簡介
固體絕緣開關設備中的表面屏蔽技術是中壓變電站工程中最重要且最不為人所了解的設計元素之一 - 半導體或金屬接地屏蔽應用於開關設備的外表面。 環氧樹脂1 封裝匯流排和開關模組，可控制 電場分布2 在固體絕緣邊界提供觸摸安全、零電壓的外表面，使 SIS 開關裝置在人員安全方面與其他所有中壓開關裝置技術有根本性的不同。然而，在數百個變電站升級專案的專案規格、選擇指南和採購評估審查中，同樣的一組有關表面遮蔽的工程錯誤觀念一再出現 - 這些錯誤觀念導致錯誤的 SIS 開關設備規格、不充分的安全評估，以及表面遮蔽系統因安裝錯誤而受到損害的現場安裝，從而消除了該技術的安全和絕緣性能優點。. 工程師對 SIS 開關裝置表面屏蔽最常犯錯的地方，是將接地外屏視為被動的機械塗層，而非主動的電場控制系統，其完整性、連續性和正確的接地連接對開關裝置的介電性能和人員安全而言，與主絕緣本身同樣重要。. 本指南針對變電站設計工程師、電氣安全主任，以及負責高壓變電站應用中 SIS 開關裝置選型與安裝的採購經理，以選型指南文獻鮮少提供的精確技術，糾正有關表面遮蔽技術的五個最嚴重誤解。.
目錄
- 什麼是 SIS 開關裝置表面遮蔽技術，以及它如何控制電場分佈？
- 關於表面遮蔽效能的五個最具影響力的工程誤解是什麼？
- 如何正確指定高壓變電所專案中 SIS 開關設備的表面屏蔽要求？
- 哪些安裝和維護錯誤會損害使用中的表面防護完整性？
什麼是 SIS 開關裝置表面遮蔽技術，以及它如何控制電場分佈？
SIS 開關設備中的表面屏蔽是應用於環氧樹脂封裝模組外表面的導電層或半導電層系統，可同時發揮兩種相互依存的功能：控制固體絕緣內的電場分佈，以防止應力集中在環氧樹脂與空氣邊界，並提供連續接地的外表面，以消除高壓下未屏蔽固體絕緣模組外表面可能出現的電容耦合電壓。.
表面遮蔽可解決的電場問題
在沒有表面遮蔽的情況下，24 kV 的固體環氧樹脂絕緣模組外表面將帶有電容耦合表面電壓，該電容耦合表面電壓由高壓導體與接地開關設備外殼之間形成的電容分壓器決定：
對於具有典型幾何形狀的 24 kV 相電壓 (13.9 kV) 環氧模組而言，此電容耦合表面電壓可達 2-6 kV - 足以對接觸外表面的人員產生危險的電擊，並足以在局部電場超過環氧表面空氣局部放電啟動電壓的表面不規則處啟動局部放電。.
表面屏蔽系統架構
SIS 開關裝置表面遮蔽有兩種主要配置：
- 半導體塗層3 盾牌： 應用於封裝模組外表面的含碳環氧樹脂或矽樹脂塗層 - 表面電阻率 10³-10⁶ Ω/平方；透過半導體層提供與大地的連續電容耦合；具成本效益，適用於 12-24 kV 應用環境
- 金屬螢幕保護罩： 連續的銅箔或鋁箔或網狀篩網嵌入或應用在環氧模組的外表面，並與開關接地棒連接 - 提供外表面的零阻抗接地；在半導體塗層上的電容耦合表面電壓超過安全觸摸電壓限制的 40.5 kV 及以上電壓時需要使用
表面防護系統的主要技術參數
| 參數 | 半導體塗層 | 金屬螢幕 |
|---|---|---|
| 表面電阻率 | 10³-10⁶Ω/square | < 0.1 Ω/平方 |
| 接地連接 | 電容式 (分散式) | 直接（保稅） |
| 額定電壓下的觸摸電壓 | < 50 V AC (IEC 61140) | < 1 V AC |
| 電壓等級適用性 | 12-24 kV | 12-40.5 kV |
| 損害敏感度 | 磨損 - 塗層去除 | 機械 - 螢幕不連續 |
| 符合 IEC 62271-200 標準 | 塗層完好的類型測試 | 類型測試與屏幕粘合 |
管理安全標準
IEC 611404 - 防觸電 - 定義了在所有正常操作條件下，表面屏蔽系統必須在 SIS 開關裝置模組外表面維持的 50 V AC 觸碰電壓限制。表面遮蔽系統是實體絕緣開關裝置符合 IEC 61140 規範的工程控制 - 沒有它，SIS 開關裝置的外表面在中等額定電壓下是不安全的。.
