何謂固體絕緣開關裝置技術

簡介

數十年來，中電壓開關設備的絕緣介質選擇實際上是二選一的：空氣或銅。 SF6 氣體¹. .空氣絕緣開關設備需要佔用大量空間，並需要定期維護。SF6 氣體絕緣開關設備提供了緊湊型和高性能，但卻引入了一種強烈的溫室氣體，其全球升溫潛力是 CO₂的 23,500 倍 - 這種負擔隨著環境法規的收緊而日益加重。.

固體絕緣開關裝置技術以鑄造技術取代氣隙和 SF6 氣體。 環氧樹脂² 作為主要絕緣介質 - 將帶電導體、母線和開關元件包覆在固體電介質材料中，具有優異的抗污染能力，消除了氣體管理要求，與 AIS 相比，最多可減少 50% 的安裝空間，並提供 30 年使用壽命的免維護絕緣系統。.

對於設計二次變電站、工業電力系統和可再生能源中壓基礎設施的電氣工程師而言，固體絕緣開關裝置技術代表了中壓絕緣工程設計方式的根本性轉變 - 不是現有氣體或空氣技術的逐步改進，而是具有獨特性能特性、環保認證和生命週期經濟性的不同絕緣理念。瞭解什麼是固態絕緣開關裝置技術、它如何運作，以及它在哪些方面優於其他替代技術，是每項規格完善的現代中壓開關裝置採購的基礎。.

這篇文章提供固體絕緣開關裝置技術的完整技術參考 - 從絕緣物理學和材料科學到系統架構、應用選擇，以及整個中壓配電範圍的維護要求。.

目錄

• 什麼是固體絕緣技術，以及它如何應用於中壓開關器？
• 在關鍵參數方面，SIS 開關裝置的性能與 AIS 和 GIS 相比如何？
• 如何針對您的應用指定和選擇實心絕緣開關裝置？
• SIS 開關裝置的安裝、維護和生命週期要求為何？

什麼是固體絕緣技術，以及它如何應用於中壓開關器？

固體絕緣開關設備技術是應用澆鑄固體絕緣材料 (主要是環氧樹脂化合物) 作為開關設備組件內所有中壓帶電導體、母線和開關元件介面周圍的主要絕緣介質。與空氣絕緣（依賴實際間隙距離）或氣體絕緣（依賴加壓 SF6 來實現介電強度）不同，固體絕緣是透過封裝材料本身的固有分子結構來實現其介電性能。.

固體介質絕緣的物理學

在任何絕緣系統中，介電強度是材料在擊穿之前可承受的最大電場 - 電荷載體加速穿過材料，形成導電路徑並導致災難性故障的點。絕緣介質的介電強度決定了帶電導體與接地結構以及導體之間的距離，這直接決定了設備的物理尺寸。.

比較介電強度：

• 空氣（1 bar，均勻場域）： 30 kV/cm
• SF6 (3 bar)： ~220 kV/cm
• 澆鑄環氧樹脂 (APG)： 180-200 kV/cm（體積）；在有適當場域分級的表面上有效地不受任何限制

澆鑄環氧樹脂的體積介電強度接近於加壓 SF6 - 這就是為什麼 SIS 開關裝置不需要任何加壓氣體系統就能達到與 GIS 相媲美的緊湊度。更重要的是，固體絕緣消除了在污染環境中限制空氣絕緣設備的表面閃爆失效模式：固體環氧表面不會像空氣間隙絕緣表面那樣被空氣中的顆粒、濕氣或凝結物污染。.

自動壓力凝膠化 (APG) - 製造技術

SIS 開關設備中的固體絕緣體是由自動壓力凝膠化 (APG) 製造而成 - 這是一種精密的鑄造製程，在可控壓力下將液態環氧樹脂化合物注入裝有導體組件的加熱模具中，然後在精確的溫度和壓力條件下固化樹脂，以製造出無空隙、無氣泡的固體絕緣體。.

