中压开关设备现状及发展趋势

中压开关柜现状

中压开关柜是指3.6kV~40.5kV电压等级的高压成套开关设备，简称中压开关柜。目前我国生产的中压开关柜根据绝缘方式不一样，可以分为空气绝缘开关柜、气体绝缘开关柜和固体绝缘开关柜三种。

空气绝缘开关柜（AIS）

顾名思义，空气绝缘开关柜即柜内相间和相对的绝缘主要采用空气，在绝缘相对薄弱的地方采用绝缘材料进行绝缘加强处理。早期由于真空灭弧室的加工工艺及触头冶金工艺相对落后，需要频繁检修或更换真空断路器，为便于检修维护工作，10kV空气绝缘开关柜主流产品都是中置手车式开关柜，；近十几年因加工工艺及冶金工艺的发展，真空灭弧室基本属于免维护的产品，而真空断路器也基本采用固封式，也属于免维护产品，各制造厂生产的各类中置式开关柜主要问题基本上都集中在小车一次插头接触发热。由于一次插头在触头盒内，属于半密闭空间，一次电流通过产生磁场，容易将空气中的潮气、粉尘等物质吸附在触头表面，将触头表面的镀银层及铜件氧化，造成接触电阻加大局部发热，然后接触电阻再加大，扩大发热面积，恶性循环，发热越来越严重，最终造成开关柜崩烧。

其次是机械联锁不可靠，因中置式手车相当于固定式开关设备的隔离开关，其隔离开关和接地开关分属两个触头，就存在着人为误操作的可能性，即接地开关处于合闸状态下，将中置手车摇到工作位置的可能性。

气体绝缘开关柜（C-GIS）

为使开关设备运行不受周围环境影响，将开关柜内所有高压带电部分安装于不锈钢气箱内，在气箱内部充SF6气体，使高压带电体和空气完全隔绝，能耐受各种恶劣环境。柜内装配三工位隔离开关，即隔离开关和接地开关共用一个动触头，能有效避免了隔离开关和接地开关同时处于合闸状态。但SF6气体作为“联合国气候变化框架公约”公布的六种温室气体之一，其对环境造成的温室效应是CO2的上万倍，受到了限制使用。

其次，SF6气体绝缘设备采用三相共箱方案，各相绝缘表面无屏蔽接地处理，当柜内绝缘性能下降时，存在相间短路故障风险，给安全运行带来较大的隐患。

固体绝缘开关柜（SIS）

国外很多公司早年就研究固体绝缘开关设备，使用量最多、技术最先进的是日本，荷兰在1995年开始研究固体绝缘电缆分支箱，并有大量的应用。日本东芝于1999年开发出高性能环氧树脂及高效率浇注技术，于2002年开始生产24kV固体绝缘开关柜，以后还进行了系列化的开发，迄今已经生产出36kV固体绝缘开关柜，更高电压等级72kV及84kV产品已经进入验证阶段。国内厂家在07年左右才开始生产固体绝缘开关柜，相对于国外厂家，起步比较晚。

固体绝缘开关柜采用环氧树脂将一次回路所有高压带电部分浇注，所有高压带电部分无裸露于大气中，不受周围环境影响，且和充气柜比较，无气体泄漏的风险。

由于环氧树脂是很好的绝缘材料，同时也是很好的绝热材料，因此，早期固体绝缘开关柜只能做到环 柜级别，即电流参数最大只能满足1250A；而且环氧树脂材料和导体（铜排）的热膨胀系数不一样，长期运行后容易产生开裂。目前市场上大部分固体绝缘环 柜绝缘表面不做屏蔽接地处理，所以相间还是存在感应电压，容易将周围的潮气和粉尘吸附到绝缘表面，长时间运行后就存在相间放电的可能性，因此从严格意义上讲，绝缘表面不做屏蔽接地处理的固体绝缘开关柜不属于真正的固体绝缘开关柜。

未来发展趋势

用户的需求已经从对基本的功能、参数等要求逐渐转向高可靠性、高安全性和降低运行成本的要求，同时需要减少温室气体的排放，满足“双碳”目标要求。相关技术标准的制定角度，从保证用户运行连续性、使用安全性和维护的经济性来考虑，在GB3906-2006《3.6kV~40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》附录E中就指出：前版标准主要围绕可抽出式的空气绝缘外壳而编写，现在的趋势是朝着固定式和GIS方向发展；而在GB3906-2020《3.6kV~40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》版本中又增加了固体绝缘开关的相关术语和相关标准。

所以从目前来看，为进一步提高中压开关柜的可靠性只有气体绝缘（C-GIS）和固体绝缘（SIS）两种技术。

气体绝缘现在基本采用环保气体，如干燥空气、氮气等，因环保气体的绝缘性能相对SF6气体弱，目前小范围的在环 柜上使用，而且所有设计和原SF6气体环 柜没有太多的区别，三相基本都是共箱方案，各相绝缘表面无屏蔽接地处理，存在相间短路故障的风险，给安全运行带来较大的隐患。

固体绝缘技术需采用新型绝缘材料，即有很好的绝缘性能，同时应具备很好的热传导性能，能将内部导体产生的热量快速地传导出来。同时绝缘材料热膨胀系数和导体（铜排）的热膨胀系数必须接近，才能有效避免因热胀冷缩引起的开裂风险；在各相绝缘表面做屏蔽接地处理，能有效避免相间短路故障的产生，提升设备的安全可靠性，而且相间无感应电压，各相绝缘表面均等电位，灰尘、水汽等不会引起任何放电可能性，因此无需对绝缘表面做清洁处理，大大减少维护工作量。

因此，从绝缘技术上分析，全绝缘、全屏蔽、全接地技术是未来中压开关设备发展的方向，从本质上提升设备的安全可靠性，保证运维人员和设备的安全，同时减少维护工作量，降低运行成本的关键技术。