關於表面遮蔽效能的五個最具影響力的工程誤解是什麼？
這五種錯誤觀念出現在各個地區變電站專案的專案規格、安裝程序和維護記錄中 - 每種錯誤觀念都會產生特定、可預測的故障模式，而正確瞭解表面遮蔽技術就能避免這種故障模式。.
誤解 1 - 「表面防護層只是油漆塗層」“
最普遍的錯誤觀念是將半導體或金屬表面保護層視為外觀或機械保護塗層 (相當於開關設備面板外殼上的油漆)，而非其完整性與主絕緣同樣重要的功能性電氣元件。.
結果 在日常維護過程中，維護人員會打磨、磨損或在半導體塗層的損壞區域上塗上不導電的修補漆 - 在環氧表面上產生非屏蔽斑塊，在這些斑塊上，電場會恢復到不受控制的分佈，局部場應力會超過 局部放电5 在 24 kV SIS 模組表面上的 50 mm² 非屏蔽補丁，在補丁邊緣會產生 4-8 kV/mm 的局部電場應力，遠高於 PD 觸發臨界值 1-2 kV/mm。24 kV SIS 模組表面上的 50 mm² 非屏蔽補丁在補丁邊緣產生 4-8 kV/mm 的局部電場應力 - 遠高於環氧樹脂表面空氣 1-2 kV/mm 的 PD 啟始臨界值。.
錯誤觀念 2 - 「表面屏蔽接地是低電壓等級的選項」“
有些工程師指定使用 12 kV 的 SIS 開關裝置，而不要求表面屏蔽接地連接至開關裝置接地棒 - 理由是較低的電壓等級會產生較低的電容耦合表面電壓，「可能已經夠安全了」。“
結果 IEC 61140 並無針對觸摸電壓限制的電壓等級豁免 - 50 V AC 是無論系統電壓如何的限制。一個 12 kV 的 SIS 模組，如果沒有連接半導體塗層遮罩，在正常操作條件下，其表面電壓為 0.8-2.5 kV - 是 IEC 61140 觸控電壓限制的 16-50 倍。大概足夠安全 “的評估並非工程計算，而是消除表面屏蔽系統的主要人員安全功能的假設。.
錯誤觀念 3 - 「不連續的金屬屏蔽仍可提供足夠的遮蔽效果“
指定 40.5 kV 金屬屏蔽 SIS 開關設備的工程師有時會接受模組接頭、電纜入口點或機械損壞位置的屏蔽連續性缺口，理由是屏蔽覆蓋「大部分」表面並提供「大部分」屏蔽效益。.
結果 電場遮蔽並非螢幕覆蓋範圍的比例函數 - 連續金屬螢幕上 10 mm 的間隙會在間隙位置集中全部未遮蔽的電場。40.5 kV SIS 模組中的屏蔽間隙處的電場應力達到 15-25 kV/mm，足以在間隙處啟動空氣中的局部放電，侵蝕環氧樹脂表面，並在 500-2000 小時的運行時間內演變為追蹤故障。.
