陳波　許愛(ài)東　韓利群　王俊豐

摘 要：文章首先對(duì)環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備中使用的環(huán)保氣體進(jìn)行介紹，包括SF6混合氣體、干燥空氣和氮?dú)饧捌渌鸖F6替代氣體，然后闡述了環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備在體積、結(jié)構(gòu)、維護(hù)性、安全性和環(huán)境適應(yīng)性等方面的技術(shù)特點(diǎn)，并分別介紹不同環(huán)保氣體開(kāi)關(guān)設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)；同時(shí)，闡述了環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備在絕緣及開(kāi)斷能力、溫升、環(huán)保氣體工業(yè)化生產(chǎn)等方面的技術(shù)難點(diǎn)，最后提出了未來(lái)開(kāi)關(guān)設(shè)備智能化的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備；干燥空氣；氮?dú)猓籗F6混合氣體

1 概述

氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備是堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)中不可或缺的產(chǎn)品，其大量應(yīng)用于電網(wǎng)配電系統(tǒng)中，直接關(guān)系到電網(wǎng)的可靠運(yùn)行。為電網(wǎng)運(yùn)行可靠，提升電網(wǎng)節(jié)能、環(huán)保水平，國(guó)內(nèi)外對(duì)氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行了一系列的研究與生產(chǎn)制造。

氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備在絕緣介質(zhì)的使用上，經(jīng)歷了空氣絕緣，SF6氣體絕緣及環(huán)保氣體絕緣的發(fā)展歷程；在滅弧技術(shù)的使用上，經(jīng)歷了空氣滅弧，SF6滅弧及真空滅弧的過(guò)程；在結(jié)構(gòu)形式上經(jīng)歷了敞開(kāi)式、半封閉及全封閉等階段。

傳統(tǒng)氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備以空氣作為絕緣介質(zhì)，占地面積較大，并且容易受外部環(huán)境的影響，潮濕、臟污等自然條件容易引起設(shè)備的故障。隨著上世紀(jì)70年代第一臺(tái)SF6氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備誕生，由于SF6氣體具有較高的介電強(qiáng)度，絕緣性能良好，且化學(xué)特性穩(wěn)定，在大大減小開(kāi)關(guān)設(shè)備尺寸的同時(shí)，保證了氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備的可靠運(yùn)行，因此采用SF6氣體作為絕緣媒介或主絕緣媒介的開(kāi)關(guān)設(shè)備在國(guó)內(nèi)外得到廣泛的應(yīng)用。但是SF6氣體分解難且為公認(rèn)的溫室氣體，其每個(gè)分子對(duì)溫室效應(yīng)的影響是CO2的23900倍，衰減周期為3200年，對(duì)人類的生存環(huán)境造成極大的潛在威脅；而且SF6氣體作為滅弧介質(zhì)易產(chǎn)生有害物質(zhì)，一旦泄露將危及到相關(guān)人員的身體健康。為減少溫室效應(yīng)，防止環(huán)境污染，國(guó)家發(fā)改委編制《中國(guó)電網(wǎng)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報(bào)告指南》、《氣體絕緣金屬封閉組合電器SF6減排計(jì)量與監(jiān)測(cè)方法學(xué)》，要求各電力公司加強(qiáng)對(duì)CO2及SF6的排放控制。為此，開(kāi)關(guān)制造業(yè)不斷努力進(jìn)行環(huán)境友好型替代氣體的特性、SF6替代絕緣介質(zhì)和無(wú)/少SF6氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜的研究。

目前，氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備中的環(huán)保氣體主要有以下三類：（1）不使用SF6的氣體：清潔干燥空氣及N2；（2）使用少量SF6的混合氣體，如常用的10%SF6和90%N2混合氣體，20%SF6和80%N2混合氣體；SF6混合氣體在開(kāi)關(guān)設(shè)備中僅用作絕緣，通過(guò)真空滅弧室進(jìn)行開(kāi)斷滅弧，限制了SF6的充氣比例或充氣壓力，實(shí)現(xiàn)減小溫室氣體SF6的目的；（3）SF6的替代氣體：如PFC氣體（包括C3F8、C2F6、CF4等），CF3I氣體，但由于這兩類氣體液化溫度高，目前仍未工業(yè)化[1]。隨著環(huán)保氣體理論研究的日益成熟，各類環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備也開(kāi)始研制，并已經(jīng)有部分公司產(chǎn)品通過(guò)了型式試驗(yàn)和掛網(wǎng)運(yùn)行，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)上，性能上，環(huán)保性上都獲得了一致的認(rèn)可。下面將對(duì)環(huán)保氣體金屬開(kāi)關(guān)設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)闡述。

