王宏業(yè)
作者簡介：無錫市凱立電器有限公司工程師，教授級(jí)高工，從事高低壓開關(guān)設(shè)計(jì)、制造工作。
摘要：研制開發(fā)不用或少用六氟化硫氣體的高壓開關(guān)設(shè)備，不僅是企業(yè)的責(zé)任，更是企業(yè)家的良心。真空開關(guān)技術(shù)成熟，使用安全可靠。在絕緣滅弧性能與六氟化硫氣體相當(dāng)?shù)木G色環(huán)保氣體研制成功之前，在開斷高電壓大電流的半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備未完善之前，真空開關(guān)是的選擇。采用全固體絕緣使真空開關(guān)小型化，全工況使用，免維護(hù)。
關(guān)鍵詞：溫室氣體，真空開關(guān)，固體絕緣
0 引言
同世界各國一樣，我國10千伏開關(guān)設(shè)備走過了一條從油開關(guān)(多油開關(guān))到少油開關(guān)再到真空開關(guān)，六氟化硫開關(guān)的發(fā)展之路。近10多年來ABB公司、施耐德公司憑借其國際大公司的品牌的優(yōu)勢(shì)率先將其10千伏六氟化硫負(fù)荷開關(guān)，負(fù)荷開關(guān)-熔斷器組合電器產(chǎn)品打入中國市場(chǎng)。由于此類產(chǎn)品采用三相共箱結(jié)構(gòu)，內(nèi)充六氟化硫氣體滅弧和絕緣.體積較小，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉。國內(nèi)廠家競(jìng)相跟進(jìn)，同類產(chǎn)品紛紛進(jìn)入市場(chǎng)。在10千伏開閉站，電纜分接箱，箱式變電站，住宅小區(qū)和樓宇變站等場(chǎng)合的使用中占據(jù)了壟斷地位。
但是近年來，科學(xué)研究結(jié)果證明，溫室氣體的大量排放是造成全球變暖，氣候異常的重要原因。六氟化硫氣體分子地球溫暖化系數(shù)是二氧化碳?xì)怏w分子地球溫暖化系數(shù)的24000～26000倍。六氟化硫氣體分子既不能化學(xué)降解，也不能光學(xué)降解，在大氣中其壽命為3400年。對(duì)大氣污染造成累積效應(yīng)。據(jù)測(cè)算大氣中六氟化硫的含量每年遞增百分之八。其對(duì)人類生存環(huán)境的影響將達(dá)數(shù)百代。其危害性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二氧化碳?xì)怏w。所以在《京都議定書》中明確規(guī)定六氟化硫氣體是六種溫室氣體之一。我國在1998年頒布并實(shí)施的《危險(xiǎn)廢物名錄》也將六氟化硫氣體列入危險(xiǎn)廢物名單。
據(jù)統(tǒng)計(jì)我國十千伏電力設(shè)備每年消耗的六氟化硫氣體超過4500噸，相當(dāng)于1.2億噸二氧化碳?xì)怏w排放。
六氟化硫氣體不僅是溫室氣體，而且在電弧，火花放電，電暈放電的作用下能分解和離游SF4,SF2,S2,F2等多種有害產(chǎn)物。
六氟化硫氣體的密度是空氣的五倍。如果六氟化硫電氣設(shè)備發(fā)生泄漏，夾雜有劇毒氟化物的六氟化硫氣體會(huì)沉積于底部，由于該氣體無色，無味，運(yùn)行和檢修人員不易察覺，容易造成人員傷亡。
10千伏電氣設(shè)備量大面廣，使用分散。設(shè)備檢修和設(shè)備壽命期后，六氟化硫氣體很難回收。即便使用專用回收設(shè)備回收，過程很復(fù)雜，費(fèi)用也很高。終廢氣的處理更是一個(gè)難題。
從京都，哥本哈根到德班，低碳減排已成為全世界關(guān)注的焦點(diǎn)。還地球綠水，青山，藍(lán)天，還人類一個(gè)舒適的生存環(huán)境，給子孫后代留下一個(gè)賴以生存和可持續(xù)發(fā)展的地球已成為一個(gè)迫在眉睫的問題。 綜上原因，用六氟化硫氣體作為滅弧及絕緣介質(zhì)的中壓開關(guān)設(shè)備，市場(chǎng)由盛而衰，直至完全退出市場(chǎng)是必然的。作為一個(gè)高壓開關(guān)制造廠商研制開發(fā)不用或少用六氟化硫氣體的高壓開關(guān)設(shè)備，不僅是企業(yè)的責(zé)任，更是企業(yè)家的良心。當(dāng)然，毋庸諱言，一個(gè)符合產(chǎn)業(yè)政策，代表發(fā)展方向，具有良好社會(huì)效益的好產(chǎn)品，也必將獲得豐厚的經(jīng)濟(jì)效益?；谏鲜稣J(rèn)識(shí)本公司開發(fā)研制了固體絕緣真空開關(guān)柜系列產(chǎn)品。