APG 製程關鍵參數：

• 樹脂系統： 環脂族環氧樹脂，含酸酐硬化劑和三水氧化鋁 (ATH) 填充物，可增強耐電弧性及熱穩定性
• 模具溫度： 凝膠化期間 130-160°C；受控以防止熱應力開裂
• 射出壓力： 3-8 巴以消除空隙並確保導體完全封裝
• 固化週期： 在升高的溫度下固化 4-8 小時；然後在 140°C 下進行後固化，以獲得尺寸穩定性
• 品質控制： 每個鑄件都經過 局部放电³ 測試 (< 5 pC at 1.5 × Um) 以驗證無空隙絕緣

澆注環氧絕緣體中的空隙是主要的品質失效模式 - 直徑小至 0.1mm 的空隙會產生局部放電起始點，在工作電壓下逐步侵蝕周圍的絕緣體，最終導致絕緣體失效。APG 製程若控制得宜，可在整個凝膠化過程中維持正壓，防止樹脂固化時形成收縮空洞，從而消除空洞。.

固體絕緣系統中的電場分級

在幾何不連續性（導體邊緣、連接界面和絕緣邊界）上，即使平均電場在極限之內，電場也會集中到超過局部介電強度的水平。固體絕緣 SIS 設計使用兩種技術來管理電場集中：

幾何場分級：
導體邊緣和端接介面的設計具有可控制的半徑（MV 應用中最小為 3-5mm），以便將電場分散到更大的表面區域，從而降低峰值電場強度，使其低於局部放電閾值。.

電阻或電容場分級層：
在固體絕緣元件之間的介面 - 匯流排接點、電纜終端和中斷器連接處 - 應用半導體或電容分級材料的場分級層，以重新均勻地在介面上分佈電場梯度，防止場集中在接點邊界。.

SIS 開關設備系統架構

完整的 SIS 開關設備面板整合了所有主要絕緣功能的固體絕緣技術：

• 環氧樹脂封裝母線： 三相母線完全包覆在澆鑄環氧樹脂中，消除了相對地的空氣間隙要求
• 固體絕緣電流互感器 (CT)： 環形 CT 直接澆鑄在封裝母線上 - 無需單獨的 CT 安裝或空氣間隙
• 環氧樹脂封裝電纜終端： 插入式或螺栓固定式電纜介面，配備預先成型的應力錐，提供從電纜到匯流排的現場等級固體絕緣連續性
• 真空中斷器⁴ 組裝： 開關元件 - 每相真空中斷器 - 安裝在堅固的絕緣結構中，環氧樹脂封裝提供機械支撐和對地的主要絕緣。
• 磁性致動器機構： 永磁致動器 (PMA) 操作機制提供 M2 機械耐久性與密封免維護結構

主要固體絕緣材料特性

財產	澆鑄環氧樹脂 (APG)	空氣 (參考)	SF6 (3 bar)
介電強度（體積）	180-200 kV/cm	30 kV/cm	~220 kV/cm
相對誘電率 (εr)	3.5-4.5	1.0	1.006
溫度等級	華氏 (155°C)	—	—
耐污染性	極佳（密封表面）	差（表面污染）	極佳 (密封)
局部放電啟動	> 1.5 × Um（無空隙）	不適用	> 1.5 × Um
熱傳導	0.2-0.8 W/m-K	0.026 W/m-K	0.014 W/m-K
抗電弧能力 (IEC 61621)	> 180 秒	不適用	不適用
溫室氣體影響	無	無	GWP 23,500

在關鍵參數方面，SIS 開關裝置的性能與 AIS 和 GIS 相比如何？

相較於 AIS 和 GIS，固體絕緣開關設備具有獨特的性能 - 結合了真空技術的環保特性和維護簡便性，以及接近 GIS 的緊湊性，在 12-40.5kV 範圍內的中壓配電應用中，其生命週期成本通常低於這兩種替代方案。.

佔地面積與空間效率

SIS 開關設備透過消除空氣間隙距離，實現了緊湊的佔地面積。在 AIS 中，12kV 時 IEC 62271-1 所要求的最小相間和相地間隙為：

• 相對地間隙（空氣）： 最小 120mm
• 相間間隙（空氣）： 最小 160mm

在 SIS 中，這些間隙被介電強度為 180-200 kV/cm 的固體環氧絕緣所取代 - 在 12kV 下，所需的絕緣厚度減少至 8-15mm。因此，與同等的 AIS 相比，面板寬度減少了 40-60%，深度減少了 30-50%。.

