蘇君平

（廈門ABB 開關有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

SF6最早由法國化學家 Moissan和Lebeau于1900年合成，是一種人造惰性氣體，具有優(yōu)秀的電氣性能，以SF6作為絕緣介質的氣體絕緣開關柜因其緊湊、少維護、不受外界環(huán)境影響等性能成為中心城區(qū)以及空間受限或環(huán)境惡劣地區(qū)的優(yōu)選解決方案。然而，SF6是《京都議定書》確定的6 種被限制的溫室氣體之一，其GWP 高達23900， 一旦釋放到大氣中需要3200 年才能徹底降解。近年來，隨著對國家對環(huán)保的重視、公眾環(huán)保意識的提高以及綠水青山理念深入人心，SF6的環(huán)保替代呼聲漸高，如何讓氣體絕緣開關柜在發(fā)揮其獨特優(yōu)勢的同時也能對運維人員、公眾及環(huán)境友好變得迫切而有意義。

1 SF6環(huán)保替代技術現狀與技術路線

在中壓配電領域中，為了實現環(huán)保替代，減少溫室氣體的排放，目前出現了3 種技術路線。1）采用固體絕緣技術代替SF6氣體絕緣介質，一般稱其為固體絕緣開關設備。2）少SF6技術，即通過SF6和其他氣體混合來減少SF6的使用比例，常見的有SF6+N2和SF6+干燥空氣。3）采用無SF6的環(huán)保氣體，如氮氣、潔凈干燥空氣或其他環(huán)保性氣體。對于第一種固體絕緣技術，行業(yè)里近幾年熱度漸降；對于第二種方案，從氣體特性看，少SF6的混合氣體可以滿足開關柜的電氣性能要求，如果從環(huán)保角度考慮，采用含較少比例的SF6混合氣體雖然一定程度上能削減其使用量，但是仍然無法從根本上解決其溫室效應問題。事實上，在工程使用中，由于SF6的使用場景比較分散，目前，回收工作落實非常困難，混合氣體的使用無疑將加劇回收難度，合規(guī)使用SF6的成本更加高昂，所以少SF6的混合氣體方案仍不是最優(yōu)解；近幾年，國際上該領域把焦點放在第三種技術路線上，重點研究了一些具有高絕緣性能和低溫室效應的新型人工合成環(huán)保氣體，主要有C5（C5F10O）為代表的全氟酮類（PFK），C4F7N 為代表的全氟腈類（PFN）、c-C4F8 為代表的全氟化合物（PFC）以及CF3I 等[1]，圖1 為一些被研究較多的氣體的相對絕緣強度與全球變暖潛能值對比。

其中被研究較多的氣體主要有干燥空氣、氮氣及C5

圖1 不同氣體的相對絕緣強度與全球變暖潛能值

（C5F10O）氣體，另外法國阿爾斯通（ALSTOM）和美國 3M公司報道了其研究的g3氣體及其應用，g3氣體是指氟化腈（C4F7N）與CO2的混合氣體，C4F7N 氣體的絕緣性能是SF6的2.2 倍以上，全球變暖潛能值（GWP）約為 2 200。綜合對比圖1 中的各氣體可以發(fā)現：從環(huán)保性分析，空氣中的現有成分如干燥空氣、N2等的GWP 值均小于1，但是其絕緣性能也相對較弱，而一些絕緣性能較好的氣體如c-C4F8 和C4F7N，其環(huán)保性又比較差，能同時滿足絕緣性能和環(huán)保性（GWP 不大于1）的有C5（C5F10O），C6（C6F12O）和CF3I，但是據報道，CF3I 其理化性能被指對人體有害，且在放電后會析出單質碘，如果水分含量較高，還會產生HF 和HI 腐蝕設備[2]，C6 已被用作滅火器，其49 ℃的高沸點很難滿足開關柜的應用要求。綜合來看，干燥空氣和N2在小電壓等級應用較多，在高電壓等級，C5（C5F10O）氣體有比較大的應用潛力。該文將以ABB 研發(fā)的中壓環(huán)保氣體絕緣開關柜為例，如圖2 和圖3 所示，闡述中壓氣體絕緣開關柜環(huán)保替代的氣體選擇和設計思路。