1 真空開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)
上世紀(jì)初人們開始了對(duì)真空電弧的研究。百年來真空電弧理論和技術(shù)日臻完善和成熟。以真空滅弧室為核心部件的真空斷路器，真空負(fù)荷開關(guān)產(chǎn)品在各領(lǐng)域的使用至今已有四十多年的歷史了。真空開關(guān)技術(shù)成熟，使用安全可靠，已是各領(lǐng)域廣大用戶的共識(shí)。
目前，國際國內(nèi)真空滅弧室生產(chǎn)廠商又推出三工位的隔離—接地開關(guān)管，四工位的開斷—隔離—接地開關(guān)管，接地開關(guān)管。為取消作為開斷滅弧，斷口絕緣介質(zhì)的六氟化硫氣體提供了新的途徑。
真空開關(guān)與六氟化硫開關(guān)比較有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1) 在真空滅弧室內(nèi)開斷電弧，無爆炸危險(xiǎn)，無有害介質(zhì)產(chǎn)生，符合綠色環(huán)保要求。
(2) 使用壽命常，開端次數(shù)多，適合頻繁操作。
(3) 電氣特性與六氟化硫開關(guān)相當(dāng)，個(gè)別性能優(yōu)于六氟化硫開關(guān)。
(4) 維護(hù)費(fèi)用低，整個(gè)壽命期內(nèi)的成本低于六氟化硫開關(guān)。
(5) 制造真空開關(guān)的材料壽命期后可以全部回收再利用，報(bào)廢處理過程無需采取措施，對(duì)環(huán)境無污染，對(duì)人員無傷害。
因此在中壓領(lǐng)域淘汰六氟化硫開關(guān)設(shè)備后，在絕緣滅弧性能與六氟化硫氣體相當(dāng)?shù)木G色環(huán)保氣體研制成功之前，在開斷高電壓大電流的半導(dǎo)體開關(guān)設(shè)備未完善之前，真空開關(guān)是的選擇。
2 采用全固體絕緣使真空開關(guān)小型化，全工況使用，免維護(hù)
六氟化硫氣體具有的滅弧及絕緣性能。六氟化硫開關(guān)設(shè)備(三項(xiàng)共箱的負(fù)荷開關(guān)，斷路器，整體充氣的組合電器)體積小巧，結(jié)構(gòu)簡單，這是采用空氣絕緣，固體-空氣混合絕緣的傳統(tǒng)真空開關(guān)所無法比及的。除了價(jià)格低廉，這也是六氟化硫開關(guān)設(shè)備在中壓領(lǐng)域占重要地位的主要原因。真空開關(guān)設(shè)備要想取而代之必須要小型化。在性能相同(相當(dāng))的情況下體積與六氟化硫開關(guān)相當(dāng)或者更小，目前大體有三種技術(shù)手段在采用。
2.1 充氣柜
用真空滅弧室作開關(guān)開斷滅弧元件，將真空滅弧室和其他一次電氣元件全部封裝在金屬殼體中，殼體內(nèi)充以一定壓力的清潔干燥的氮?dú)?或者空氣)。氮?dú)庾鳛榻^緣介質(zhì)了開關(guān)設(shè)備的絕緣性能。這就是所謂的綠色環(huán)保充氣柜。但是，無論是干燥空氣還是氮?dú)馄浣^緣強(qiáng)度僅是六氟化硫氣體的三分之一，為絕緣可靠要相應(yīng)增大相間，相地距離，沿面爬距，柜體幾何尺寸要比六氟化硫氣體柜大許多。當(dāng)然，加大氣體壓力可以增加絕緣強(qiáng)度，但相應(yīng)帶來柜體密封和強(qiáng)度問題，同時(shí)，一旦泄露，氣體壓力下降，絕緣強(qiáng)度急劇下降，可能引發(fā)重大事故。
2.2 全固體絕緣柜