2 技術(shù)特點(diǎn)

環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備以環(huán)保氣體（如少量SF6與N2混合氣體，干燥空氣，N2）為主要絕緣介質(zhì)，使用真空滅弧室作為開(kāi)斷滅弧元件，并將真空滅弧室及一次導(dǎo)電回路固封在環(huán)氧樹(shù)脂殼體或不銹鋼氣箱中。國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)設(shè)備企業(yè)從2004年開(kāi)始研制環(huán)保氣體開(kāi)關(guān)設(shè)備，經(jīng)過(guò)十幾年的努力，已經(jīng)有不少公司研制的產(chǎn)品通過(guò)型式試驗(yàn)和掛網(wǎng)運(yùn)行，目前主要用于中壓領(lǐng)域，如12～72.5kV干燥空氣絕緣開(kāi)關(guān)柜，12kV和40.5kV氮?dú)饨^緣開(kāi)關(guān)柜，24～72.5kV充SF6混合氣體（其中SF6比例最高為50%）的開(kāi)關(guān)柜。通過(guò)10多年的掛網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)歷，將環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備與傳統(tǒng)的空氣絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備以及SF6氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備的各項(xiàng)性能進(jìn)行對(duì)比，將其總結(jié)如下，如表1所示[2]。

通過(guò)表1可以看出，傳統(tǒng)的空氣絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備由于采用空氣作為絕緣介質(zhì)，極易受外部環(huán)境的影響，潮濕、臟污、海拔等情況將對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備產(chǎn)生較大的影響，而且開(kāi)關(guān)設(shè)備體積較大，占地面積較大，不符合小型化的趨勢(shì)。SF6氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備由于采用SF6氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)，使開(kāi)關(guān)設(shè)備的體積減少，且不易受環(huán)境的影響，但由于SF6氣體為溫室氣體，且使用過(guò)程中極易產(chǎn)生有毒物質(zhì)，在設(shè)備的運(yùn)行過(guò)程中需要對(duì)其進(jìn)行泄漏檢測(cè)與防護(hù)。環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備與前兩者相比，將主回路安裝在充滿環(huán)保氣體氣箱內(nèi)，并通過(guò)真空滅弧室進(jìn)行滅弧，使設(shè)備體積小，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；由于沒(méi)有SF6氣體，取消SF6氣體的檢漏設(shè)備和回收裝置，簡(jiǎn)化了檢測(cè)項(xiàng)目，不需對(duì)有毒分解物進(jìn)行檢測(cè)；同時(shí)，環(huán)保氣體開(kāi)關(guān)設(shè)備安全可靠，免維護(hù)，規(guī)?；a(chǎn)后成本較低?？梢?jiàn)，相比而言，環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備在性能上具有較大的優(yōu)勢(shì)，是比較理想的中壓金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備。下面分別對(duì)目前市場(chǎng)上環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備產(chǎn)品中的SF6混合氣體、干燥空氣、氮?dú)饨^緣開(kāi)關(guān)設(shè)備進(jìn)行技術(shù)特點(diǎn)的介紹。

2.1 SF6混合氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備

SF6混合氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備主要絕緣介質(zhì)為不同比例SF6與其他氣體的混合氣體，目前使用較多的為SF6與N2混合氣體（常用的比例為10%SF6和90%N2，20%SF6和80%N2），其通過(guò)少量的SF6氣體保證了足夠的絕緣強(qiáng)度，并利用真空滅弧室滅弧，使環(huán)網(wǎng)柜可以實(shí)現(xiàn)小型化[3]。圖1為上海天靈開(kāi)關(guān)有限公司SF6與N2混合氣體開(kāi)關(guān)設(shè)備，其中SF6占10%，N2占90%，SF6和N2混合氣體僅用作絕緣，真空滅弧室作為開(kāi)斷電流元件，實(shí)現(xiàn)減小SF6氣體使用目的，同時(shí)所有高壓元件密封在不銹鋼氣箱中，保證良好的絕緣性能和環(huán)境適應(yīng)能力。

