摘要： 结合固体绝缘开关柜的发展现状，论述了固体绝缘开关柜的定义、技术参数、结构及形式、固体绝缘技术。探讨了固体绝缘隔离开关和接地开关的现状，总结了固体绝缘开关柜的优势和不足，并展望了固体绝缘环网柜的发展前景。

  2011年8月，国家电网公司《国家电网公司第一批重点推广新技术目录》，12kV固体绝缘环网柜列入国家电网公司“十二五”规划[1]。2012年3月，国家电网公司了Q/GDW730-2012《12kV固体绝缘环网柜技术条件》（以下简称技术条件）[2]。SF6作为优异的灭弧和绝缘介质在电力设备中应用广泛，但作为温室气体，其应用必然会受到大环境的影响，国家电网公司一系列政策、标准等的实施，更是加速了固体绝缘开关柜技术的发展，同时对固体绝缘环网柜的发展起到极大的促进作用。

  固体绝缘开关柜是采用固体在允许电压下不导电的材料作为主绝缘介质的开关柜。将真空灭弧室及其导电连接、隔离开关、接地开关、主母线、分支母线等主导电回路单一或组合后用固体绝缘介质包覆封装为一个或几个具有一定功能、可再次组合或扩展的具备全绝缘、全密封性能的模块[2]。在人可触及的模块表面涂覆有导电层或半导电屏蔽层并直接可靠接地，最大限度上确保了人身安全。由于采用全密封的固体绝缘介质而不再采用SF6，固体绝缘柜具备尺寸紧凑、环境适应能力强、环保等优点。

  按照技术条件规定，固体绝缘环网柜标称电压等级为12kV，额定电流等级为630A、1250A，目前市场上的固体绝缘开关柜标称电压等级集中在12kV，额定电流集中在630A，日本东芝公司目前已开发出36kV电压等级的固体绝缘开关柜，但是从市场角度来看，不具备成本优势，随技术参数等级的升高，固体绝缘开关柜的柜体尺寸、成本都急剧上升，市场竞争力大大下降。

  固体绝缘开关柜按三相正面布置方式分两种。第一，左中右方式，三相左中右布置，该布置方式为目前市场主流方式。第二，前中后方式，开关三相前中后布置，该布置方式为目前较少。

  固体绝缘开关柜按照三相是否分离分为两种。第一，分相式，三相采用固体在允许电压下不导电的材料分相包覆后涂敷接地屏蔽层，最大限度避免了内部燃弧故障的发生。第二，整体式，三相整体采用固体在允许电压下不导电的材料包覆后涂敷接地屏蔽层。

  固体绝缘技术是指利用固体在允许电压下不导电的材料将主导电回路包覆封装为封闭模块，固体在允许电压下不导电的材料除用以隔绝不同电位导电体电气作用，还兼具支撑、散热、连接等机械作用。

  在选择固体在允许电压下不导电的材料时，应考虑材料的环境适应性、导热性、收缩率、玻璃化温度等，固体绝缘开关柜目前主要是采用环氧树脂材料作为绝缘和支撑，采用硅橡胶材料实现界面绝缘或作为缓冲层。在进行固体绝缘结构设计时，除了满足工艺、组装、维护等需求，还应考虑采用设置屏蔽、优化电极和结构等措施来合理分布电场，来提升绝缘介质的绝缘强度，这就涉及到对屏蔽层和局部放电的要求。

  1967年，瑞士Ciba-Geigy公司开发了环氧树脂压力凝胶工艺，70年代初，该技术加强完善，形成了APG（The Automatic Pressure Gelation）即环氧树脂自动压力凝胶成型技术。随着环氧树脂APG技术的成熟，1997年，ABB公司研制的环氧树脂固封极柱成功应用于VM1断路器，固封极柱通过APG工艺，利用环氧树脂将灭弧室及上下出线端全部包封，不仅缩小了灭弧室尺寸，而且不受外界环境的影响，提高了耐气候性。环氧树脂既是一次部分的主绝缘，又是它的机械支撑，其电场分布和应力分布优于各种形状的绝缘隔板结构。继ABB之后，国内一些研究机构、公司也相继推出具有固封极柱产品，并陆续解决了质量不稳定、材料性能不合格等问题，固封极柱技术逐步成熟。固封极柱技术为固体绝缘开关柜的发展奠定了技术基础。

