固體絕緣技術在中壓配電系統中的應用

董慶瑞

(河北寶臨電氣有限公司，河北 石家莊 050000）

0 引言

絕緣技術是通過不導電材料將導電體包裹，實現導電體的電氣隔離。使用絕緣技術的目的是防止人身觸電事故的發生，確保電器設備的安全運行。我國對絕緣材料的規定（國家標準：GB2900.5）是“用來使器件在電氣上絕緣的材料”。由于絕緣材料的電阻通常在109～1022Ω·m之間，因此電阻率相對較高。常見的電阻材料有：塑料、玻璃、油脂、尼龍以及木材和干燥的空氣等。

1 絕緣材料的分類與特性

1.1 絕緣材料的分類

絕緣材料通常被分為固體、液體以及氣體三類。實踐證明，固體絕緣仍是目前最為可靠和應用范圍最廣的絕緣物質。

1.2 絕緣材料的特性

由于絕緣材料有可能被強電擊穿，從而使絕緣性能喪失。氣體絕緣材料被擊穿后能夠自行恢復初期絕緣性能，但固體絕緣材料則無法自行恢復。基于絕緣材料的特點，我們必須選擇與電壓等級相匹配的線路和設備，并確保在相對安全的環境中運行，以此保證絕緣材料的安全。另外，由于各種腐蝕氣體以及機械操作和電性粉塵的作用都會直接降低或破壞絕緣材料的性能。同時，風雨和日光燈自然因素也會促使絕緣材料的老化，進而喪失絕緣性能。

2 固體絕緣材料的分類及發展

相對于氣體和液體絕緣材料，固體絕緣材料具備密度高、擊穿強度高的優點。這主要是由于固體絕緣材料在電阻、介質損耗和介電常數等方面具有廣泛的變化范圍。以聚四氟乙烯材料的絕緣體，其電阻可高達10 Ω·m。這樣可以很好地防止過大的電流泄露。此外，由于其較低的介電常數，可以將絕緣電容量變小。常見的高介電陶瓷可以達到幾千的介電常數，實際使用中我們可以根據需要加以選擇。固體絕緣材料可以分為無機和有機兩類。

2.1 無機材料

這類材料主要有粉云母、云母和云母制品、玻璃（玻璃纖維）及制品、電瓷、氧化鋁膜等。這些材料的優點是強度高、耐高溫、不易老化。并且電瓷等材料還具有成本較低的優點，具有很強的推廣使用意義。這類材料的缺點在于：加工性能較差，無法滿足成型要求；長期耐電暈性的優點使云母、粉云母制品成為高電壓設備絕緣材料的重要組成部分，也較適合高溫環境內使用；由于工藝上較簡單，玻璃經常被制作成絕緣子。玻璃纖維和相關制品具有很強的耐熱性，成為絕緣結構中的重要材料之一；由于耐放電性和機械強度俱佳，電瓷制品被經常應用于高壓輸、配電方面。

2.2 有機固體絕緣材料

該類材料首先采用棉布、紙、橡膠和綢以及能夠固化的植物油。以上材料具有較強的易獲性，還具有柔順性和滿足工藝要求的優點。

自20世紀開始，人工合成高分子材料被逐漸推廣使用，從最早的膠木到聚乙烯和聚丙烯逐漸升級。以上材料具有很小的介電常數和介質損耗，能夠直接滿足高頻需要，促進了雷達技術的快速發展；由于將有機硅樹脂與少堿玻璃布相結合，可以大幅提升電器和電極的耐熱等級。而聚乙烯縮甲醛為漆基制成的漆包線可以直接取代絲包和紗包線，使其有了更廣闊的應用前景；厚度僅幾十個微米的聚酯薄膜可以直接替代紙和布，能夠大幅提升電機和電器的經濟指標；聚芳酰胺纖維紙、聚酰亞胺薄膜、聚酯薄膜等材料的聯用也能直接提升絕緣材料的耐熱等級，應用面也相對較廣。此外，耐油丁腈橡膠、高性能環氧樹脂、耐熱硅橡膠、氟橡膠和乙丙橡膠這些固體絕緣材料的應用也較為廣泛。

3 固體絕緣柜特點分析

高性能環氧樹脂是固體絕緣通常使用的絕緣介質，可以對設備實現絕緣封閉作用，提高了電器設備和開關柜的可靠性。

3.1 具有較強的安全可靠性

該技術能夠將高壓帶電部分實現澆注絕緣，改變了傳統技術中通過增加電氣間距實現絕緣距離提高的目的。實際使用中，開關柜的電場分布很少受到外界因素的影響。同時，能夠避免濕氣、灰塵等因素對開關柜造成影響。相比于SF6充氣柜，固體絕緣開關柜避免了SF6氣體泄漏等安全隱患。由于固體絕緣技術具有支撐、散熱與連接等多種功能，有效地避免了短路故障的發生，避免了三相短路的危險。固體絕緣開關柜的優勢奠定了智能電網安全可靠用電的基礎。