SF6混合氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備主要優(yōu)缺點(diǎn)如下：

（1）SF6混合氣體作為主要絕緣介質(zhì)，不存在大量的固體絕緣材料，可以減小局部放電的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）SF6混合氣體及高壓元件密封在氣箱中，提高了開(kāi)關(guān)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)能力，能夠承受高海拔、嚴(yán)寒、潮濕、污穢等惡劣環(huán)境。

（3）采用微正壓力氣體絕緣，降低了氣體泄漏的概率，即使氣箱發(fā)生漏氣故障，仍在零表壓時(shí)維持足夠的絕緣強(qiáng)度不會(huì)影響環(huán)網(wǎng)柜的正常運(yùn)行。

（4）減少SF6的使用，可以提高開(kāi)關(guān)設(shè)備的環(huán)保性，但同時(shí)，由于SF6混合氣體要保證正確的氣體成分，使生產(chǎn)工藝較復(fù)雜，且漏氣時(shí)的補(bǔ)氣措施較困難。另外，由于混合氣體中SF6“被污染”，導(dǎo)致在生命周期結(jié)束后這些SF6氣體回收困難，在一定程度上也降低了環(huán)網(wǎng)柜的環(huán)保性。

2.2 干燥空氣絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備

干燥空氣絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備以干燥空氣為主要絕緣介質(zhì)；干燥空氣絕緣性能不如SF6氣體，因此導(dǎo)致其體積較大[4]。目前通常干燥空氣是使空氣經(jīng)過(guò)空氣壓縮機(jī)、冷凍式干燥機(jī)、精密過(guò)濾器組、除油過(guò)濾器等的處理，除去空氣中的水蒸氣、塵埃等雜質(zhì)獲得。如圖2所示為北京ABB高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備有限公司推出的干燥空氣絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備，使用的干燥空氣是采用工業(yè)用混合氣體，其成分為19.5～23.5%氧氣，其余為氮?dú)?，壓力?.4bar；所有帶電部分均密封在氣箱中，氣箱采用不銹鋼焊接而成。

干燥空氣絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備主要優(yōu)缺點(diǎn)如下：

（1）同SF6混合氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備一樣，由于主要絕緣介質(zhì)為氣體，固體絕緣材料較少，減小局部放電的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，采用微正壓力氣體絕緣，降低了氣體泄漏的概率，且?guī)щ婓w均密封在氣箱中，提高了環(huán)網(wǎng)柜的環(huán)境適應(yīng)能力，能夠承受高海拔、嚴(yán)寒、潮濕、污穢等惡劣環(huán)境。

（2）干燥空氣不是溫室氣體，也不需要確保氣體成分按一定的比例，因此不存在漏氣時(shí)的補(bǔ)氣困難和產(chǎn)品生命周期結(jié)束后氣體的回收問(wèn)題。

（3）成熟可靠的氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備生產(chǎn)工藝可以保證干燥空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜良好的性能，而且不存在額外的成本。

（4）干燥空氣絕緣性能不如SF6氣體、固體絕緣材料，導(dǎo)致干燥空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜的體積比SF6氣體、固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜體積更大，不具備尺寸上的優(yōu)勢(shì)，但可通過(guò)合理的布局，改變電場(chǎng)分布，從而減小體積。

（5）目前，用于電氣產(chǎn)品上的干燥空氣沒(méi)有固定的標(biāo)準(zhǔn)，使其成分具有不確定性，無(wú)法保證其雜質(zhì)及水蒸氣的含量，導(dǎo)致以干燥空氣為絕緣介質(zhì)的產(chǎn)品具有不穩(wěn)定性，產(chǎn)品性能參差不齊。

