开关柜用复合性材料绝缘密封胶条研究开发

杨伟 林恩彬 陈有忠 刘根 杜直珊

云南电网有限责任公司楚雄供电局 云南楚雄 675000

摘要：高压开关柜是电力系统安全运行中的重要设备，开关柜的稳定运行直接影响到用户的可靠供电，关系到供电质量和供电可靠程度。而开关柜故障的原因主要来自绝缘件的两类缺陷所造成，一类是在有电气开关柜密封条表面爬电但未形成碳化通道缺陷，这类缺陷一旦形成会在长期的电为运行及材料老化过程中继续恶化，使得电气开关柜密封条表面贯穿造成严重的开关柜事故；另一类缺陷是电气开关柜密封条由于施工或生产工艺等原因导致的局部裂纹、起泡等现象引起的绝缘件裂纹局部放电，当绝缘劣化和局部放电水平达到一定时，就会引起开关柜的事故。如果发生开关柜异常造成用户突然停电，不但给用户造成很大的经济损失，而且会造成不良的社会影响。本文首先通过查阅大量文献资料了解现有的电气开关柜密封条的相关技术，并结合国内外开关柜电气开关柜密封条发展趋势，分析了国内电气开关柜密封条的不足，针对现有电气开关柜密封条的不足，本文提出了一种改良的电气开关柜密封条，本次研究通过对三元乙丙橡胶材料进行改性及加入其他材料来提高其耐久性，对于改善三元乙丙橡胶密封材料的使用性能，延长其使用寿命具有重要意义。

关键词：安全防控类；提高设备安全水平：绝缘密封胶条

1引言

随着电网的逐渐扩大，电网结构日益复杂，变电站无人值班和综合自动化管理模式的推广与普及，高压开关柜由于绝缘缺陷造成的故障给生产和生活带来了严重的损失。高压开关柜作为用户供电最直接的设备，其安全稳定运行，直接关系到供电质量巧供电可靠性。开关柜内的绝缘件分有机绝缘件和无机绝缘件，其中有机绝缘件包括：穿墙套管、触头盒子、绝缘热缩护套、绝缘冷缩护套等，无机绝缘件包括；瓷质绝缘子，陶瓷绝缘支架等。开关柜故障的原因主要来自绝缘件的两类缺陷所造成，一类是在有机绝缘材輯表面爬电但未形成碳化通道缺陷；另一类是绝缘件（包括有机绝缘件和无机绝缘件）由于施工、生产工艺或者老化等原因导致的局部裂纹、起泡等现象引起的局部放电缺陷，当碳化通道一旦形成或者局部放电水平泣到一定时就会造成严重的开关柜事故。按照电气设备故障特点，可把电气故障分为几类：导体故障、机械故障和绝缘故障。据2019年统计数据，我国开关柜发生绝缘故障共计63次，其中绝缘故障21次，占总故障33.33％；导电回路过热23次，占总故障36.5％；传动机构故障11次，占总故障17.46％；其它故障8次，占总故障12.69％。实践与统计表明，绝缘故障是高压开关柜故障的主要原因，而绝缘材料三元乙丙橡胶密封条失效是导致开关柜发生绝缘故障的主要原因。

目前存在的问题情况：目前，开关柜是电力行业很常见的产品，而开关柜箱体是由前封板和后封板组成的密封结构。但是，在将开关柜组合拼装使用时，拼接的前后封板会出现缝隙。这种缝隙不仅影响整体美观，而且很容易落入灰尘或者水滴，还不足以阻挡电磁辐射，造成使用中的不安全因素。为防止灰尘、异物或水分等进入开关柜内部，而导致柜内部件的性能下降或损坏。密封开关柜的使用已经普遍化，故对密封的要求也越来越高，尤其是气体密封开关柜。电气开关柜密封条可以由具有良好弹性和抗压缩变形的三元乙丙橡胶制成，虽具有优越的机械性能和耐老化性能等，但在使用过程中由于受光、热、氧和腐蚀介质等环境因素的影响仍会造成性能的逐步劣化，导致三元乙丙橡胶密封条失效等问题；因此，本次研究通过对三元乙丙橡胶材料进行改性及加入其他材料来提高其耐久性，对于改善三元乙丙橡胶密封材料的使用性能，延长其使用寿命具有重要意义。