客戶案例： 中國江蘇省一家 EPC 承包商的變電站設計工程師聯絡了 Bepto，原因是一塊 35 kV SIS 開關面板在調試後 8 個月內，在封裝母線模塊表面出現了可見的軌跡。故障後的檢查發現，在兩段封裝母線的接合處有 15 mm 的紗網連續性缺口 - 該缺口是在安裝過程中產生的，當時安裝團隊遺漏了模組接合處的紗網接合膠帶。追蹤通道從間隙邊緣向電纜終端延伸了 35 mm。Bepto 的技術團隊指定了正確的螢幕連續性接合程序，並為維修提供了替換的接合膠帶和導電膠。經修復的裝置已運作 30 個月，未再發生任何問題。.
錯誤觀念 4 - 「表面屏蔽消除了局部放電測試的需要」“
某些 SIS 開關設備的採購規格省略了局部放電試用測試，理由是表面遮蔽系統「可防止局部放電」 - 將表面遮蔽功能 (控制外部電場分布) 與主要絕緣功能 (防止環氧樹脂鑄件內部的局部放電) 混為一談。.
結果 表面屏蔽可控制環氧樹脂與空氣邊界的電場 - 但無法防止環氧樹脂鑄件內部的空隙、脫層或內含物的局部放電。SIS 開關設備中的內部局部放電無法透過目視檢查檢測出來，也無法透過表面屏蔽的完整性來防止 - 它需要 IEC 60270 在 1.5× U0 下進行局部放電測量才能檢測出來。根據表面屏蔽的存在而省略局部放電試運測試，會使內部鑄件缺陷無法被檢測出來。.
錯誤觀念 5 -「所有 SIS 開關設備表面屏蔽系統都是相同的“
工程師在選擇不同製造商的 SIS 開關裝置產品時，有時候會將表面遮蔽視為標準功能 - 假設任何標有「SIS」與「表面遮蔽」的產品都能提供同等的電場控制與觸控安全效能。.
結果 不同製造商的表面遮蔽系統設計、材料規格和 IEC 類型測試驗證有顯著差異 - 表面電阻率為 10⁷ Ω/平方 (可接受範圍的上限) 的半導體塗層所提供的電場控制遠低於 10³ Ω/平方的塗層，而在模組接合處非連續接合的金屬熒幕所提供的保護遠低於連續接合的熒幕。如果不要求製造商提供 IEC 62271-200 類型測試報告，其中包括屏蔽系統就位時的表面電壓測量，規格就無法驗證產品是否符合 IEC 61140 的觸電電壓規範。.
如何正確指定高壓變電所專案中 SIS 開關設備的表面屏蔽要求？
步驟 1：定義電氣與安全需求
根據專案的電氣和安全要求建立表面屏蔽規格參數：
- 系統電壓： 決定最低屏蔽類型 - 在 12-24 kV 下可接受半導體塗層；在 40.5 kV 下需要金屬屏蔽
- 觸控電壓限制： 指定符合 IEC 61140 - 在額定工作電壓下，任何可觸及的外表面最大 50 V AC
- 人員存取頻率： 高頻人員進出 (日常巡檢路線鄰近帶電的 SIS 模組) 需要在所有電壓等級下使用金屬屏蔽 - 與半導體塗層相比，阻抗較低的接地連接提供了更大的安全餘量
步驟 2：考慮變電站環境條件
- 室內氣候控制變電站： 半導體塗層屏蔽可接受 - 穩定的溫度和濕度可防止塗層降解
- 戶外或不受控制環境的變電站： 指定金屬熒幕屏蔽 - 紫外線輻射、熱循環和濕氣會比金屬熒幕更快降解半導體塗層
- 高污染變電站 (SPS Class III/IV)： 具有密封模組接縫的金屬熒幕 - 可防止導電污染在模組介面橋接熒幕間隙
步驟 3：匹配標準和認證
要求提交評估的每個 SIS 開關裝置產品進行以下驗證：
| 認證要求 | 規格條款 | 驗證文件 |
|---|---|---|
| IEC 62271-200 類型測試 | 完整的型式測試，包括表面電壓量測 | 原始測試報告 - 非摘要證書 |