圖2 典型的10 kV 環(huán)保氣體絕緣開關柜

圖3 典型的40．5 kV 環(huán)保氣體絕緣開關柜

2 中壓環(huán)保氣體絕緣開關設備的設計思路

該文闡述的中壓環(huán)保氣體絕緣開關設備的總體設計思路是：在保留現有SF6氣體絕緣開關柜優(yōu)勢的同時安全可靠地實現環(huán)保。SF6氣體絕緣開關柜經過數十年的廣泛使用，已經沉淀了很多優(yōu)秀設計和特征，其主要需要改進的就是SF6的環(huán)保性，所以環(huán)保替代也應該把重心放在氣體的改進方面，而對于已經經過實踐檢驗的優(yōu)秀設計，應該予以繼承和保留，避免因氣體更改而導致整體結構和核心部件的設計變更。基于該設計思想，環(huán)保替代要解決的主要問題就變成了氣體相關的課題研究，例如氣體選擇、氣體制備、氣體壓力以及氣體更改導致的絕緣設計等。其中一個關鍵變量就是充氣壓力，充氣壓力是氣體絕緣開關柜的重要性能參數，因為壓力直接關系到不銹鋼殼體的強度及密封性能，充氣壓力越大，對氣室的強度和密封質量要求越高，特別當壓力超過2 Bar 以后，泄露風險劇增，行業(yè)為此提出微正壓的概念，通常指絕對充氣壓力不大于1.5 Bar，該文研究的開關柜環(huán)保替代思想是堅持微正壓，保持壓力完全不變。

3 中壓環(huán)保氣體絕緣開關設備關鍵技術應用策略

3.1 選擇正確絕緣氣體

目前比較熱門的氣體有N2、干燥空氣、少SF6氣體及一些新型人工合成氣體。其中干燥空氣和氮氣的環(huán)保性能都非常優(yōu)秀，綜合對比N2和干燥空氣，兩者絕緣性能接近也均為大氣現有成分，但是考慮到純N2如果大量泄露，在通風不暢的空間將有可能聚集，這對運維人員可能會造成潛在傷害，從這個意義上講，空氣是一種更為理想的選擇，可兼顧環(huán)保和健康，且在10 kV 電壓等級下，經過電場優(yōu)化，干燥空氣可以滿足電氣要求，因此該文研究的10 kV 環(huán)保氣體絕緣開關柜選用干燥空氣作為絕緣介質。

在40.5 kV 及以上電壓等級，干燥空氣和N2 的絕緣瓶頸凸顯，實現環(huán)保替代主要有2個方向。1） 繼續(xù)使用干燥空氣或氮氣，并重新設計設備結構，如增大設備體積或增大氣體壓力。2）選用其他絕緣性能更好的氣體。該文基于第二章節(jié)闡述的設計思路，即在不更改設備主體設計、關鍵元器件及參數的情況下去實現環(huán)保要求。在綜合考慮環(huán)保，絕緣能力以及理化性能的基礎上經過大量試驗驗證和對比，開發(fā)出一種基于干燥空氣的新型混合氣體AirPlus（干燥空氣+C5F10O），經測試其絕緣性能相當于SF6的90%左右。

3.2 對于環(huán)保氣體的制備

和SF6一樣，為確保氣室內全壽命周期免維護，氣體的純度是影響其性能的重要變量。以干燥空氣的制備為例，通過使用工業(yè)高純O2和高純N2來混制獲取干燥空氣比，直接通過過濾空氣中的雜質和水分獲得的干燥空氣更適合開關柜使用，同時氣室內的一些零部件的表面清潔度也會在一定程度上影響開關柜運行的可靠性。