2国内外研究现状

环氧树脂是固体绝缘高压金属封闭开关设备的主要绝缘材料，1930年环氧树脂在欧洲首先合成，以高绝缘强度、高机械强度、浇注时体积变化小和便于机械加工等优点著称。1967年，瑞士CibaGeigy公司开发了环氧树脂压力凝胶工艺，70年代初该技术进一步完善，形成了APG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。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，固封技术逐步成熟，为固体绝缘开关柜的发展奠定了技术基础[。然而，对于固体绝缘柜的研究和应用仍处于初始阶段，有关行业标准、国家标准还没有正式发布，目前的主要检测依据仍是中压金属封闭开关设备的统一标准GB3906，缺少针对固体绝缘开关柜的专门规定和检测方法。国网公司1285号文件也指出，固体绝缘环网柜的工艺要求高于SF6气体绝缘环网柜，若工艺手段不完善，则绝缘隐患、故障概率、危害性高于SF6气体绝缘环网柜，需要确保原材料质量及工艺水平。固体绝缘材料为非自恢复绝缘材料，具有损伤的积累效应和体积效应，在外部因素的作用下长时间运行会出现绝缘老化、劣化现象。一旦绝缘设计不合理而又没有可靠的试验检测方法和依据提前检查出安全隐患，产品在长期运行的过程中，很有可能发生绝缘故障。目前对于固体绝缘的击穿，特别是对于长期运行过程中产生的电化学击穿缺少可靠的检测和预防手段，仅仅考核局部放电量，而且目前市场上固体柜产品型式试验中的局放量往往达不到要求。经过十几年市场考核的固封极柱类产品并非全固体绝缘，固体材料仅仅作为空气绝缘的辅助，与外表面涂接地层的固体绝缘柜有很大不同。因此固体绝缘柜长期运行的安全性和可靠性还有待研究，这给产品的推广应用带来了很大挑战。国外已经有多家公司研发并在试用固体绝缘开关柜，甚至在一些技术成熟的发达国家固体绝缘开关柜已挂网运行多年。日本东芝公司在1999年就已经研发出了高效率的环氧树脂浇注技术，能快速、高效地浇注出性能优质的环氧树脂，随后将此技术应用在了24kV、36kV固体绝缘开关柜上，目前东芝公司正在尝试研发更高电压等级、开断电流更大的固体绝缘开关柜。美国伊顿公司收购荷兰霍利克公司后利用其先进技术和理念研发出了FMX型固体空气绝缘开关柜，电压等级做到24kV，德国施耐德公司2012年开始进驻中国大陆市场销售12kV的PREMSET固体绝缘环网柜。我们的近邻韩国英泰克公司也研发出了24kV和25.8kV的SIS固体绝缘环网柜。而我国在这方面的研究起步较晚，且受制于尚不够成熟的材料工艺技术，固体绝缘开关柜仍处在初期应用摸索阶段。但近几年来，国内一些大公司在斥巨资开发研究下取得了喜人的成果，西安森源开关技术研究所联合国家电网平高集团、成都旭光电子公司等研发了新的开关柜技术并取得了阶段性进展，沈阳昊诚、北京双杰、北海银河等公司均有挂网运行的固体绝缘环网柜产品。