3.2 具有較強的經濟性

環氧樹脂絕緣材料的機械強度較高，且澆注硬化體積變化不大，容易實現機械加工，同時生產過程中不具污染性，能夠實現再次回收使用，因此在國家要求生產更具環保特點的情況下具有很廣闊的應用空間。通過使用該類材料，我們能夠大幅降低材料制作與后期處理的費用，實現了資源可持續應用的目的。同時，環氧樹脂的使用實現了電網向清潔能源方向發展。此外，由于柜體向超小化方向發展，不僅大幅減少占地費用，還有效降低了與之配套的設備材料費用支出。因此，固體絕緣柜具有明顯的性價比優勢。

4 固體絕緣柜在中壓配電系統的應用現狀

4.1 固體絕緣技術在中低壓領域中的應用

在中低壓領域內，固體絕緣技術與氣體絕緣技術更具研究和發展優勢。無論我們使用哪種絕緣技術，都是為了不斷提升中低壓電器設備的運行安全，提升設備的工作效率。由于固體絕緣技術相對更為安全、可靠，并能不斷提升設備的運行效率，還可滿足低耗、環保的需求，因此固體絕緣技術的發展更具優勢。由于固體絕緣設備使用的方式絕緣距離大為縮短，提升了設備的絕緣性能，使供電設備的整體可靠性與自身性能得到大幅提升。

4.2 我國絕緣技術的應用現狀

雖然我國的固體絕緣柜相對發達國家起步較晚，但其發展速度迅猛，相關技術已經取得了突飛猛進的成績。調查發現，我國的固體絕緣柜在基礎研發與生產環節較弱，基本處于空白狀態。并且產品上游材料與工藝的研發也處于起步階段，相關生產企業對固體絕緣柜還僅處于設計、試驗、小批量試產階段。目前北京雙杰、沈陽昊城和揚州新概念等公司在產品研發和批量生產方面在國內居于領先地位。

5 固體絕緣柜在中壓配電系統應用前景

5.1 固體絕緣柜將逐漸成為中壓配電系統中的替代產品

由于固體絕緣技術不僅實現了電氣設備全絕緣、小型化以及使用穩定等諸多優勢，很好地避免了凝露和滲漏等缺點，因此該技術得到了較為廣泛的使用。基于上述優點，絕緣設備已經在歐美等眾多發達國家得到較為廣泛的應用。

通過分析可知，六氟化硫氣體等充氣式開關技術多應用于110～500 kV之間的設備，六氟化硫在12～40.5 kV電壓等級線路中的開關應用也不足20%。德國的應用比例不及10%，而日本的應用比例只有1%～2%，只有部分發達國家的應用量達到20%左右。并且所用設備也都簽訂了相應的氣體回收協議，在使用前就確定了責任主體，保證相應氣體可以實現及時有效地回收。目前，六氟化硫設備的替代產品多為真空開斷與固體絕緣設備。通過上述分析不難看出，固體絕緣柜將逐漸成為中壓配電系統中的替代產品。

5.2 新材料與新技術的應用

科學技術的發展促使更多新材料、新技術被逐漸應用于固體絕緣領域。我國在20世紀初開始使用環氧樹脂介質，主要應用于VS1固封極柱式開關，由于該類設備具有結構緊湊和體積較小等優勢，產品一經推出很快獲得了市場的認可與使用。

隨著中壓開關的研究與推廣，相應產品也多使用了固封極柱技術。如FZN57、ZN57系列小型化真空開關和相關的開關柜，這些產品在安全、穩定以及小型化上具有明顯優勢，在各地電網中的使用量逐步提升。同時，該類產品可以可將供斷路器與負荷開關的實際需求相結合，滿足各種不同的需求。其性能與使用范圍優于傳統環網柜，逐漸成為升級換代產品。

6 結束語

隨著智能電網的建設，凸顯出絕緣技術重要性，各種絕緣技術逐漸成為眾多生產企業研究的重點。這就需要我們不斷對這類產品進行研究、實驗、使用，通過不斷積累經驗，提升絕緣技術的改進和完善。

[1]崔可. 淺談高壓開關柜固體絕緣技術[J]. 北京電力高等專科學校學報，2012(16).

[2]王德杉，劉梅. 固體絕緣環網柜研發中的若干技術問題[J].高壓電器技術信息，2012(6).