体及其作为绝缘和灭弧介质的应用。2017年开始，中国电科院依托多项国家重点研发计划及国网公司科技项目，组织多家单位历时4年，打破国外公司技术垄断，填补了国内空白，批量制备出新型环保绝缘气体C4F7N，全面深入地研究和评估了C4F7N混合气体的绝缘性能、物性参数、气固相容性和毒性，开展了C4F7N混合气体的配气、充气、混合比检测、泄漏及回收等装置的研制。C4F7N由于其温室效应值较低，GWP为2100，且绝缘能力约为SF6的两倍，因此具有较好的应用前景。由于该气体液化温度较高，单一气体在电力设备中使用不能满足设备的运行环境要求，CO2具有优异的灭弧性能，且与C4F7N之间表现出较强的协同作用，因此可将其与N2或CO2混合后使用。C4F7N属于氟碳类气体，该气体在绝缘和灭弧时由于电弧的高温作用可能会出现碳原子的析出形成固体颗粒，会对开关设备的下一次开断和长期运行的绝缘可靠性造成一定影响。

5.3提升设备绝缘防护功能效果

设备绝缘能力是10kV高压开关柜工作效果的决定性因素，要想切实保障10kV高压开关柜的应用效果，电力系统管理人员还需重点提升设备绝缘等级，为10kV高压开关柜应用故障防治提供更高保障。一般情况下，10kV高压开关柜运行需承受极大的电压，高强度的绝缘效果是其运行安全的基本保障，早在电力系统设计阶段，管理人员就应考虑到这一要点，对设备绝缘性能强度进行严格把控，从根本角度提升设备电压承受能力，避免因电压过大造成设备损害，甚至出现安全事故；也能在一定程度上保障10kV高压开关柜日常应用质量，避免设备过度损耗，延长设备可应用年限。

5.4常规替代气体介质技术

常规替代气体介质技术采用常规气体作为替代SF6的绝缘和灭弧介质，常规气体GWP较低，环保性高，通流能力取决于气体散热程度。常规气体绝缘强度较低且灭弧性能不佳，一般可作为母线、隔离开关和接地开关介质使用。作为断路器介质时灭弧室需要重新设计，采用较大尺寸壳体和盆式绝缘子。常规气体在电力设备中应用时难以做到设备小型化，在高电压等级产品的应用时产品的体积和充气压力需要同时提高，增加了制造成本和泄漏风险，产品成本与SF6产品相比成本较高。对于12~40.5kVC-GIS，由于电压水平较低，对气体绝缘的要求不高但使用量较大，N2和干燥空气具有很大的替代潜力。

结束语

提高绝缘件质量，让开关用户放心使用国产绝缘拉杆及其他绝缘结构件，是绝缘材料、绝缘制品制造企业贯穿始终的宗旨。尽管国产绝缘拉杆的内在质量、试验实测数据比进口同种绝缘拉杆实测数据高，但多年来习惯使用进口绝缘拉杆的开关的企业总是对国产绝缘拉杆存有疑虑。究其原因，国产绝缘件整体质量的一致性、稳定性较差。只有进一步提高国产绝缘件整体质量的一致性，持续提高绝缘拉杆制造技术的稳定性，赢得开关用户的信任，才能让开关用户放心使用国产绝缘拉杆。

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