典型面板尺寸比較 (12kV, 630A, 25kA)：

參數	AIS	GIS	SIS
面板寬度	800-1,000mm	500-650 公釐	400-550 公釐
面板深度	1,200-1,600 公釐	800-1,000mm	600-800 公釐
面板高度	2,200 公釐	2,000 公釐	1,800-2,000 公釐
每塊面板的樓地板面積	0.96-1.60 m²	0.40-0.65 m²	0.24-0.44 m²
相對足跡	100% (參考)	~45%	~30%

維護要求

SIS 開關裝置的密封結構 - 堅固的環氧絕緣，無空隙污染，無 SF6 氣體監控，真空中斷器無內部維護通道 - 產生了與 AIS 或 GIS 完全不同的維護特性：

AIS 維護要求：

• 年度：絕緣表面清潔；接觸電阻測量
• 3 年：弧形滑道檢查與清潔；機構潤滑
• 5 年：全面檢修；接點更換評估
• 故障後：立即進行電弧槽檢查；絕緣表面淨化

GIS 維護需求：

• 6 個月：SF6 壓力檢查；洩漏檢查
• 1 年：氣體水分和純度分析
• 3 年：全面氣體分析；接觸電阻檢查
• 故障後：氣體品質分析；重新通電前的分解產物檢查

SIS 維護需求：

• 年度：觸點電阻測量；操作時間檢查；目視檢查
• 3 年：功率頻率高電壓測試；局部放電量測
• 5 年：觸點行程測量；全面電氣驗證
• 故障後：Hi-pot 測試 + PD 量測 + 接觸電阻

省去弧槽維護、SF6 氣體管理和絕緣層表面清潔後，在 25 年的使用壽命內，SIS 的年度維護成本比 AIS 減少 60-75%，比 GIS 減少 40-55%。.

環境績效

SIS 開關設備的環保認證是其技術選擇的直接結果：

• 零 SF6： 無溫室氣體含量、無 F-Gas 法規義務、無認證氣體處理人員要求、無廢氣回收成本
• 無電弧氣體： 真空滅弧不會產生有毒的分解產物 - 切換操作期間不會產生 SOF₂、SO₂F₂ 或 HF
• 減少材料體積： 相較於 AIS，緊湊型設計每額定 MVA 使用較少的鋼、銅和絕緣材料
• 壽終後可回收： 環氧樹脂封裝可以機械方式與銅導體分離，以回收材料；無需處理有害氣體

完整效能比較：SIS vs. AIS vs. GIS

參數	AIS	GIS (SF6)	SIS (真空)
電壓範圍	12-40.5kV	12-1,100kV	12-40.5kV
相對足跡	100%	~45%	~30%
電弧淬火介質	空氣	SF6	真空
絕緣介質	空氣	SF6	固體環氧樹脂
耐污染性	貧窮	極佳	極佳
維護頻率	高	中型	低
SF6 溫室氣體含量	無	有 (GWP 23,500)	無
電氣耐力	E1 標準	E1-E2	E2 標準
機械耐力	M1 標準	M1-M2	M2 標準
生命週期成本 (25 年)	中型	中-高	低
適用環境	室內清潔	室內/室外	室內/嚴苛

客戶案例：SIS 開關設備解決空間與環境規範的挑戰

一位負責監督西歐製藥園區 24kV 二次變電站升級的採購經理，同時因兩項限制因素與 Bepto 聯繫：可用的變電站機房比要更換的現有 AIS 設備的佔地面積小 35%，而且園區環保政策禁止在新安裝中使用任何含 SF6 的設備 - 因此 GIS 無法成為選項。.