3开关柜用复合性材料绝缘密封胶条测试方法

3.1有机绝缘件碳化缺陷

三元乙丙橡胶是乙烯、丙烯以及非共轭二烯烃的三元共聚物，1963年开始商业化生产。每年全世界的消费量是80万吨。EPDM最主要的特性就是其优越的耐氧化、抗臭氧和抗侵蚀的能力。由于三元乙丙橡胶属于聚烯烃（PO）家族，它具有极好的硫化特性。在所有橡胶当中，EPDM具有最低的比重，能吸收大量的填料和油而对特性影响不大，因此可以制作成本低廉的橡胶化合物。三元乙丙是乙烯、丙烯和非共轭二烯烃的三元共聚物。二烯烃具有特殊的结构，只有两键之一的才能共聚，不饱和的双键主要是作为交链处。另一个不饱和的不会成为聚合物主链，只会成为边侧链。三元乙丙的主要聚合物链是完全饱和的。这个特性使得三元乙丙可以抵抗热，光，氧气，尤其是臭氧。三元乙丙本质上是无极性的，对极性溶液和化学物具有抗性，吸水率低，具有良好的绝缘特性。在三元乙丙生产过程中，通过改变三单体的数量，乙烯丙烯比，分子量及其分布以及硫化的方法可以调整其特性。而开关柜内的有机绝缘件为三元乙丙橡胶密封条，其相对于其他类型的材料而言，三元乙丙橡胶密封条面临着热解碳化问题，尤其随着运行时间的增加、运行环境的劣化，其热解碳化问题变得更为突出。

三元乙丙橡胶密封条在潮湿污秽状态下﹐电场足够大时,材料表面就会有漏电流产生，由于焦耳热的作用蒸发潮湿污染物,使得绝缘材料的表面处于不均匀的干燥状态，导致绝缘表面形成局部干燥点和干燥带。干区的电阻比其余湿污层的电阻大很多(有大几个数量级的)，此时整个绝缘材料两端的电压几乎都集中在干区上，通常干区的宽度不大，因而其电场强度很大。此时电场强度已足以引起表面空气碰撞电离，于是在三元乙丙橡胶密封条与电极接触的部分将开始电晕放电或辉光放电。由于此时泄漏电流较大、电晕或辉光放电直接转变为局部电弧，在下弧根所在的微小区域内，温度高达数百甚至上千度，远远超过绝缘材料的燃点，因此该区域的材料能够发生热解碳化，形成碳化点。随后局部电弧根部附近的湿污层会被很快烘干，即干区扩大，电弧伸长，而此时电压尚不足以维持电弧的燃烧，电弧即熄灭，碳化范围不会持续发展。此过程周而复始会在有机绝缘材料表面的碳化面积不断变大，当碳化的面积足够大时(由于碳化后的材料电导率极高，电场密度集中于该碳化部分，使该部分的泄漏电流也随之变大，局部电弧长度也不断增加，造成绝缘材料表面爬电)，有机绝缘材料表面的碳化会将持续发张下去，形成碳化通道，造成有机绝缘材料短路，从而引发电力系统事故。

3.2有机绝缘材料选择实验

如果在三元乙丙橡胶密封条面积尚未达到能持续发展时，通知电力人员处理开关柜内的有机绝缘件就能避免电力事故的发生。本论文提出的三元乙丙橡胶和顺丁橡胶作为橡胶主体材料，保证产品具有良好的绝缘性能及优良的耐臭氧老化性能和耐寒性能，再采用溴化丁基橡胶（溴化丁基橡胶(BIIR)是含有活性溴的异丁烯-异戊二烯共聚物弹性体。由于溴化丁基橡胶拥有丁基橡胶基本饱和的主链，所以其具有丁基聚合物的多种性能特性，如较高的物理强度、较好的减振性能、低渗透性、耐老化以及耐天候老化。卤化丁基橡胶气密层的发明和使用在许多方面成就了现代子午线轮胎。在轮胎气密层胶料中使用这类聚合物可以改善保压性能，提高气密层与胎体间的粘合性能以及轮胎的耐久性。）与三元乙丙橡胶和顺丁橡胶（顺丁橡胶是顺式-1,4-聚丁二烯橡胶的简称，其分子式为(C4H6)n。顺丁橡胶是由丁二烯聚合而成的结构规整的合成橡胶，其顺式结构含量在95%以上。根据催化剂的不同，可分成镍系、钴系、钛系和稀土系（钕系）顺丁橡胶。顺丁橡胶是仅次于丁苯橡胶的第二大合成橡胶。与天然橡胶和丁苯橡胶相比，硫化后其耐寒性、耐磨性和弹性特别优异，动负荷下发热少，耐老化性尚好，易与天然橡、氯丁橡胶或丁腈橡胶并用。顺丁橡胶特别适用于制造汽车轮胎和耐寒制品，还可以制造缓冲材料及各种胶鞋、胶布、胶带和海绵胶等，由于其所具有的极佳的耐老化的作用所以此次进行添加）和本发明采用的树脂复配，提高整体的性能。本实验将热重分析仪(TG)与质谱联用，通过热重加热样品，样品会因挥发或者燃烧分解出气体，这些气体被传送到质谱仪中，加以识别。热重分析仪能测量物质质量与温度关系，质谱仪(MS)能检测受热过程中逸出的挥发性气体，为本文分析热分解找到有机绝缘材料的有效物质。