  根据技术条件定义“人可触及的模块表面涂覆有导电层或半导电屏蔽层并可直接可靠接地”。固体绝缘表面涂覆接地的导电层或半导电屏蔽层，具有以下优势，第一，如果固体绝缘开关柜采用分相设计，由于三相之间采用环氧树脂完全隔离，并且表面涂覆有接地屏蔽层，可最大限度防止环网柜发生相间短路故障。第二，提高了环境适应能力，实现了免清理维护。

  目前市场上的固体绝缘环网柜大多并不进行接地屏蔽层涂敷，绝缘模块外表面不涂敷或局部涂敷屏蔽层时，其电场耐受是由空气和在允许电压下不导电的材料一同承担，如果涂敷了接地屏蔽层，则电场耐受就全部由在允许电压下不导电的材料承担了，这也对固体绝缘设计提出了更高的要求。技术条件的，将进一步促进产品升级。

  局部放电测量可以检测固体绝缘的内部缺陷，但是检测结果与预期寿命并没有可量化的对应关系。固体绝缘开关柜运行经验少，可供借鉴的试验资料少，又鉴于固体绝缘材料的非自愈性，技术条件对局部放电量进行了严格的规定，“断路器柜或负荷开关柜的局部放电量应≤20pC（1.2Ur下测量值）”。

  开关柜隔离开关断口绝缘形式主要有空气断口、线断口等，用于固体绝缘开关柜的隔离断口形式主要有空气和线 空气断口隔离开关 空气断口隔离开关按结构及形式分为刀闸式和直动式，刀闸式隔离开关结构较简单，直动式隔离开关结构较复杂。固体绝缘开关柜采用的空气绝缘隔离开关，与传统意义的空气绝缘隔离开关又不一样，传统空气绝缘隔离开关在空气中，易受外界环境的影响，固体绝缘开关柜将空气绝缘隔离开关设置在密封腔内，提高了环境适应能力。

  采用空气绝缘隔离开关的固体绝缘环网柜尺寸不具备优势，并且隔离开关型腔对密封要求高，但其由于技术成熟，用户接受度高，因此目前仍是市场的主流。

  3.2 真空断口隔离开关 根据中压开关设备常规设计思路，正常情况下不会考虑真空隔离开关，绝缘与隔离只能选择SF6、空气，而真空只能作为开关的灭弧介质。

  根据GB/T11022-2011《高压开关设备和控制设备标准的共用技术方面的要求》，隔离开关是“在分闸位置能够依规定的要求提供隔离断口的机械开关装置”[3]。按GB1985-1985《高压交流隔离开关和接地开关》：“为了安全，隔离开关的设计应使得从其一侧的端子到另一侧任一端子不会流过危险的泄漏电流。当运行中用可靠的接地连接将所有泄漏电流引入地下或所用的在允许电压下不导电的材料能有效地防止污秽时，则这一安全要求已经满足”[4]。“位置指示应能识别隔离开关或接地开关的工作位置。对于分闸位置，如果满足以下条件之一，则这个要求已经满足：第一、隔离断口或间隙显而易见；第二、保证隔离断口或间隙的每一个动触头的位置由可靠、看得见的位置指示装置指示。”通过解读标准，如果真空开关设备增加对地泄漏电流保护及污秽工况下的真空灭弧室外绝缘保护，如果真空灭弧室配可靠的分合位置指示器，则真空开关用于隔离功能将毫无标准障碍。目前采用真空绝缘隔离开关的固体绝缘环网柜已经推出，但并没有正真获得用户认可，要想说服用户接受真空隔离开关，一方面用户要接受用分合位置指示器代替传统的可见断口，另一方面必须让用户相信真空开关管的真空度在寿命周期内是稳定的。

