新一代環(huán)境友好型柱上開關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)分析與產(chǎn)品解決方案

文／西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司 付魯軍 寇政理／

0 引言

柱上開關(guān)設(shè)備廣泛應(yīng)用于農(nóng)網(wǎng)、城網(wǎng)供電、大型工礦企業(yè)、石油化工和冶金等電力系統(tǒng)中，是穩(wěn)定供電不可缺少的設(shè)備。隨著我國電力裝備研發(fā)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，柱上開關(guān)設(shè)備朝著高可靠性、小型化、智能化、長壽命、耐老化和高安全性的方向發(fā)展。近年來，地球溫室效應(yīng)等環(huán)境問題倍受人們關(guān)注，防止地球溫室效應(yīng)和環(huán)境污染的環(huán)保問題具有時代和社會需求，研發(fā)環(huán)境友好型柱上開關(guān)設(shè)備是我們努力的方向。

1 環(huán)境因素與開關(guān)設(shè)備的關(guān)系

環(huán)境因素與開關(guān)設(shè)備的關(guān)系包括以下兩個方面：1）開關(guān)設(shè)備不易受環(huán)境影響，具有很好的環(huán)境適應(yīng)性；2）以防止開關(guān)設(shè)備破壞環(huán)境為主的環(huán)保性。能夠滿足以上兩個方面的開關(guān)設(shè)備稱之為環(huán)境友好型開關(guān)設(shè)備。

1.1 環(huán)境適應(yīng)性

柱上開關(guān)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性要求主要體現(xiàn)在氣象條件、生物條件、化學(xué)活性物、機(jī)械活性物、流動性污染、機(jī)械條件和電磁干擾等方面。表1給出了影響柱上開關(guān)設(shè)備運(yùn)行的環(huán)境因素。

開關(guān)設(shè)備的運(yùn)行環(huán)境從取決于自然條件的無控制環(huán)境條件到可適當(dāng)控制的環(huán)境條件各不相同，情況復(fù)雜不定，因此環(huán)境適應(yīng)性對開關(guān)設(shè)備提出了高可靠性、小型化、長壽命、耐老化、高安全性、減少維修工作量等需求。

1.2 環(huán)保性

柱上開關(guān)設(shè)備的環(huán)保性要求主要體現(xiàn)在地球溫室效應(yīng)、廢棄物處理、減少有害物質(zhì)和考慮對周圍環(huán)境的影響等幾個方面。

開關(guān)設(shè)備從制造、運(yùn)行一直到壽命終結(jié)、報廢處理，要經(jīng)歷很長時間，給環(huán)境造成不容忽視的影響。應(yīng)對其進(jìn)行管理，使其對環(huán)境造成的影響降低到最小，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能、小型化和減少維護(hù)量，避免資源浪費(fèi)。

2 環(huán)境友好型柱上開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)思路和解決方案

如何實(shí)現(xiàn)柱上開關(guān)設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性和環(huán)保性是筆者在研發(fā)過程中主要解決的技術(shù)問題，從以下幾個方面進(jìn)行闡述。

表1 環(huán)境因素

2.1 環(huán)境適應(yīng)性

1）鹽霧、潮濕、污穢

開關(guān)設(shè)備可能會在鹽霧、潮濕、污穢等特殊環(huán)境條件下使用，雖然這些因素需通過與水分結(jié)合才能增大對開關(guān)設(shè)備的危害程度，潮濕與污穢的疊加，絕緣件表面的絕緣電阻降低，導(dǎo)致漏電電流的增大，引發(fā)表面放電；將柱上開關(guān)設(shè)備暴露在大氣環(huán)境中的絕緣件采用具有憎水性和自清潔功能的絕緣材料，可以解決外絕緣的問題。

鹽霧、潮濕、污穢會造成開關(guān)設(shè)備相對地和相間空氣的絕緣強(qiáng)度降低，影響設(shè)備的可靠性。將柱上開關(guān)設(shè)備高壓元件進(jìn)行密封化（包括主開斷單元和隔離單元）處理能夠解決絕緣強(qiáng)度降低和凝露的問題。

2）腐蝕性氣體

在腐蝕性氣體環(huán)境下，金屬腐蝕將影響開關(guān)設(shè)備的可靠性。將金屬表面進(jìn)行耐NOx和SOx的涂敷處理可以降低腐蝕氣體對開關(guān)設(shè)備金屬的腐蝕。

3）電磁干擾

近年來智能電網(wǎng)的提出對開關(guān)設(shè)備要求智能化設(shè)計(jì)，因此開關(guān)設(shè)備將要添加很多電子設(shè)備，在不同電磁環(huán)境下，電子裝置的抗干擾能力直接影響開關(guān)設(shè)備的可靠性。

