文／西安高压电器研究院有限责任公司 付鲁军 寇政理／

0 引言

柱上开关设备广泛应用于农网、城网供电、大型工矿企业、石油化工和冶金等电力系统中，是稳定供电不可缺少的设备。随着我国电力装备研发技术的不断创新，柱上开关设备朝着高可靠性、小型化、智能化、长寿命、耐老化和高安全性的方向发展。近年来，地球温室效应等环境问题倍受人们关注，防止地球温室效应和环境污染的环保问题具有时代和社会需求，研发环境友好型柱上开关设备是我们努力的方向。

1 环境因素与开关设备的关系

环境因素与开关设备的关系包括以下两个方面：1）开关设备不易受环境影响，具有很好的环境适应性；2）以防止开关设备破坏环境为主的环保性。能够满足以上两个方面的开关设备称之为环境友好型开关设备。

1.1 环境适应性

柱上开关设备的环境适应性要求主要体现在气象条件、生物条件、化学活性物、机械活性物、流动性污染、机械条件和电磁干扰等方面。表1给出了影响柱上开关设备运行的环境因素。

开关设备的运行环境从取决于自然条件的无控制环境条件到可适当控制的环境条件各不相同，情况复杂不定，因此环境适应性对开关设备提出了高可靠性、小型化、长寿命、耐老化、高安全性、减少维修工作量等需求。

1.2 环保性

柱上开关设备的环保性要求主要体现在地球温室效应、废弃物处理、减少有害物质和考虑对周围环境的影响等几个方面。

开关设备从制造、运行一直到寿命终结、报废处理，要经历很长时间，给环境造成不容忽视的影响。应对其进行管理，使其对环境造成的影响降低到最小，从而实现节能、小型化和减少维护量，避免资源浪费。

2 环境友好型柱上开关设备的设计思路和解决方案

如何实现柱上开关设备环境适应性和环保性是笔者在研发过程中主要解决的技术问题，从以下几个方面进行阐述。

表1 环境因素

2.1 环境适应性

1）盐雾、潮湿、污秽

开关设备可能会在盐雾、潮湿、污秽等特殊环境条件下使用，虽然这些因素需通过与水分结合才能增大对开关设备的危害程度，潮湿与污秽的叠加，绝缘件表面的绝缘电阻降低，导致漏电电流的增大，引发表面放电；将柱上开关设备暴露在大气环境中的绝缘件采用具有憎水性和自清洁功能的绝缘材料，可以解决外绝缘的问题。

盐雾、潮湿、污秽会造成开关设备相对地和相间空气的绝缘强度降低，影响设备的可靠性。将柱上开关设备高压元件进行密封化（包括主开断单元和隔离单元）处理能够解决绝缘强度降低和凝露的问题。

2）腐蚀性气体

在腐蚀性气体环境下，金属腐蚀将影响开关设备的可靠性。将金属表面进行耐NOx和SOx的涂敷处理可以降低腐蚀气体对开关设备金属的腐蚀。

3）电磁干扰

近年来智能电网的提出对开关设备要求智能化设计，因此开关设备将要添加很多电子设备，在不同电磁环境下，电子装置的抗干扰能力直接影响开关设备的可靠性。

实践表明，仅通过EMC试验考核的电子装置在实际应用中还会出现被干扰的现象，因此必须配套在开关设备中通过全套型式试验验证才可以投入使用。

2.2 环保性

1）地球温室效应

(1) 减少SF6气体的使用量

SF6气体的绝缘和开断性能优良，可实现设备的小型化，降低运行耗能和制造耗能，目前SF6气体绝缘开关设备的用量越来越多。然而，SF6气体的一个最严重的问题就是温室效应，如何少用或不用SF6气体是研发新一代开关设备的重要课题。柱上开关设备采用的真空灭弧原理现已非常成熟，可以实现开关设备的主开断单元的环保要求，并将真空灭弧室进行固封和采用对环境影响小的气体作为绝缘介质能够很好的满足开关设备的隔离断口间、相间和相对地绝缘要求。

(2) 减少CO2气体产生量

开关设备减少CO2气体产生量主要分降低运行损耗和减少制造耗能两个层面。降低开关设备的一次导电回路电阻能够减少开关设备在运行过程中的发热损耗，从而降低运行损耗；通过对柱上开关设备整体进行小型化、轻量化，减少开关设备的零件数量，提高零部件的传动效率，降低机构的操作功，从而降低制造耗能。利用固体和气体进行绝缘提高开关设备的绝缘强度，从而达到开关设备的小型化、轻量化设计；采用真空断路器可以降低开关设备机构的操作功；利用永磁机构能够减少机构的零部件数量，提高传动效率。