3.3 環(huán)保氣體絕緣開關柜的充氣壓力和絕緣設計

絕緣設計與開關柜的外形尺寸和氣體壓力直接相關，不管是干燥空氣還是AirPlus，替代氣體的絕緣性能總體都弱于SF6，尤其干燥空氣的絕緣性能只相當于SF6的50%左右，如果混入雜質和水分將會更低，為了確保絕緣性能，從技術角度有2 種比較簡單易行的方法。1）拉大相間距。2）增大氣體壓力，但是增大相間距離意味著要增加開關柜的外形尺寸，這與氣體絕緣開關柜緊湊性的特點相矛盾；增大氣體充氣壓力達到1.6 bar 甚至以上，意味著對氣室殼體提出了更高要求，這對控制泄漏率和設備成本均不利。綜合考慮以上因素，該文采用均勻電場的方法，通過抑制、削弱氣體的電離過程、優(yōu)化電極形狀來改善氣隙中的電場分布，進而提升氣隙的擊穿電壓，如圖4 所示。

通過對10 kV 和40.5 kV 開關柜進行整體電場優(yōu)化，在保持開關設備額定充氣壓力和外形尺寸均和同等參數的SF6氣體絕緣開關柜一致的前提下實現環(huán)保，見表1。10 kV 和40.5 kV 環(huán)保氣體絕緣開關柜的額定充氣壓力（絕對壓力）均為1.3 Bar，殼體結構及關鍵零部件均可沿用已經過實踐檢驗的SF6設計，這將避免因環(huán)保替代引起的結構故障和泄露風險，同時在SF6充氣柜向環(huán)保充氣柜的過渡階段，關鍵零部件的通用有利于降低管理成本和生產成本，實現環(huán)保柜的經濟性。

圖4 40．5 kV 開關柜導體電場優(yōu)化與分析

表1 同等級環(huán)保氣體絕緣柜與SF6 氣體絕緣開關柜對比（1 250 A）

4 環(huán)保型氣體絕緣開關設備的優(yōu)勢特點

4.1 不受外界環(huán)境影響，運行穩(wěn)定可靠

同樣都是用空氣作為絕緣介質，但是與傳統的敞開式空氣絕緣開關柜相比，環(huán)保氣體絕緣開關柜的高壓帶電體封裝于不銹鋼氣室內，完全與外界環(huán)境隔絕，從而可以讓氣體絕緣開關設備不受外界因素的干擾，將海拔與環(huán)境因素對設備形成的影響降至最低，同時，真空斷路器的使用，使其具備長壽命的特性，所以氣體絕緣開關設備的使用壽命大大延長，且高壓氣室免維護，大幅度提升了開關設備運行的可靠性與穩(wěn)定性。

4.2 更好的安全性

無須擔心SF6及其分解物所帶來的潛在健康和安全隱患，即使在地下，礦井，隧道等通風不良的空間作業(yè)也少一分顧慮；在人口密集場所和密閉空間，無須擔心泄漏導致的公眾安全與健康事故。

4.3 全壽命周期的經濟性

全壽命周期的經濟性與使用SF6的氣體柜相比，可以免除SF6氣體監(jiān)測報警設備、氣體分析設備、氣體回收設備以及退役氣體處理費用，降低變電站的總體造價[3]。

總之，基于干燥空氣的環(huán)保氣體絕緣開關柜在徹底解決SF6溫室效應的同時，也繼承了傳統氣體絕緣開關具備的優(yōu)點。

5 結語

通過對有潛力的環(huán)保替代氣體進行了全面研究，選取了干燥空氣和AirPlus 氣體，并將其分別應用于10 kV 和40.5 kV的環(huán)保替代中，通過優(yōu)化電極設計、改善電場分布，在不改動SF6氣體絕緣開關柜主體結構和關鍵元器件的情況下，成功實現了氣體絕緣開關柜的環(huán)保替代并通過了全套型式試驗。環(huán)保氣體絕緣開關柜設計的關鍵在于氣體替代和與氣體相關的絕緣及壓力設計方面，環(huán)保替代的基本原則是在保留傳統氣體柜優(yōu)點的前提下安全可靠地實現環(huán)保。