用真空滅弧室作開關(guān)開斷滅弧元件，用隔離—接地開關(guān)管作隔離斷口，接地?cái)嗫诮^緣。將兩只開關(guān)管及一次導(dǎo)電回路固封在環(huán)氧樹脂殼體中(俗稱雙黃蛋)組成開關(guān)的一相，三只筒體并列固定在支座上組成開關(guān)本體，配裝操動(dòng)機(jī)構(gòu)及相關(guān)功能部件組成完整的開關(guān)。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是斷口全在真空中，一次帶電體完全不受外部環(huán)境影響。缺點(diǎn)是看不到隔離斷口，不符合用戶的使用習(xí)慣。
2.3 固體—充干燥空氣或氮?dú)饣旌辖^緣柜
用真空滅弧室作開關(guān)開斷滅弧元件，采用傳統(tǒng)的隔離—接地開關(guān)。隔離斷口，接地?cái)嗫诓捎妹芊飧稍锟諝饣虻獨(dú)饨^緣。真空滅弧室和一次導(dǎo)電回路固封在全密封的帶有觀察窗的環(huán)氧樹脂殼體中，組成開關(guān)的一相，三只筒體并列固定在支座上組成開關(guān)本體，配裝操動(dòng)機(jī)構(gòu)及相關(guān)部件組完整的開關(guān)。。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)斷口在真空中，隔離斷口，接地?cái)嗫谠诿芊獾母稍餁怏w中，一次帶電體固封在環(huán)氧樹脂中。完全不受外部環(huán)境影響。而且隔離斷口真實(shí)可見，符合用戶的使用習(xí)慣。提高了設(shè)備運(yùn)行的安全性。
3 凱立固體絕緣真空開關(guān)柜系列產(chǎn)品的特點(diǎn)
在系統(tǒng)調(diào)研，充分論證的基礎(chǔ)上，本著取百家之長，走創(chuàng)新之路的原則，經(jīng)過兩年努力研制出GXGN—12固體絕緣真空開關(guān)柜系列產(chǎn)品。具有多項(xiàng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)技術(shù)的系列固體—充氣混合絕緣產(chǎn)品，包括斷路器，負(fù)荷開關(guān)，負(fù)荷開關(guān)—熔斷器組合電器柜，計(jì)量柜，PT柜，母聯(lián)柜等已通過型式實(shí)驗(yàn)，省部級(jí)鑒定。并獲多項(xiàng)科技成果獎(jiǎng)。產(chǎn)品一問世便獲得業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注和好評(píng)。
與國內(nèi)同類產(chǎn)品比，凱立產(chǎn)品有如下特點(diǎn)：
(1) 環(huán)氧樹脂具有優(yōu)良的電氣性能，機(jī)械性能，熱的特性，很早用于電器設(shè)備，取得了良好的業(yè)績。開關(guān)筒體，熔斷器筒體采用環(huán)氧樹脂APG工藝成型。絕緣筒體是固體絕緣開關(guān)的關(guān)鍵部件，它既是絕緣件又是承力件。要求同時(shí)滿足耐熱，耐候，抗開裂，機(jī)械強(qiáng)度高，絕緣強(qiáng)度好等技術(shù)要求。筒體體積碩大，嵌件多，形狀復(fù)雜，制造是有一定難度的。凱立電器具有多年設(shè)計(jì)，制造絕緣件的經(jīng)驗(yàn)，從筒體設(shè)計(jì)，材料配方，工藝流程多方努力了該部件優(yōu)質(zhì)批量生產(chǎn)。根據(jù)用戶要求，可以提供外屏蔽接地可以觸摸的筒體。
(2) 單體柜結(jié)構(gòu)，采用專業(yè)電纜附件廠商生產(chǎn)的通用絕緣母線，電纜插拔頭。開關(guān)柜可現(xiàn)場(chǎng)組合，隨意擴(kuò)展，避免了多組組合柜帶來的運(yùn)輸，安裝的不便。當(dāng)然，如果用戶要求也可提供組合柜。
(3) 清晰可見真實(shí)隔離斷口。
(4) 開關(guān)可配裝彈簧，永磁兩種操動(dòng)機(jī)構(gòu)，方便用戶選擇。
(5) 全系列產(chǎn)品統(tǒng)一設(shè)計(jì)，提供用戶需要的多種柜型(斷路器，負(fù)荷開關(guān)，負(fù)荷開關(guān)—熔斷器組合電器，計(jì)量，PT,母線，母聯(lián)等)，而且外形幾何尺寸完全一致。