在指定使用 Bepto 的 SIS 開關設備與固體環氧絕緣和真空斷路器之後，工程團隊在可用的機房空間內安裝了完整的 24kV 開關設備陣容 - 八個饋電器面板和母線部分，並留有 15% 的間隙。零 SF6 設計完全符合校園環保政策，密封式固體絕緣結構除了接觸電阻測量之外，無需每年進行維護，這對於變電站存取需要無塵室規範的製藥廠而言，是一項重大的營運優勢。.

如何針對您的應用指定和選擇實心絕緣開關裝置？

要正確指定 SIS 開關設備，需要對電氣需求、環境條件、空間限制、維護能力和法規責任進行系統性評估，並特別注意絕緣系統驗證要求，以區別真正的固體絕緣性能與市場聲稱。.

步驟 1：定義電氣需求

• 額定電壓： 12kV、24kV 或 40.5kV - 確認 BIL (75 / 125 / 185kV) 與系統絕緣協調相符
• 額定正常電流： 630A、1250A 或 2500A - 在最高環境溫度（標準 40°C；上述降額）下驗證熱額定值
• 短路額定值： 16kA、20kA、25kA 或 31.5kA - 確認短路分斷電流 (真空灭弧室) 和短時間耐受電流 (母線和外殼)
• 耐力等級： 指定 M2/E2 用於所有自動或頻繁切換應用；在型式測試證書中驗證兩個等級
• 特殊交換職務： 確認電容、電感或馬達切換需求；確認真空中斷器的特殊工作額定值

步驟 2：驗證絕緣系統品質

• 局部放電測試： 要求出廠時每個澆鑄環氧元件的 PD 測試證書為 1.5 × Um/√3；PD < 5 pC 確認絕緣無空隙
• 介質類型測試： 確認 IEC 62271-1 所規定的電源頻率和雷擊脈衝耐壓測試是在完整的面板組件而非個別元件上進行的
• 絕緣電阻： 出廠驗收要求 IR 量測 > 1,000 MΩ (2.5kV DC)，相間及相對地電壓為 2.5kV
• 熱循環測試： 對於溫度變化較大的裝置，請確認絕緣系統在指定的溫度範圍內沒有開裂或分層。

步驟 3：匹配標準和認證

• IEC 62271-200⁵: 金屬封閉式中壓開關裝置 - 完整 SIS 面板組裝的主要標準
• IEC 62271-100： 真空斷路器類型測試 - 短路分斷、負載分斷和耐久性
• IEC 62271-1： 常見規格 - 介電體耐壓、溫升、機械耐久性
• IEC 61641： 內部電弧測試 - 指定 IAC 分級 (AFL / AFLR) 以保障人員安全
• IEC 60270： 局部放電量測 - 指定用於絕緣品質驗證的局部放電接受等級
• GB/T 11022 / GB/T 3906： 中國高壓開關組件國家標準

應用場景

• 城市次級變電站： SIS 適用於空間有限的市中心安裝，佔地面積小；零 SF6 符合環保要求
• 工業 MV 變電站： 用於化學、製藥、食品加工和水泥廠的 SIS - 密閉絕緣，不受侵蝕性氣氛影響
• 可再生能源 MV 收集： 用於太陽能和風力發電場饋電切換的 SIS - 25 年免維護設計使用壽命與可再生資產生命週期相符
• 資料中心 MV 分佈： 用於關鍵電力基礎設施的 SIS - 最高可靠度、零意外維護、無瓦斯管理複雜性
• 海洋和近海： SIS 配備 IP65+ 外殼，用於平台配電 - 抗鹽霧、抗潮濕，無 SF6 環境風險
• 建築物整合式變電站： 用於商業大樓、醫院和機場內變電站的 SIS - 緊湊、靜音、零氣體排放

SIS 開關裝置的安裝、維護和生命週期要求為何？

與 AIS 和 GIS 相比，SIS 開關裝置的密封、堅固絕緣結構簡化了安裝和維護工作 - 但它對絕緣系統驗證、母線接頭品質和狀態監控提出了具體要求，要實現該技術的全生命週期性能，必須瞭解並執行這些要求。.