實(shí)踐表明，僅通過EMC試驗(yàn)考核的電子裝置在實(shí)際應(yīng)用中還會出現(xiàn)被干擾的現(xiàn)象，因此必須配套在開關(guān)設(shè)備中通過全套型式試驗(yàn)驗(yàn)證才可以投入使用。

2.2 環(huán)保性

1）地球溫室效應(yīng)

(1) 減少SF6氣體的使用量

SF6氣體的絕緣和開斷性能優(yōu)良，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的小型化，降低運(yùn)行耗能和制造耗能，目前SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的用量越來越多。然而，SF6氣體的一個最嚴(yán)重的問題就是溫室效應(yīng)，如何少用或不用SF6氣體是研發(fā)新一代開關(guān)設(shè)備的重要課題。柱上開關(guān)設(shè)備采用的真空滅弧原理現(xiàn)已非常成熟，可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備的主開斷單元的環(huán)保要求，并將真空滅弧室進(jìn)行固封和采用對環(huán)境影響小的氣體作為絕緣介質(zhì)能夠很好的滿足開關(guān)設(shè)備的隔離斷口間、相間和相對地絕緣要求。

(2) 減少CO2氣體產(chǎn)生量

開關(guān)設(shè)備減少CO2氣體產(chǎn)生量主要分降低運(yùn)行損耗和減少制造耗能兩個層面。降低開關(guān)設(shè)備的一次導(dǎo)電回路電阻能夠減少開關(guān)設(shè)備在運(yùn)行過程中的發(fā)熱損耗，從而降低運(yùn)行損耗；通過對柱上開關(guān)設(shè)備整體進(jìn)行小型化、輕量化，減少開關(guān)設(shè)備的零件數(shù)量，提高零部件的傳動效率，降低機(jī)構(gòu)的操作功，從而降低制造耗能。利用固體和氣體進(jìn)行絕緣提高開關(guān)設(shè)備的絕緣強(qiáng)度，從而達(dá)到開關(guān)設(shè)備的小型化、輕量化設(shè)計(jì)；采用真空斷路器可以降低開關(guān)設(shè)備機(jī)構(gòu)的操作功；利用永磁機(jī)構(gòu)能夠減少機(jī)構(gòu)的零部件數(shù)量，提高傳動效率。

2）廢棄物處理及減少有害物質(zhì)

(1) 廢棄物處理

減少開關(guān)設(shè)備的廢棄物處理及有害物質(zhì)。我們希望能夠研制一種材料不僅具有優(yōu)良的絕緣和強(qiáng)度等性能，制造、使用、回收、廢棄對環(huán)境的影響更小，而且對人體無害。對于目前開關(guān)設(shè)備中的鋼、銅和鋁等金屬材料幾乎都能夠回收再利用，但是環(huán)氧樹脂的回收利用是當(dāng)前的課題，技術(shù)方面已逐步得到解決，但要解決回收量不穩(wěn)定帶來的經(jīng)濟(jì)性問題還需要時間。因此在設(shè)計(jì)開關(guān)設(shè)備時應(yīng)盡量減少回收廢棄物對環(huán)境的影響。

(2) 減少有害物質(zhì)

由于在開關(guān)設(shè)備制造過程中焊接、電鍍等加工方式是不可避免的，而這些加工方式會產(chǎn)生有害物質(zhì)。在產(chǎn)品生產(chǎn)加工過程中采用有無鉛釬焊、無鎘接點(diǎn)、三價鉻電鍍等為代表的減少有害物質(zhì)用量的加工方式從而減少產(chǎn)品在加工過程中產(chǎn)生的有害物質(zhì)。

3）考慮對周圍環(huán)境的影響

(1) 火災(zāi)

為了預(yù)防火災(zāi)，在開關(guān)設(shè)備中使用不燃型或阻燃型材料，替換現(xiàn)有的性能欠佳的絕緣材料。

(2) 噪聲

開關(guān)設(shè)備在進(jìn)行動作時會發(fā)出較大聲音，這是由于開關(guān)設(shè)備開斷線路時需要很大的能量，降低操動機(jī)構(gòu)的操作功能夠減小開關(guān)設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。采用真空滅弧室可以降低操動機(jī)構(gòu)的操作功。

(3) 電磁環(huán)境

滅弧性能優(yōu)良的真空斷路器容易引起操作過電壓，通過設(shè)備及元件線路和接地系統(tǒng)或多或少會給外圍設(shè)備帶來電磁干擾。采用電容器和電阻串聯(lián)而成的阻容過電壓吸收裝置或選用截流值低的觸頭材料可以抑制真空滅弧室的操作過電壓。