4项目实施主要措施

通过采用三元乙丙橡胶和顺丁橡胶作为橡胶主体材料，保证产品具有良好的绝缘性能及优良的耐臭氧老化性能和耐寒性能，再采用溴化丁基橡胶与三元乙丙橡胶和顺丁橡胶和本发明采用的树脂复配，合成出的橡胶不但具有很好的电绝缘性、耐臭氧、耐老化，耐寒性，而且具有很好的耐磨性、耐油性和高强度、高弹性。通过添加网状聚酰亚胺，使产品具有较高的硬度，且网状聚酰亚胺能促进硝化棉树脂、甲基丙烯酸正丁酯、顺丁橡胶、三元乙丙橡胶和溴化丁基橡胶的融合。通过添加少量炭黑，提高产品伸长率和耐老化性等，增加产品的使用寿命。不过炭黑具有导电性，本发明通过选择添加炭黑0.5-0.8份，且添加白炭黑2-3份和增粘树脂2-3份，以减少因使用炭黑带来的绝缘性能方面的下降，保证橡胶的绝缘性能，且能降低成本，增加产品的使用寿命

5能解决的主要问题

本次研究的一种开关柜用复合性材料绝缘密封胶条，具有良好的绝缘性能，且具有耐臭氧特性、耐热老化性、耐低温、耐化学腐蚀、抗冲击、防水性能，通过添加各种添加剂对橡胶进行补强，提高橡胶的韧性、强度和耐磨性。

6研制一种开关柜用复合性材料绝缘密封胶条保障措施和技术创新点

(1)合理的选择各元器件

在选用元器件时依照温漂小、精度高、且抗干扰能力强的原则选用器件，如电容、电阻、运算放大器的选择，如此对长时间积分所带来的误差也有改善。

(2)抑制干扰源的设计

电源的可靠与稳定，对于系统的稳定至关重要，不单只是各模块的供电电源和包括磁化电源部分的模块电源。如果供电系统不能稳定工作，就会引入电源窜入干扰，即瞬时产生的尖峰电流对系统工作形成干扰。在电路板的绘制过程中，在每个集成芯片旁跨接一个0.1的电容器可以滤除高次谐波减少IC对开关柜用复合性材料绝缘密封胶条的影响。

(3)电磁干扰的抑制

能够引入电磁干扰的地方很多的，从电化学传感器采集到的电压信号到后续的处理都会有。因为采集信号很微弱，因此要用双绞线以及分别接地的方法加以屏蔽。同时整个测试装置外壳接地，开关柜用复合性材料绝缘密封胶条不要受到影响。

(4) PCB布线设计

针对PCB布线时要把电源线和地线尽量加粗，减少干扰，并在电源输入端接入10口的电解电容由于稳定电压值。数字地与模拟地要分开接地，也可将数字地经磁珠后接地，并且要尽可能加大电路的接地面积，从而减少信号的藕合和干扰。

技术关键点及创新点：1、技术关键点：（1）在原有的三元乙丙橡胶材料进行改性及加入其他材料；（2）各原料之间能更好的组分和含量，使原胶料在密炼机中可以很好混炼、压延、挤出、成型。2、创新点：（1）具有绝缘性、耐臭氧、耐热老化、防火阻燃、耐低温、耐化学腐蚀、抗冲击、防水等各项性能。（2）橡胶具有更好的韧性、强度和耐磨性，在空气中不易老化分解，使用范围广，符合绝缘橡胶对电阻值的要求。

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