中压(12～40.5 kV)气体绝缘开关柜通常采用SF6气体作为主要绝缘及灭弧介质[1—3]；但是SF6气体的温室效应是CO2的23 900倍[4]，出台的《京都议定书》明令严格限制其排放量，世界上不少国家已经对使用SF6开始征税[5,6]。国家电网公司倡导绿色电力，对节能减排有着严格要求，少用或不用SF6是未来开关行业发展的必然趋势。

（三）住房改造尚有差距。一是危房识别较难。有关区县对D级危房尚没有具体的认定标准，各乡镇、村把握的尺度不一致。二是D级危房改造、农房“四改”、风格风貌改造进度较慢。因大部分贫困户居住在条件比较差的地方，住房普遍为土木结构的穿斗房，改造成本高，上级补助少，自筹资金多，导致部分农户积极性不高，“等靠要”思想严重，住房改造进度普遍较慢。

目前中压开关行业正在积极研究环保型气体绝缘开关柜，主要是采用氮气、干燥空气，或混合气体作为绝缘介质[7]。但是氮气、干燥空气这些环保气体的介电强度远小于SF6，若氮气或干燥空气要取代0.5 MPa的SF6气体，则必须使其压力达到2.0 MPa。这么高的压力对柜体强度要求极高，并且气箱内外压差大，气体泄漏隐患大大增加。根据市场调研，目前市场上对环保气体绝缘开关柜的要求是：①保持气体绝缘环网开关设备的尺寸小巧紧凑，便于安装等特点[8]；②气体压力为微正压，一般不超过0.13 MPa，最好能够保证在零表压下的安全运行，最大程度保证持续运行可靠性[9]。

为了最大限度满足客户需求，环保气体绝缘开关柜在不增加气体压力和柜体尺寸下还能接近或达到SF6气体的绝缘水平，就必须对柜体结构进行优化设计，需要引入固体绝缘技术，研究气固复合绝技术并掌握其绝缘特性。

笔者将电场仿真及绝缘试验相结合，对环保气体绝缘开关柜涉及的几种典型复合绝缘结构进行了研究，得出了提高气体固体复合绝缘结构的耐压强度的优化方法，为尺寸紧凑且高绝缘性能的环保气体绝缘开关柜及其他应用复合绝缘结构的高压电器的研发提供设计参考。

1 高压带电体涂覆固体材料提升耐压水平

环保气体绝缘开关柜复合绝缘就是在高电压导电铜棒上包覆固体绝缘件，其基本构成见图1。为了研究该复合绝缘电场分布规律，保持结构参数不变，对不带固体绝缘件的纯气隙绝缘和带固体绝缘件的复合绝缘分别进行了电场仿真分析，仿真参数R1=15、R2=23、R3=80，中心导体加65 kV电压，外边界接地，仿真结果见图2和图3。

  

图1 气固复合绝缘结构Fig.1 Gas solid composite insulation structure

  

图2 纯气体间隙电场分布Fig.2 Electric field distribution of gas gap

  

图3 气固复合绝缘电场分布Fig.3 Electric field distribution of gas solid composite insulation

  

图4 电场分布对比Fig.4 Electric field distribution contrast

由图2可知纯气隙绝缘结构电场强度最大处在中心导体的外表面，为了提升绝缘水平，在电场强度最大处使用硅橡胶等固体绝缘。由图3可知固体绝缘的引入，最大电场强度在固体绝缘件的包覆表面，采用适当厚度的固体绝缘件包覆中心导体，与无固体绝缘件包覆时相比，电场变化规律见图4，显然气固复合绝缘中气隙中的电场强度降低了，结果将会提高电场利用率。纯气隙结构最大电场值3.5 kV/mm，气固复合绝缘结构最大电场值2.8 kV/mm，电场强度下降了0.7 kV/mm，下降约20%。此外，若中心导体若附有金属异物，采用复合绝缘结构后，可以改变异物端部电场，相当于缩短了电场中异物的长度，有望提高有异物存在时耐受电压，因而利用气固复合绝缘结构能够有效减小环保开关柜的零部件之间距离，利于柜体尺寸小巧紧凑化。具体应用时的候应注意绝缘层厚度不能太薄，所研制的环保开关柜中心导体外表面硅橡胶层厚度为8 mm。

2 采用绝缘隔板提升绝缘性能

(2)如图8所示支撑绝缘子，上端若不加高压屏蔽环，则高压嵌件棱角及表面电场强度十分集中，绝缘子表面电场也较大，65 kV工频电压下电场分布见图9。在高压端增加均压屏蔽环后，解决了高压嵌件边缘棱角及表面的电场集中问题，高压嵌件附件的绝缘子外表面的沿面电场强度也大为减小， 65 kV工频电压下电场分布见图10。通过合理设置屏蔽结构，杜绝了固体绝缘材料在气体中发生沿面放电的隐患。