(6) 開關(guān)筒體和隔離開關(guān)操動(dòng)機(jī)構(gòu)箱采用動(dòng)靜密封結(jié)構(gòu)形成密封腔體，內(nèi)充零表壓干燥氮?dú)?，與外部環(huán)境完全隔離。開關(guān)柜全工況使用。
(7) 開關(guān)柜留有智能化接口和傳感器安裝位置，配置智能化設(shè)備后可以滿足智能電網(wǎng)的要求。
(8) 負(fù)荷開關(guān)—熔斷器組合電器的輔助接地開關(guān)采用真空開關(guān)管固封在熔斷器筒體中。解決了油絕緣的輔助接地不安全的問題。
(9) 熔斷器筒體與開關(guān)筒體采用柔性H形雙通電纜頭(知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品)連接，確保無應(yīng)力電氣連接和絕緣可靠。
第二系列全固封(雙黃蛋結(jié)構(gòu))固體絕緣真空開關(guān)柜正在研制中，可見斷口問題也在解決之中。40.5千伏，1250A產(chǎn)品也在考慮之中。
4 結(jié)論
(1) 目前國內(nèi)已有幾家生產(chǎn)固體柜的廠商，正在研制和有研制意向的企業(yè)更如雨后春筍不勝枚舉。但是尚未見到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，各企業(yè)只能按企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)生產(chǎn)，建議相關(guān)部門盡快編制標(biāo)準(zhǔn)，以便有所遵循。
(2) 固體柜是一項(xiàng)新產(chǎn)品，新技術(shù)。有很多新技術(shù)，新工藝，新材料，新的配套元件需要研究和解決。希望相關(guān)部門組織協(xié)調(diào)相關(guān)企業(yè)和技術(shù)人員通力合作，共同攻關(guān)。搭建多種形式的交流平臺(tái)，以便企業(yè)互相交流，共同提高。
(3) 目前國內(nèi)已有的幾型固體柜均是各企業(yè)自主研發(fā)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品。是企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)和全體員工辛勤勞動(dòng)的結(jié)晶。是企業(yè)的名片。雖然結(jié)構(gòu)形式各有千秋，優(yōu)劣各有所長，但總體水平和國外知名公司同類產(chǎn)品比應(yīng)該是相當(dāng)或相近的，這是轉(zhuǎn)變企業(yè)發(fā)展模式取得的豐碩成果。希望有關(guān)部門在資金流向和市場(chǎng)準(zhǔn)入等方面給予大力扶持，細(xì)心呵護(hù)，使這些民族品牌的產(chǎn)品不斷完善，在國內(nèi)立得住，在國際上叫得響。
(4) ，固體柜是一個(gè)新產(chǎn)品，新技術(shù)，是我們共同的財(cái)富。讓我們摒棄同行是冤家的舊觀念，拋棄以鄰為壑的舊做法，在競(jìng)爭(zhēng)中合作，互相交流，共同提高。把精力放在產(chǎn)品質(zhì)量的提高上，把心事放在國際，國內(nèi)市場(chǎng)的開發(fā)上。防止靠偷工減料，以次充好，假冒偽劣犧牲產(chǎn)品質(zhì)量殺價(jià)競(jìng)爭(zhēng)的局面出現(xiàn)。凱立電器愿與業(yè)內(nèi)有識(shí)之士共同開發(fā)，共享成果。
據(jù)了解，電網(wǎng)公司計(jì)劃到2015年新建和改造項(xiàng)目中固體絕緣開關(guān)柜的使用量不低于新增總量的25%，這將是電力設(shè)備生產(chǎn)廠家的機(jī)遇和福音，凱立電器預(yù)加大市場(chǎng)開發(fā)力度，與各地供電公司和電力電器協(xié)會(huì)加強(qiáng)交流和溝通，為中國電器設(shè)備的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。
