三菱公司采用专有固体绝缘技术开发的7.2k

1  前言
      三菱公司采用专有固体绝缘技术开发的复合绝缘开关设备MS-S，延长了定期检修周期，更大幅度地实现了小型化。在额定电压7.2kV等级通用开关设备中，三菱公司在日本国内首家采用了固体绝缘。
    在此，对该复合绝缘开关设备MS-S中采用的新技术做一介绍。

2  复合绝缘开关设备MS-S

    表1示出了复合绝缘开关设备MS-S的额定值。该复合绝缘开关设备MS-S的主要特点见表2，这次开发的复合绝缘开关设备和本公司空气绝缘开关设备的比较见图1。

3  固体绝缘技术
3.1  固体绝缘单元化
    以开关设备小型化、轻量化、降低电力损耗为目的，使用固体绝缘技术的部位见图2。由于使用固体绝缘技术的部位具有多个功能，因而削减了零部件个数，减少了发热损失。该产品由包括真空断路器真空灭弧室(VST)在内的主回路部分的VST单元、主母线部分的母线导体单元以及分支部分的分支导体单元等3个单元构成。这3个单元兼备通电、绝缘、支撑、连接4项功能，VST单元构成。这3个单元还具有开断功能。并且，为了最大限度地缩短母线至电缆连接部位的电路长度以减少损失，将VST单元变成与母线单元直接连接的垂直连接结构。
3.2  一体浇注技术
    (1)实现固体绝缘的课题
    VST单元断面图见图3。VST单元为一种用环氧树脂将VST和连接VST的上部导体、下部导体以及VST单元支撑用嵌入金属浇注成一体的固体绝缘单元。因此，用环氧树脂浇注成一体的嵌件材料很多，有铜、不锈钢、陶瓷、黄铜，它们的线性膨胀率与环氧树脂有很大的差异。通常，环氧树脂和线性膨胀率大不相同的嵌件材料浇注后，因线性膨胀率不同，会使残余应力增大，因而在嵌入材料界面上发生剥离及裂纹。这个剥离和裂纹最终将导致绝缘击穿。

    因此，浇注时必须降低这种残余应力。使用热应力解析确定了嵌件材料的最佳形状，计算出内部产生的残余应力，并运用界面处理技术减小了残余应力。
    (2)热应力解析
    对其内部产生的残余应力进行了热应力解析，确定了降低残余应力的结构的及各嵌件材料的形状和环氧树脂厚度。VST单元的热应力解析结果示例见图4，由该解析结果明确了浇注成型时因残余应力最有可能发生剥离的部位是上下陶瓷的端部。

    在进行该解析的同时，为了不改变环氧树脂的材料特性，最大限度地减少陶瓷端部的残余应力，不使界面上发生剥离及裂纹，在环氧树脂和嵌件材料的界面上设有一层应力缓和层。
  (3)界面处理技术
  为了不使界面上发生剥离，应力缓和层对环氧树脂和各嵌件材料双方必须有一定的粘合力。因此，从材质上，对2种粘接剂进行了比较、研究。一种是具有吸收膨胀与收缩等热变形特性的弹性粘接剂，另一种是一个分子中具有不同反应性能的2种功能团，相对于有机、无机材料发生化学结合的有机硅烷偶合剂。针对这2种材质，通过粘接性能评价试验，测量了应力缓和层的断裂强度。为了确定浇注成型后，热循环试验和热冲击试验后的界面有无出现剥离和裂纹，通过局放试验测量了电晕熄灭电压。
    陶瓷和环氧树脂间、不锈钢和环氧树脂问分别涂敷弹性粘接剂和有机硅烷偶合剂时的断裂强度见图5。该试验结果表明，与热应力解析获得的最大残余应力值相比，弹性粘接剂以及有机硅烷偶合剂均有较高的断裂强度值。并且，有机硅烷偶合剂的断裂强度还高于弹性粘接剂。

    在环氧树脂和嵌件界面上涂敷弹性粘接剂、有机硅烷偶合剂时的局部放电试验结果见图6。

    局部放电试验分别是在浇注成型后、热循环试验后和热冲击试验后共进行了3次，测量了电晕熄灭电压。试验结果表明，双方的界面均未发生剥离及裂纹，有机硅烷偶合剂的偏差小于弹性粘接剂，电晕熄灭电压值较高。
    根据以上粘接性能评价试验以及局放试验结果，采用了具有较强粘接力的有机硅烷偶合剂作为最佳应力缓和层材料。在使用有机硅烷偶合剂中，明确了有机硅烷偶合剂的稀释浓度及膜厚、着色添加剂量对界面破坏强度的影响，适当地进行了嵌件表面处理。
4  复合电流互感器及数字式保护继电器
    从原来的12种单个额定电流互感器中，选择使用了测量电流为60~600A范围。开发出了用1种额定电流比的复合电流互感器，可以实现该范围的大量程化，且与零序电流互感器一体化。还开发出了与此相应的数字式保护继电器。
    (1)复合电流互感器
    大量程电流互感器和履带式零序电流互感器一体浇注的复合电流互感器外观见图7。大量程化通过用高导磁率且线性良好的硅钢板卷绕铁心和环形线圈来实现，与专用数字式保护继电器相适应，因此，体积缩小到本公司现有产品的1/10。该测量用电流互感器大量程化后，在增加生产设备等时无需对它进行更换。

    (2)数字式保护继电器
    数字式保护继电器是将电磁机械式及模拟静止式保护继电器无法实现的过电流保护及过电压保护等不同保护功能一体化，并将原来安装在面板上的测量仪表及指示仪、操作开关等复合在l台装置上。数字式保护继电器(Me22)的外观见图8。

    通过将该数字式保护继电器的自动检查功能和受配电监视系统组合在一起，从而操作1台计算机就可以实施许多保护继电器的特性试验。这样一来，节省了试验时间，减少了一半的维护作业时间，将检修周期从3年延长至6年，实现了省力化维护，降低了设备寿命成本。
5  结语
    介绍了开发的7.2kV复合绝缘开关设备MS-S的固体绝缘技术、复合电流互感器以及数字式保护继电器。今后，电气设备用元件将向高密度、适应环境方面发展，并推进长期实时监视。作为电气设备本身，还必须更进一步地实现小型化、省力化，降低使用寿命成本和环境负荷。