大海子水库改造完成后可将下游防洪标准提高到20年一遇，采用“最优等效替代法”计算得出防洪效益年值182.15万元［5］。

3 合理设置屏蔽结构降低沿面场强

根据2.1可以，挖掘出的每个频繁项集都有一个键链表，规则前件与规则后件的键链表相同，同一张表的关联规则，其置信度计算是针对单张表的，多表见的关联规则，其置信度的计算是针对多张表的连接的。因此，可以最大限度地避免统计偏斜。

  

图5 绝缘屏障试验装置Fig.5 Insulation barrier test device

  

图6 放电图片Fig.6 Discharge picture

(1)高压导体附近有固体绝缘件时，高压导体和固体绝缘件之间形成小气体间隙，由于固体介电常数是气体的4倍左右，因而该气隙中电场强度严重畸变，形成局部电离进而发展成不同形式的沿面放电。如图7所示，在固体绝缘面向高压导体侧金属化，并和高压导体等电位，气隙两侧电位相等，高压导体和内表面金属电场强度相互抵消，气隙中电场强度大大削弱，电场强度最大地方转移到了固体绝缘件内部[11]。由于固体绝缘材料介电强度很大，为环保气体的7倍左右[12]，让耐击穿能力强的固体绝缘材料承受强电场，让耐击穿能力弱的环保气体承受弱电场，达到了最佳绝缘配合，必然大大提升整体绝缘水平。

  

图7 导体与绝缘件接触面屏蔽措施Fig.7 Shielding measures for the contact surface of conductors and insulation parts

在开关柜相间及相对地高低压电极之间放置固体绝缘板，形成一个屏障，在特定条件下能提高耐压水平。为了研究绝缘板厚度及放置位置对绝缘效果的影响，以典型的平板电极为研究对象，试验装置见图5，在距离高压电极不同位置处放置不同厚度的绝缘板，测试耐压水平。试验结果表明，绝缘隔板距离高压电极太近，高压电极和绝缘板形成小间隙，电场畸变严重，分布不均匀，反而降低板板击穿场强；当距离高压电极占间隙距离约16%～22%时，能显著提升击穿场强2～3倍，这是因为离子在绝缘板上集聚，在离子间相互排斥力作用下均匀摊开，绝缘板和接地电极间电场十分均匀，绝缘耐压水平大为提高[10]。需要注意的一点是绝缘板厚最好超过5 mm，试验过程中，太薄的绝缘板有出现小孔，被击穿的情况，放电图片见图6。

  

图8 高压屏蔽环Fig.8 High voltage shield ring

  

图9 不加屏蔽环电场分布Fig.9 Electric field distribution without shield ring

  

图10 加屏蔽环后电场分布Fig.10 Electric field distribution with shield ring

4 优化设计固体绝缘件结构提升沿面绝缘水平

环保气体柜中用到的固体绝缘件主要有套管，绝缘子，固封极柱等，按照电场强度方向和气固界面关系，固体绝缘件外表气隙的沿面放电大致分为两类：①不均匀电场中，电场强度方向和固体绝缘件外表面夹角较大，垂直分量大于切向分量[13]，这类型固体绝缘件典型代表是套管；②不均匀电场中，电场强度方向和固体绝缘件外表面走向一致，切向分量大于垂直分量[14]，此类固体绝缘件代表是支撑绝缘子。要提升绝缘件沿面放电水平，必须研究这两种沿面放电类型的放电机理，有针对性地进行绝缘机构优化设计。

4.1 气固界面有强垂直电场分量的绝缘件结构优化设计

该类型结构以出线套管为例，其结构及沿面电场走向见图11， 随着工频电压的升高，法兰边缘先出线电晕放电，电压继续升高，电晕发展成平行向前伸展的细线，进入到辉光放电阶段，电压再升高，发展成树枝状滑闪放电，进而造成沿面放电[15]。为分析造成这种现象的原因，画出了出线套管的等效电路图，见图12。由于电场的强垂直分量，使得流过体积电阻R2和电容C的电流分量大，流过表面电阻R1的电流逐渐减小[16]。法兰附近沿介质表面电流密度最大，电位梯度也最大，因此最先出现初始的沿面放电[17]。在电场强垂直分量的作用下，带电质点撞击介质表面，引起局部温升，导致热游离，从而带电质点剧增，电阻剧降，通道迅速增长。滑闪放电热游离是滑闪放电的重要特征[18]，该类型绝缘件沿面放电电压远低于同类型电极结构下气体间隙击穿电压。通过图12中各参数的偏微分方程可推导出出线套管表面滑闪放电电压公式：

 

(1)

然而，任何一件艺术品都必须通过货币转换来实现它的价值。即使没有货币转换，也必须直接或间接推动其相关产物达成货币转换和价值提升。我们通过收藏、拍卖、置换等手段感受到这种价值。耀州窑不论是古陶瓷还是当今的陶瓷艺术品，其经济价值都有很大的提升。