調試前安裝清單

1. 母線接頭扭力驗證 - 所有母線螺栓連接必須使用校準扭力扳手，以符合製造商規格；扭力不足的接頭會造成阻性加熱和絕緣熱應力；扭力過大的接頭會使環氧樹脂封裝開裂。
2. 電纜端子應力錐檢查 - 電纜介面上的預模應力錐必須正確就位且無污染；不當安裝會在電纜與母線介面上造成磁場集中
3. 面板對齊及找平 - SIS 面板在匯流排接合前，必須依照製造商的公差進行對齊與找平；不對齊會造成環氧樹脂匯流排接縫的應力，並可能在熱膨脹下造成開裂。
4. 局部放電驗收測試 - 通電前，根據 IEC 60270，在 1.2 × Um/√3 的條件下對已安裝的完整面板進行 PD 測量；已安裝組件上的 PD > 10 pC 表示有需要調查的接頭或端接缺陷。
5. 絕緣電阻測試 - 以 2.5kV DC 測量相間及相對地的 IR；通電前要求 IR > 1,000 MΩ
6. 真空中斷器 Hi-Pot 測試 - 根據 IEC 62271-100 在開啟的觸點上施加工頻測試電壓；確認運輸和安裝後所有中斷器的真空完整性

SIS 開關設備維護時間表

間隔	行動	接受標準
年度	接觸電阻；操作時間；目視檢查	< 100 μΩ; ±20% of baseline; no damage
3 年	功率頻率高電位（開啟觸點）；PD 量測	無閃電；安裝的 PD < 10 pC
5 年	觸點行程測量；完整電氣驗證	行程 > 最小磨損極限；所有參數符合規格
10 年	全面評估；機制檢查	根據製造商協議
故障後	Hi-pot + PD + 接觸電阻；絕緣熱掃描	完全接受標準

常見的 SIS 安裝與操作錯誤

• 母線接頭扭力不正確 - 最常見的 SIS 安裝缺陷；扭力不足的接頭會導致接觸電阻逐漸增加和熱失控；務必使用校準的扭力工具，並在首次負載時使用熱成像進行驗證
• 省略安裝後的 PD 測試 - 運輸振動和安裝處理會損壞環氧元件或擾亂電纜應力錐；PD 測試是通電前檢測安裝引起的絕緣缺陷的唯一可靠方法
• 將熱噴塗或油漆應用於環氧表面 - 環氧絕緣體表面上的現場塗層會改變表面電阻率，並可能產生局部放電起始點；切勿在工廠完成的環氧絕緣體上塗任何塗層
• 超過額定短路製造電流 - 真空中斷器的額定值為特定的峰值製造電流 (2.5 × Isc)；超過此值會有觸點焊接的風險，導致後續跳脫操作無法進行。

總結

固體絕緣開關裝置技術代表了三項獨立工程技術的進步 - 環氧樹脂絕緣、真空消弧和永磁驅動 - 匯聚成開關裝置系統架構，可同時解決現代中壓配電的空間限制、維護負擔、環保義務和可靠性需求。對於 SIS 技術運作的 12-40.5kV 應用範圍，它提供了令人信服的組合，包括緊湊的佔地面積、零 SF6 環境影響、E2/M2 耐久等級的性能，以及 25 年維護最小化的使用壽命，在所有參數上，AIS 或 GIS 都無法同時與之匹敌。.

在空間有限、環境惡劣、維護進入受限或環境合規禁止使用 SF6 的情況下，請指定使用固體絕緣開關設備 - 並透過局部放電測試來驗證絕緣品質，而不僅僅是額定電壓，因為在固體絕緣技術中，澆注環氧樹脂的品質就是開關設備的品質。.

有關固體絕緣開關裝置技術的常見問題

1. 與 CO2 相比，SF6 氣體具有較高的全球變暖潛力的技術洞察力 ↩

2. 有關澆鑄環氧樹脂的介電強度和熱穩定性的材料科學數據 ↩

3. 用於檢測絕緣空洞和確保長期介電可靠性的診斷方法 ↩

4. 有關真空環境中電弧淬火技術和電氣耐久性的工程細節 ↩

5. 中壓金屬封閉開關裝置組件的官方安全和性能要求 ↩