| 符合 IEC 61140 觸控電壓規範 | 額定電壓時，表面電壓 ≤ 50 V AC | 型式測試報告中的測量資料 |
| 半導體塗層的電阻率 | 10³-10⁶Ω/square | 製造商材料測試證書 |
| 金屬螢幕連續性 | 模組接頭處的零間斷 | 工廠檢驗記錄 |
| 局部放電測試 | < 10 pC，在 1.5× U0 時 | IEC 60270 測試報告 |
子應用方案
- 城市配電變電站： 金屬螢幕 SIS - 人員存取頻率高；小巧的佔地面積是關鍵；觸控安全性在公共區域裝置中是不可或缺的。
- 工業廠房變電站： 半導體塗層 SIS，12-24 kV - 受控存取；穩定的室內環境；成本優化，適用於大面板數量
- 可再生能源集電變電站： 35 kV 的金屬屏蔽 SIS - 戶外或半戶外安裝；維護間隔長；屏蔽耐用性超過 25 年資產壽命
- 高海拔變電站 (> 1,000 公尺)： 金屬絲網 SIS - 降低的空氣密度會增加塗層不連續處的表面 PD 風險；金屬絲網可消除表面的氣隙 PD 起因
哪些安裝和維護錯誤會損害使用中的表面防護完整性？
安裝與維護步驟
- 安裝前屏蔽完整性檢查： 安裝前檢查所有封裝模組表面是否有塗層損傷或篩網不連續 - 拒絕任何可見塗層磨損 > 25 mm² 或篩網間隙 > 5 mm 的模組；用照片記錄檢查結果
- 模組接縫處的絲網接合： 在所有模組與模組接合處使用製造商指定的導電膠帶 - 確認接合處兩側的膠帶重疊度 ≥ 50 mm；在面板組裝前使用校準的低阻抗歐姆錶測量接合電阻 < 1 Ω。
- 接地連接驗證： 確認使用製造商指定的導體與開關裝置接地棒進行表面屏蔽接地連接，並將其扭轉至指定值 - 測量接地連接電阻 < 0.5 Ω；記錄在安裝調試記錄中
- 調試時的觸摸電壓測量： 在額定工作電壓下，使用高阻抗電壓錶測量所有可觸及的封裝模組表面電壓 - 確認所有表面電壓 < 50 V AC；任何表面電壓超過 50 V AC，必須立即檢查屏蔽連續性和接地連接，才允許人員進入
要消除的常見錯誤
- 錯誤 1 - 使用非導電性塗料或環氧填料修復損壞的半導體塗層： 任何應用於損壞塗層區域的修補材料，其表面電阻率都必須在 10³-10⁶ Ω/平方英寸的規格範圍內 - 僅使用製造商提供的導電修補化合物；非導電修補會產生一個會啟動 PD 的非屏蔽修補區。
- 錯誤 2 - 安裝時遺漏模組接縫處的紗網黏合膠帶： 模組接頭接合膠帶並非選購的硬體 - 它是防止螢幕間隙 PD 故障模式的連續性元件；遺漏使用它是造成早期 SIS 開關裝置表面追蹤故障的最常見安裝錯誤。
- 錯誤 3 - 使用標準萬用表執行觸摸電壓測量： 標準萬用表的輸入阻抗為 10 MΩ - 不足以準確測量半導體塗層屏蔽上的電容耦合表面電壓；使用高阻抗靜電電壓表 (> 1 GΩ 輸入阻抗) 測量半導體塗層屏蔽模組上的觸摸電壓。
第二個客戶案例： 中國山東一家區域電網運營商的採購經理聯繫了Bepto，要求評估兩款相互競爭的SIS開關設備提案，用於10 kV城市配電變電站的升級--兩款產品在製造商的市場資料中均標示為 「表面屏蔽SIS」。Bepto 的評估要求提供兩種產品的 IEC 62271-200 型式測試報告，並發現其中一家製造商的報告包含表面電壓測量資料，確認在額定電壓下有 38 V AC - 符合 IEC 61140。第二家製造商的報告則沒有表面電壓測量數據 - 型式測試是在沒有表面屏蔽接地連接的情況下進行的，因此觸控安全性能無法驗證。Bepto 推薦該認證產品；電網營運商採用 IEC 61140 表面電壓測量要求作為未來所有 SIS 開關設備採購的強制性採購規格條款。.