2.3 氮?dú)饨^緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備

氮?dú)饨^緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備以氮?dú)庾鳛橹饕^緣介質(zhì)，利用真空滅弧室進(jìn)行開(kāi)斷。同干燥空氣一樣，氮?dú)饨^緣性能不如SF6氣體，因此其體積相對(duì)較大。目前氮?dú)獾纳a(chǎn)工藝是將壓縮空氣經(jīng)過(guò)冷凍式干燥機(jī)進(jìn)行干燥，通過(guò)精密過(guò)濾器組濾除較大的固體和液態(tài)顆粒及油份，然后進(jìn)入活性炭吸附器，利用碳分子篩在不同壓力下對(duì)氮和氧及其他氣體的吸附量的不同，吸附除氮?dú)庵獾目諝夥肿樱瑥亩@得純度大于99%的氮?dú)?。圖3為四方公司正在研制的氮?dú)饨^緣開(kāi)關(guān)設(shè)備，即將完成型式試驗(yàn)。該氮?dú)饨^緣開(kāi)關(guān)設(shè)備由充氣（氮?dú)猓└羰?、儀表室（位于充氣隔室的頂部前方）、電纜室（位于充氣隔室的底部前方）、壓力釋放通道（位于充氣隔室的底部后方）等隔室組成。其中充氣隔室的內(nèi)部裝有開(kāi)關(guān)本體和接地開(kāi)關(guān)本體、進(jìn)（出）母線等元件，且在其底部后方位置裝有壓力釋放裝置（即防爆膜）。開(kāi)關(guān)的操動(dòng)機(jī)構(gòu)（彈簧操動(dòng)機(jī)構(gòu)和手動(dòng)操動(dòng)機(jī)構(gòu)）均置于充氣隔室的外部正前方位置。隔離開(kāi)關(guān)與真空滅弧室采用一體化設(shè)計(jì)理論，操作簡(jiǎn)單可靠。氣箱內(nèi)壓力與外部壓力內(nèi)采用微正壓設(shè)計(jì)，既確保內(nèi)部絕緣要求又保證不漏氣。主要優(yōu)勢(shì)如下：（1）綠色環(huán)保。使用新型尼龍塑料作為帶電元件的固體絕緣介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了低耗能，解決了使用環(huán)氧樹(shù)脂不能回收的問(wèn)題。（2）安全方便。內(nèi)置式主母線采用插拔連接，并選用直動(dòng)式隔離開(kāi)關(guān)，且隔離開(kāi)關(guān)與斷路器聯(lián)動(dòng)，有利于分合閘過(guò)程快速連貫且準(zhǔn)確無(wú)誤。（3）小型化。采用金屬全封閉、全密封箱體，并采取共箱式結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)柜體小型化。（4）智能化。該氮?dú)饨^緣開(kāi)關(guān)設(shè)備集成了數(shù)字化傳感器和終端，實(shí)現(xiàn)智能化。

氮?dú)饨^緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備的主要優(yōu)缺點(diǎn)如下：

（1）同其他環(huán)保氣體絕緣金屬開(kāi)關(guān)設(shè)備一樣，由于主要絕緣介質(zhì)為氮?dú)?，固體絕緣材料較少，減小局部放電的風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)，氮?dú)鉃榄h(huán)保型氣體，采用微正壓力氮?dú)饨^緣，降低了氣體泄漏的概率，且?guī)щ婓w均密封在氣箱中，提高了環(huán)境適應(yīng)能力，能夠承受高海拔、嚴(yán)寒、潮濕、污穢等惡劣環(huán)境。

（2）采用高壽命、免維護(hù)的真空滅弧室，且高壓絕緣不受外界環(huán)境的影響，不易老化，降低產(chǎn)品的維護(hù)成本。

（3）氮?dú)獾闹谱鞴に囈呀?jīng)成熟，批量生產(chǎn)時(shí)不會(huì)額外增加成本。

（4）氮?dú)饨^緣開(kāi)關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)工藝與其他氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備的成熟工藝基本相同，在生產(chǎn)時(shí)能夠保證良好的加工質(zhì)量，且不會(huì)存在額外的成本。

