固体绝缘环网柜应用研究
摘要：固体环网柜作为新一代的配电产品除具有良好的环保性能外，还有具有体积小，灭弧能力强，安全可靠性高，易操作和免维护等特点；作为SF6气体绝缘环网柜的替代产品具有广泛的应用前景和价值。

关键词：环网柜固体绝缘真空灭弧室
一、产品概述
环网柜作为一次变配电设备的应用历史已有40多年，早期的环网柜产品多为空气绝缘，充油式、产气式和压气式负荷开关；20世纪80年代出现了3工位SF
6
负荷开关使得负荷开关柜的结构更加简单，负荷开关和接地开关的联锁变的简单；此时的负荷开关柜主要以空气作绝缘介质，它们具有配置灵活，便于自由扩展，组合功能单元便利、维修方便等优点。

近10年来，对供电设备可靠性要求的不断提高以及占地空间减小的要求使
以SF
6
为主绝缘的环网柜，得到进一步发展，产生了新型的全封闭全绝缘共箱式环网柜；该柜箱体采用2.5～3.0mm不锈钢板密封焊接而成，寿命周期一次性充
SF
6
气体密封；提高了设备运行的可靠性和稳定性；减少了运行和维护费用，实现了设备的小型化和免维护。

1997年《京都议定书》把SF
6列为温室气体；一个SF
6
分子对温室效应的影
响是一个CO
2气体分子的25000倍，且SF
6
气体衰减周期很长（约3400年）；全
球产生的SF
6
气体约50%用于电力行业，其中80%用于高压开关设备；目前排放到
大气中的SF
6
气体，正以8.7%的速率在增长。

国内所运行的全密封环网柜有90%
以上都靠SF
6
气体作为灭弧和绝缘介质，我国每年配电领域消耗SF6气体达4500
吨，相当于1.2万亿吨CO
2
排放。

随着全球限制温室气体的呼声越来越高，针对
大量应用的SF
6环网柜，国内、外企业都在积极研制替代产品，在保持原SF
6
环网
柜小型化的基础上，达到环保要求。

于是采用更新型、更安全、更环保的固体绝
缘环网柜的研发已提上议程。

固体绝缘环网柜是一种集绝缘母线、组合单元小型化、外固封三种技术一体，将开关及高压带电部件采用环氧树脂等固体绝缘材料进行整体密闭包封，以固体
绝缘材料作为带电体对地及相间主绝缘，并将其外表面的导电或半导电屏蔽层可
靠接地的一种新型配电设备。

二、关键元器件介绍
1.真空灭弧室：真空灭弧室是利用真空度为10-4Pa的高真空作为内绝缘和灭
弧介质，具有直径较小，绝缘强度高，燃弧时间短，灭弧能力强，电气寿命高等
优点。

其具有良好的开断性能：额定短路开断次数均在20~100次，甚至更高，
开断失败率极低；触头开距（9±1mm）及接触行程小、操作功率小，机械寿命可
高达20000次以上，具有稳定可靠的电寿命；开断额定短路开断电流后，动、静
触头间仍具有较高的绝缘水平；开断过程中不产生燃弧，高气压，因此操作危险
性小，无污染、噪音低；适用于频繁操作、工作条件比较苛刻的场所；动作机构
的故障率低，运行稳定可靠；具备使用操作简单安全、免维护等优点。

2.固体绝缘：固体绝缘技术是将电气一次回路全包裹在环氧树脂绝缘筒内，
同时优化了断路器的绝缘支撑结构，简化零件数量和压缩了断路器的体积，可以
实现集成模块化；具有易安装、免维护、体积小、耐压稳定可靠等特点。

真空灭
弧室外层采用真空浇注弹性绝缘材料填充，降低温度膨胀影响；真空灭弧室室、
电气主回路、绝缘支撑等部件有机地结合为一体固封集成极柱。

固封极柱采用采
用环氧树脂自动压力凝胶成型工艺（APG工艺）将真空灭弧室和上、下出线座等
载流元件密封成一个整体，由于选用性能优异的环氧树脂，不仅保证产品的机械，电气和耐热老化等性能，还具有良好密封性能，绝缘可靠性、耐高低温冲击和机
械冲击等性能；具有免维护、易安装等优点。