(1)增加高压铜棒和接地法兰之间绝缘层的厚度，减小比表面电容，提升滑闪放电电压。

该类型结构以支撑绝缘子为例，其结构及沿面电场走向见图13。其表面电场的垂直分量小，因而不会出现较大容性电流沿着绝缘子表面流过的情况，发生沿面放电时没有热游离现象，放电发展过程见不到明显的滑闪放电[19]。沿垂直高压电极方向加厚绝缘层对沿面放电没有太大影响，该类型绝缘件沿面放电较同类型电极结构下气体间隙击穿电压下降不多，但要严格注意，高压电极和固体绝缘件之间不能有小间隙，否则沿面放电电压大大降低[20]。这是由于固体绝缘件介电常数远大于环保气体，电导率也大若干数量级，因而不管是何种类型电压，电极附件小气隙内电场强度都是最大的，该处是绝缘薄弱点，首先发生局部电离，出现大量自由电子，极易发展成沿面放电。因而有针对性地进行绝缘子绝缘结构优化设计可以从以下三方面着手。

(2)在接地法兰附近涂覆半导电漆，减小接地法兰附近套管外表面电阻率。

  

图11 套管结构及沿面电场方向Fig.11 Casing structure and the distribution of electric field along the surface

  

图12 套管等效电路图Fig.12 Casing equivalent circuit diagram

4.2 气固界面有强切向电场分量的绝缘件结构优化设计

  

图13 绝缘子结构及沿面电场方向Fig.13 Insulator structure and the distribution of electric field along the surface

二零一零年，小虎队重回春晚，《爱》的旋律乍起，迅速将我拉回至一九八八年秋天的场景，眼前一热，流下泪来。

(1)加大高压电极到接地电极之间沿绝缘表面的距离，可以增加伞裙。

环保气体绝缘开关柜中需要用到绝缘子、套管、固封极柱等固体绝缘件，固体绝缘件外表面和环保气体接触，形成复合绝缘，设计时要严格控制这类固体绝缘件的表面电场，如果固体绝缘件外面面电场超标，会造成沿面放电，在柜子内部结构布局一定的情况下，合理设置屏蔽可以降低局部电场集中，防止电场畸变，提升沿面绝缘水平，几种典型屏蔽方式如下。

式(1)中：E0为接地法兰附件套管滑闪放电的起始场强；ω是电压频率；ρs为出线套管外表面单位面积的表面电阻率；C0是出线套管比表面电容。从式(1)可知要提高滑闪放电的电压需要减小ρs和C0，因而有针对性地进行出线套管绝缘结构优化设计可以从以下两方面着手。

(2)合理设置均压屏蔽环，抵消缓和高压电极附近绝缘子表面沿面电场强度。

(1)通过在柜内高压导电铜棒上涂覆固体绝缘材料，气隙内最大电场强度能下降20%。且可以改变中心导体附有金属异物时的异物端部电场，利于开关设备气箱尺寸紧凑化。

5 结论

通过分析研究，得出了提高气体固体复合绝缘结构的耐压强度的优化方法，为尺寸紧凑且高绝缘性能的环保气体绝缘开关柜及其他应用复合绝缘结构的高压电器的研发提供设计参考。所提出的复合绝缘电场优化技术具备很很好的工程可行性，通过气固复合绝缘技术研究，得出如下结论。

(3)固体绝缘和嵌见要贴合紧密，不能留有缝隙。

近年来，国内视频监控市场每年都在以超过20%的速度增长，随着平安城市等大型联网监控项目的普遍建设，高清IP监控产品得到广泛应用，系统点位容量和行业需求不断激增，越来越多的用户认识到安防监控平台软件是整个系统综合实力的重要表现。

(2)高低压电极之间合理设置绝缘板，绝缘板到高电极的距离占高低压电极之间距离为16%～22%时，能有效提升工频击穿电压2～3倍，效果最佳，需要注意绝缘板厚度最好超过5 mm，太薄容易被击穿降低绝缘效果。

(3)合理设置绝缘屏蔽结构，可以有效提升耐压水平：在高压电极和固体绝缘件接触面将固体绝缘件接触面金属化，可以消除气固小间隙带来的电场畸变问题；在绝缘子高压出线端添加屏蔽环，可以均匀高压出线端及其附件绝缘材料表面电场，提升绝缘能力。

(4)不同类型绝缘设计时，首先要分清是绝缘件表面垂直分量较强还是切向分量较强，不同类型的绝缘件，优化设计侧重点不一样，垂直分量占主导的，主要是增加绝缘层厚度，减小接地法兰附近电阻率；切向分量占主导的主要是增大距离，合理设计均压屏蔽。此外绝缘件在设计时一定要严格控制工艺，杜绝电极嵌件和固体绝缘材料之间的缝隙。

本项目一期污水处理采用“常规预处理+百乐克生化池+二氧化氯消毒”二级处理流程，主体工艺是百乐克工艺，百乐克工艺为德国的一项污水处理工艺，是一种具有脱氮除磷功能的多级活性污泥工艺，污泥采用机械脱水。

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