2）废弃物处理及减少有害物质

(1) 废弃物处理

减少开关设备的废弃物处理及有害物质。我们希望能够研制一种材料不仅具有优良的绝缘和强度等性能，制造、使用、回收、废弃对环境的影响更小，而且对人体无害。对于目前开关设备中的钢、铜和铝等金属材料几乎都能够回收再利用，但是环氧树脂的回收利用是当前的课题，技术方面已逐步得到解决，但要解决回收量不稳定带来的经济性问题还需要时间。因此在设计开关设备时应尽量减少回收废弃物对环境的影响。

(2) 减少有害物质

由于在开关设备制造过程中焊接、电镀等加工方式是不可避免的，而这些加工方式会产生有害物质。在产品生产加工过程中采用有无铅钎焊、无镉接点、三价铬电镀等为代表的减少有害物质用量的加工方式从而减少产品在加工过程中产生的有害物质。

3）考虑对周围环境的影响

(1) 火灾

为了预防火灾，在开关设备中使用不燃型或阻燃型材料，替换现有的性能欠佳的绝缘材料。

(2) 噪声

开关设备在进行动作时会发出较大声音，这是由于开关设备开断线路时需要很大的能量，降低操动机构的操作功能够减小开关设备产生的噪声。采用真空灭弧室可以降低操动机构的操作功。

(3) 电磁环境

灭弧性能优良的真空断路器容易引起操作过电压，通过设备及元件线路和接地系统或多或少会给外围设备带来电磁干扰。采用电容器和电阻串联而成的阻容过电压吸收装置或选用截流值低的触头材料可以抑制真空灭弧室的操作过电压。

3 产品结构及设计构想

3.1 环境友好型柱上开关设备的设计理念

新一代12kV环境友好型柱上开关设备是借鉴当代同类产品的优点并结合对环境的适应性和环保性要求而研发。柱上开关设备将断路器和隔离开关密封在3mm厚的不锈钢板焊接的密封箱体内，所有高压带电部分全部密封在箱体内，高压元件不受环境条件影响，防腐、防尘、防凝露；采用对环境影响小的气体作为绝缘介质，气体系统压力低（最低工作压力为零表压），气密性好，满足零表压下绝缘要求；断路器采用真空灭弧原理，真空断路器具有良好的开断性能，电寿命长，将真空灭弧室用环氧树脂进行固封安装在密封箱体上，结构紧凑减少材料使用量；断路器机构为双稳态永磁机构，机械寿命长，减少零件数，提高传动效率，降低机构操作功。断路器和隔离开关一体化设计，简化机械联锁提高设备的可靠性；断路器和隔离开关均可进行电动和手动操作，并具有可靠的电器联锁与机械联锁，运行、操作安全、可靠；配备控制、监测、保护智能化组件实现设备智能化功能。通过计算机仿真技术对开关设备进行电场、磁场和温度场仿真计算，优化零件形状、减少产品零件数、提高产品的传动效率，使开关设备小型化、轻量化，降低产品在生产制造过程中的能量损耗；尽量少用难以回收再利用的材料，提高开关设备的回收率；提高产品的可靠性，延长检查周期，降低产品寿命周期成本，实现维护省力、方便的产品；降低产品在运行过程中对电力系统和环境的影响。

3.2 技术难度

环境友好型气体绝缘柱上开关设备研发的技术难度主要集中在以下几个方面：

1）采用新型对环境影响小的气体后，开关设备的绝缘、温升需要重新研究；2）采用新型气体作为开关设备的绝缘介质，如何使之与SF6气体绝缘产品的外形尺寸和制造成本基本保持不变；3）如何满足开关设备在零表压下的绝缘要求；4）如何减少难以回收再利用材料的使用量；5）如何减少零部件数量、提高传动效率；

4 产品介绍

4.1 主要技术参数

环境友好型柱上开关设备的主要技术参数见表2。

表2 主要技术参数

4.2 产品结构

12 kV环境友好型柱上开关设备将断路器、隔离开关、内部连接导体置于气室内，绝缘子作为架空进出线。设计中对三相共用一个气室；断路器采用固封极柱方式固定于密封箱体上，断路器三相水平布置，断路器采用永磁机构置于气箱中。隔离开关机构安装在密封箱体外部，装配调试完成后对隔离开关机构安装机构罩，内充干燥空气。配置一体化设计的柱上开关控制器，实现在线检测、保护和控制功能。基本结构见图1。

图1 12kV环境友好型柱上开关设备的结构

5 结语

通过对环境友好型开关设备应具备的性能特点、关键因素、解决方案的分析和论述，提出了新一代环境友好型柱上开关设备的设计理念，以计算机仿真和试验研究为基础，对柱上开关设备的结构等方面进行优化，结合在环境友好方面的创新设计，使其具有较高的环境适应性、环保性和可靠性。因为产品在设计之初就综合考虑并解决了环境因素对开关设备的影响，在生产和使用过程中使环境因素对开关设备的影响降至最低，具备高的安全可靠性，所以产品的解决方案既使用户无安全顾虑，又能做到高可靠，少/免维护。