3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)構(gòu)想

3.1 環(huán)境友好型柱上開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)理念

新一代12kV環(huán)境友好型柱上開關(guān)設(shè)備是借鑒當(dāng)代同類產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)并結(jié)合對環(huán)境的適應(yīng)性和環(huán)保性要求而研發(fā)。柱上開關(guān)設(shè)備將斷路器和隔離開關(guān)密封在3mm厚的不銹鋼板焊接的密封箱體內(nèi)，所有高壓帶電部分全部密封在箱體內(nèi)，高壓元件不受環(huán)境條件影響，防腐、防塵、防凝露；采用對環(huán)境影響小的氣體作為絕緣介質(zhì)，氣體系統(tǒng)壓力低（最低工作壓力為零表壓），氣密性好，滿足零表壓下絕緣要求；斷路器采用真空滅弧原理，真空斷路器具有良好的開斷性能，電壽命長，將真空滅弧室用環(huán)氧樹脂進(jìn)行固封安裝在密封箱體上，結(jié)構(gòu)緊湊減少材料使用量；斷路器機(jī)構(gòu)為雙穩(wěn)態(tài)永磁機(jī)構(gòu)，機(jī)械壽命長，減少零件數(shù)，提高傳動效率，降低機(jī)構(gòu)操作功。斷路器和隔離開關(guān)一體化設(shè)計(jì)，簡化機(jī)械聯(lián)鎖提高設(shè)備的可靠性；斷路器和隔離開關(guān)均可進(jìn)行電動和手動操作，并具有可靠的電器聯(lián)鎖與機(jī)械聯(lián)鎖，運(yùn)行、操作安全、可靠；配備控制、監(jiān)測、保護(hù)智能化組件實(shí)現(xiàn)設(shè)備智能化功能。通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對開關(guān)設(shè)備進(jìn)行電場、磁場和溫度場仿真計(jì)算，優(yōu)化零件形狀、減少產(chǎn)品零件數(shù)、提高產(chǎn)品的傳動效率，使開關(guān)設(shè)備小型化、輕量化，降低產(chǎn)品在生產(chǎn)制造過程中的能量損耗；盡量少用難以回收再利用的材料，提高開關(guān)設(shè)備的回收率；提高產(chǎn)品的可靠性，延長檢查周期，降低產(chǎn)品壽命周期成本，實(shí)現(xiàn)維護(hù)省力、方便的產(chǎn)品；降低產(chǎn)品在運(yùn)行過程中對電力系統(tǒng)和環(huán)境的影響。

3.2 技術(shù)難度

環(huán)境友好型氣體絕緣柱上開關(guān)設(shè)備研發(fā)的技術(shù)難度主要集中在以下幾個方面：

1）采用新型對環(huán)境影響小的氣體后，開關(guān)設(shè)備的絕緣、溫升需要重新研究；2）采用新型氣體作為開關(guān)設(shè)備的絕緣介質(zhì)，如何使之與SF6氣體絕緣產(chǎn)品的外形尺寸和制造成本基本保持不變；3）如何滿足開關(guān)設(shè)備在零表壓下的絕緣要求；4）如何減少難以回收再利用材料的使用量；5）如何減少零部件數(shù)量、提高傳動效率；

4 產(chǎn)品介紹

4.1 主要技術(shù)參數(shù)

環(huán)境友好型柱上開關(guān)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 主要技術(shù)參數(shù)

4.2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

12 kV環(huán)境友好型柱上開關(guān)設(shè)備將斷路器、隔離開關(guān)、內(nèi)部連接導(dǎo)體置于氣室內(nèi)，絕緣子作為架空進(jìn)出線。設(shè)計(jì)中對三相共用一個氣室；斷路器采用固封極柱方式固定于密封箱體上，斷路器三相水平布置，斷路器采用永磁機(jī)構(gòu)置于氣箱中。隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)安裝在密封箱體外部，裝配調(diào)試完成后對隔離開關(guān)機(jī)構(gòu)安裝機(jī)構(gòu)罩，內(nèi)充干燥空氣。配置一體化設(shè)計(jì)的柱上開關(guān)控制器，實(shí)現(xiàn)在線檢測、保護(hù)和控制功能。基本結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 12kV環(huán)境友好型柱上開關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)

5 結(jié)語

通過對環(huán)境友好型開關(guān)設(shè)備應(yīng)具備的性能特點(diǎn)、關(guān)鍵因素、解決方案的分析和論述，提出了新一代環(huán)境友好型柱上開關(guān)設(shè)備的設(shè)計(jì)理念，以計(jì)算機(jī)仿真和試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)，對柱上開關(guān)設(shè)備的結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合在環(huán)境友好方面的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使其具有較高的環(huán)境適應(yīng)性、環(huán)保性和可靠性。因?yàn)楫a(chǎn)品在設(shè)計(jì)之初就綜合考慮并解決了環(huán)境因素對開關(guān)設(shè)備的影響，在生產(chǎn)和使用過程中使環(huán)境因素對開關(guān)設(shè)備的影響降至最低，具備高的安全可靠性，所以產(chǎn)品的解決方案既使用戶無安全顧慮，又能做到高可靠，少/免維護(hù)。