總結
SIS 開關裝置中的表面遮蔽技術並非被動的塗層 - 它是一個主動的電場控制系統，其完整性、連續性和正確的接地連接既決定了固體絕緣的介電可靠性，也決定了開關裝置對在變電站工作的每個人的觸摸安全性。本指南中糾正的五個錯誤觀念 - 將屏蔽視為表面處理、在較低電壓等級時省略接地、接受屏蔽的不連續性、以屏蔽取代 PD 測試，以及假設所有 SIS 屏蔽系統都是等效的 - 每個都會產生特定的、可預防的故障，而正確的規格和安裝規範則可消除這些故障。. 要求提供 IEC 62271-200 型式測試報告，其中包含確認符合 IEC 61140 規範的表面電壓量測數據；指定 40.5 kV 和高存取頻率應用的金屬屏蔽；強制在每個模組接合處安裝屏蔽接合帶；在試運行時驗證接地連接電阻；以及在允許人員存取之前，量測每個可觸及表面的觸電電壓 - 因為正確指定、完整安裝並在試運行時驗證的表面屏蔽系統，才能提供 SIS 開關設備所設計的高壓變電站安全效能。.
關於 SIS 開關設備表面屏蔽技術的常見問題
問：根據 IEC 61140，在正常操作條件下，SIS 開關設備封裝模塊外表面的最大允許觸電電壓是多少？
A: IEC 61140 規定最大觸控電壓為 50 V AC - 金屬屏蔽與直接接地可在 40.5 kV 的電壓下達到 < 1 V AC；單是半導體塗層在 40.5 kV 的電壓下，在沒有輔助金屬屏蔽的情況下，通常會超過 50 V 的限制。.
問：為什麼在 35 kV SIS 開關模組的金屬屏上有 10 mm 的間隙會代表嚴重的安全和絕緣可靠性缺陷，而不是可接受的輕微安裝瑕疵？
A: 10 mm 的篩網間隙將全非屏蔽電場集中在間隙位置 - 在 35 kV 的電壓下，局部電場應力達到 15-25 kV/mm，在間隙處的空氣中產生局部放電，侵蝕環氧表面，並在 500-2,000 工作小時內發生追蹤故障。.
問：SIS 開關設備上的半導體塗層遮罩必須維持多大的表面電阻率範圍，才能在 12-24 kV 中壓額定電壓下提供有效的電場控制？
A: 10³-10⁶ Ω/square - 低於 10³ Ω/square 時，塗層接近金屬導電性，可能會產生循環電流；高於 10⁶ Ω/square 時，分佈式電容接地不足以控制中等額定電壓下的表面電場應力。.
問：在 SIS 開關裝置上安裝了正確接地的表面屏蔽系統，是否就不需要在通電前進行 IEC 60270 局部放電調試測試？
A: 否 - 表面屏蔽僅能控制外部磁場分佈；並不能防止環氧樹脂鑄件空隙或脫層中的內部 PD；無論表面屏蔽是否完整，都必須以 1.5× U0 進行 IEC 60270 PD 測量，以檢測鑄件內部缺陷。.
問：量測半導體塗層屏蔽 SIS 開關設備模組上的觸電電壓必須使用什麼儀器？
A: 需要使用輸入阻抗 > 1 GΩ 的高阻抗靜電電壓表 - 10 MΩ 輸入阻抗的標準萬用表會對電容耦合表面電壓進行加載，並讀取人為的低值，從而在未屏蔽或接地不良的表面上錯誤顯示符合 IEC 61140 規範。.