（5）氮?dú)饨^緣性能不如SF6氣體、固體絕緣材料，導(dǎo)致氮?dú)饨^緣開(kāi)關(guān)設(shè)備體積相對(duì)較大；特別對(duì)于負(fù)荷開(kāi)關(guān)-熔斷器組合電器柜來(lái)說(shuō)，以氮?dú)鉃橹饕^緣介質(zhì)與以SF6氣體為主要絕緣介質(zhì)相比，體積較大，主要原因在于SF6氣體本身可以滅弧，而氮?dú)獠豢梢詼缁?，必須通過(guò)真空滅弧室滅弧，真空滅弧室的增加不可避免的導(dǎo)致柜體體積的增大。

3 技術(shù)難點(diǎn)

環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)如下：

（1）絕緣優(yōu)化。由于環(huán)保氣體絕緣性能低于SF6，特別是N2，其絕緣性能僅為SF6氣體的1/3[5]，因此需要對(duì)開(kāi)關(guān)設(shè)備的絕緣進(jìn)行重新研究。為確保絕緣強(qiáng)度，對(duì)檢漏補(bǔ)氣及焊接等工藝提出了更高的要求，如采用自動(dòng)檢漏充氣設(shè)備及機(jī)器人焊接設(shè)備來(lái)確保精度。同時(shí)，由于體積比SF6氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備略大，因此需要對(duì)高壓元件進(jìn)行合理的布置，以降低電場(chǎng)強(qiáng)度。

（2）開(kāi)斷能力的保證。對(duì)于環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備中的負(fù)荷開(kāi)關(guān)單元，若采用環(huán)保氣體，其開(kāi)斷能力將會(huì)受到影響，需通過(guò)真空滅弧室來(lái)增強(qiáng)開(kāi)斷能力。但是由于真空滅弧室通常開(kāi)距較小，在高電壓作用下存在NSDD的可能，因此用真空滅弧室作為隔離斷口目前還很難被接受。所以，目前負(fù)荷開(kāi)關(guān)單元通常需要真空滅弧室與三工位隔離開(kāi)關(guān)/接地開(kāi)關(guān)相匹配，導(dǎo)致產(chǎn)品體積增大，成本增強(qiáng)。因此如何在不使用真空滅弧室開(kāi)斷的情況下保證開(kāi)斷能力將是未來(lái)急需研究的問(wèn)題[6]。

（3）溫升與散熱。氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備將高壓元件密封在不銹鋼氣箱中，并采用環(huán)氧樹(shù)脂，硅膠等少量固體絕緣材料來(lái)提高絕緣強(qiáng)度，密閉的空間使主回路產(chǎn)生的熱量只能通過(guò)有限的對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射方式進(jìn)行散熱，使開(kāi)關(guān)設(shè)備的溫升裕度受到限制，特別是N2或干燥空氣，其溫升裕度與SF6相差10K以上。因此，如何控制溫升，解決散熱問(wèn)題將是緊湊的氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備的一個(gè)難點(diǎn)。

（4）環(huán)保氣體的工業(yè)化生產(chǎn)。目前，SF6的替代氣體正在理論驗(yàn)證過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)PFC氣體（包括C3F8、C2F6、CF4等）、CF3I氣體絕緣性能與SF6相當(dāng)，且對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染。但目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，導(dǎo)致成本較高，因此如何實(shí)現(xiàn)SF6的替代氣體的工業(yè)化將是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

4 發(fā)展動(dòng)向

通過(guò)上述技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn)的闡述可以看出，環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備相比其他氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備具有巨大的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也有許多難點(diǎn)，因此未來(lái)的發(fā)展動(dòng)向首先要解決絕緣強(qiáng)度、溫升、開(kāi)斷能力的保證和環(huán)保氣體工業(yè)化生產(chǎn)的問(wèn)題，以突出環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性等方面的優(yōu)勢(shì)；此外，開(kāi)關(guān)設(shè)備的智能化將是未來(lái)發(fā)展的方向，如何實(shí)現(xiàn)一二次融合，減少配電自動(dòng)化安裝調(diào)試和維護(hù)的工作量，提高設(shè)備運(yùn)行可靠性和自動(dòng)化水平將是開(kāi)關(guān)設(shè)備完善需要考慮的問(wèn)題。

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