尤其更适合用于高海拔、高污染等
环境下使用。

3.母线系统：目前母线系统主要采用三元乙丙橡胶绝缘，外加半导电屏蔽层，是一种高可靠，且可触摸式屏蔽型绝缘母线。

三元乙丙橡胶适用温度：-65 ℃～250℃（结晶温度：-65 ℃，玻璃化温度：250 ℃）
拉伸强度：≥7.0MPa
伸长率：≥250%
撕裂强度：≥26.0 kN/m
拉伸永远变形：≤8%
交流电击穿强度：20～30 MV/m
这种材料具有耐高温、耐辐射和耐臭氧性能，抗环境老化，极适宜于户外等
环境。

母线采用螺栓连接，安装方便，易维护，性能稳定可靠。

4.操动机构：固体绝缘环网柜的操动机构主要有两种类型：弹簧操动机构及
永磁操动机构。

弹簧操动机构由弹簧贮存分、合闸所需的所有能量，并通过凸轮机构和四连
杆机构推动真空灭弧室触头动作。

其分合闸速度不受电源电压波动的影响，性能
稳定，通过调整弹簧的压力能够获得满足要求的分合闸速度。

其缺点是机械零件多；零件的材质、加工精度和装配精度都直接影响机构的可靠性。

弹簧机构的出
力特性，基本上就是储能弹簧的释能下降特性，为改善匹配，设计中采用四连杆
机构和凸轮机构来进行特性改善。

目前弹簧操动机构技术成熟，运行稳定的可靠，成本低廉，使用量较大。

永磁机构是一种全新的操动机构，它利用永磁保持、电子控制、电容器储能。

其优势是结构简单、零件数目少，工作时的主要运动部件只有一个，无需机械脱扣、锁扣装置。

永磁机构分为两种类型：单稳态永磁机构和双稳态永磁机构。

永
磁机构尚需经受考验，需解决好电容器的寿命问题、永久磁铁的保持力及电子器
件的可靠性等问题。

目前其应用前景较为广阔，具有较大的发展空间。

5.保护装置及智能化：固体绝缘环网柜的断路器单元可以配置相应的微机保
护装置，保护装置具有过流、速断和接地保护等功能；主要实现以下功能：
（a）SCADA功能（数字量、模拟量、脉冲量采集与检测）
（b）故障告警及参数设定
（c）系统接线图（直观显示一次系统图）
（d）事件记录
（e）遥控操作
（f）组网通讯
四、产品特点
（1）适用范围广
（a）模块化设计，各单元模块可任意和扩展，适应范围广；
（b）不使用有毒有害气体，无漏气、爆炸和内部燃弧的隐患，可以再地下室、隧道内、船舶上、以及户内户外等全工况下使用；
（c）具有绝缘性能高、环境耐受能力强、体积小、容量大、整体强度高、组合灵活、等特点；
（d）高压仓内，可填充干燥氮气，适应以下恶劣条件：高海拔、强风沙、低温、严寒、高环保要求、频繁操作场所、安全防爆场所、高烟雾、凝露条件下的安全使用性。

（2）环保
（a）产品制造中所选用的材料全部是无毒无害物质；
（b）使用中也不会排出任何有毒有害物质；
（c）材料可以再回收利用。

（3）免维护
高压开关部位处于全密封状态中（操作机构除外），免于清扫和维护，降低运维成本。

（4）安全性高
（a）所有一次带电体不外露，不产生任何可吸入颗粒物和有毒气体及温室
气体，采用插拔式扩展母线，全绝缘全屏蔽，人体可直接接触；
（b）完善的联锁，互锁系统，降低误操作可能性；
（c）三相隔离断口清晰可见，避免了误操作事故的发生；
（d）强化相间隔离结构，避免相间或多回路短路而扩大或引发爆炸事故；
（e）采用具有防爆性能的真空灭弧室。

（5）易操作
（a）操作界面友好，确保操作人员和维护人员准确操作；
（b）主回路设有观察窗和照明灯，可以监视主开关、接地开关触头的位置；
（c）一次线路模拟单线图，直观显示开关设备内部状态，使操作简捷、安全。

五、应用前景
目前固体绝缘环网柜已经正式列入《国家电网公司重点推广新技术目录(2014版)》；按照推广应用计划，2014-2016年，在国家电网公司新建或改造项
目中，固体绝缘环网柜的使用量为新增总量的15%-20%;2017-2019年，在国家电
网公司新建或改造项目中，固体绝缘环网柜的使用量为新增总量的25%-35%；固
体绝缘环网柜技术从技术可靠性和环保要求更加严格的发展趋势看，固体绝缘环
气体绝缘环网柜的趋势；
网柜具有全面取代SF
6
随着产品技术和可靠性的提高，未来固体环网柜在海上风电，光伏等新能源
领域具有广泛推广和应用前景。

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