  按照技术条件对接地的要求，“接地开关应至少能耐受二次额定短路关合电流的作用（有此功能要求的）”[2]。在固体绝缘环网柜中，根据主功能元件的位置设置不一样采用不一样等级的接地开关。例如，三工位开关（集成隔离、接地开关）设置在主母线侧时，由于真空灭弧室承担了接地快速关合功能，则采用E0级接地开关即可。如果三工位开关设置在馈线侧时，则接地开关至少应采用E1级。接地开关根据绝缘介质不同可分为真空接地开关和空气接地开关，目前这两种形式的接地开关都有应用。

  在固体绝缘环网柜研制方面，日本的东芝、日立公司走在了技术前列，他们对固体在允许电压下不导电的材料及浇注工艺进行了较为深入的研究。美国伊顿公司的SVS系列固体绝缘环网柜引入国内较早，对国内固体绝缘开关柜厂家的影响较大，国内固体绝缘环网柜的研发大量借鉴了其元素。目前ABB、施耐德、西门子公司均在进行固体绝缘环网柜的研究，施耐德公司已推出其Premset固体绝缘开关柜产品。

  图1是美国伊顿公司的SVS系列固体绝缘开关柜（图片来源于伊顿电气（苏州）有限公司SVS/08中压开关柜样本），其隔离/接地开关采用空气绝缘，动作形式为直动式，隔离/接地开关密封于环氧树脂型腔内，开关设备三相按左中右分相布置，主开关用真空灭弧室直接固封于环氧树脂内，隔离/接地开关装配在环氧树脂腔体内，母线固封部分与馈线固封部分与主固封模块通过快速插接技术连接。

  图2是施耐德公司最新推出的屏蔽式固体绝缘开关柜Premset（图片来源于施耐德公司Premset 15kV Compact modular vacuum switchgear手册），其主开关采用真空灭弧分相固封成型，隔离/接地开关三相共腔，刀闸式隔离/接地开关采用空气绝缘，接地开关设置于主回路馈线侧，可以在一定程度上完成快速关合，主回路三相采用前中后纵向布置方式，宽度仅375mm。

  6.1 固体绝缘开关柜具备的优势 第一，由于采用固体绝缘介质（环氧树脂具有比空气高5～6倍的绝缘强度），固体绝缘开关柜尺寸紧凑，适应了市场对开关设备小型化的需求。第二，固体绝缘开关柜不再采用SF6气体，符合环保要求。第三，分相隔离并在表面涂敷接地屏蔽层，最大限度上避免了内部燃弧故障的发生。第四，全绝缘全密封的结构保证了良好的环境适应能力。

  6.2 固体绝缘开关柜存在不足 第一，长时间运行稳定性需进一步检验。第二，制造工艺不稳定，局部放电量难以达到一定的要求，长时间运行存在绝缘下降的隐患。第三，由于大量采用固体在允许电压下不导电的材料，固体绝缘开关柜性价比不具备优势。第四，由于存在散热的瓶颈，固体绝缘开关柜在电压和电流等级上进一步升级困难。

  固体绝缘开关柜在国内尚处于初期应用摸索阶段，目前还不能完全替代气体绝缘开关柜，用户也没有广泛接受，但是固体绝缘开关柜作为新技术的发展趋势之一，国内外公司已展开了固体绝缘开关技术方面的研究，并不断有新产品推出，随着固体绝缘技术的进步，制造工艺的提升，运行经验的积累，固体绝缘开关柜作为中压开关柜的一个分支必然会受到慢慢的变多的重视。

  [1]国家电网公司文件.国家电网公司第一批重点推广新技术目录（国家电网科〔2011〕1285号）.