黃小龍，趙雙偉，王 勇，蘇海博，賈申利*

(1.四川大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610065；2.廣州電網(wǎng)有限公司 廣州供電局 試驗研究院，廣東 廣州 510410)

“雙碳”目標(biāo)的提出給電力系統(tǒng)帶來了若干挑戰(zhàn)[1]，其中電力設(shè)備的綠色升級是迫切需要解決的問題之一。六氟化硫（SF6）是一種自1947年開始在市場上銷售的人造氣體，其因不易燃、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、安全、無毒、熱穩(wěn)定好、具有優(yōu)良的介電強度和滅弧能力[2]而被廣泛應(yīng)用于高壓開關(guān)設(shè)備（如空氣絕緣開關(guān)設(shè)備（AIS）、氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS））。然而，《京都議定書》指出，SF6具有強溫室效應(yīng)，大氣壽命為3 200 a[3]，且其全球變暖潛能指數(shù)（GWP）為二氧化碳的23 900倍。SF6的全球大氣含量從1994年的3.67 ppt（萬億分之一）增加到2020年的10.41 ppt，由SF6引起的全球溫度增加約為0.004 ℃[4]。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，中國電力工業(yè)的SF6需求量為10 000 t[5]。為解決電力工業(yè)發(fā)展與大氣環(huán)境保護之間的矛盾，助力國家“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)，限制SF6在電力設(shè)備中的使用是一條重要途徑。

以往的研究中，對無SF6電力開關(guān)設(shè)備的研究主要分為兩個方向：SF6替代氣體電力開關(guān)設(shè)備和真空開斷+環(huán)保絕緣氣體電力開關(guān)設(shè)備。20世紀(jì)70年代末，人們已經(jīng)開始研究SF6的替代氣體[6]，但并不是由環(huán)境因素驅(qū)動的，而是由SF6特有弱點驅(qū)動的，比如絕緣強度對顆粒的敏感性、SF6的成本，以及高壓SF6在非常低的環(huán)境溫度下的有限適用性，但仍然含有一定量的SF6（與N2、CF4和CF2Cl2混合）。近年來，c-C4F8、C4F7N（全氟異丁腈）、C6F12O（全氟己酮）、C5F10O（全氟戊酮）、CF3I等氣體與CO2的混合氣體，以及與CO2與O2的混合物被研究用于替代SF6。這些新型環(huán)保氣體因其良好的環(huán)保和絕緣性能而受到廣泛關(guān)注，并在替代SF6氣體應(yīng)用于高壓設(shè)備上表現(xiàn)出較大的潛力。由于上述氣體的液化溫度較高，必須與CO2、N2或干燥空氣混合作為緩沖氣體，以滿足設(shè)備的最低操作溫度。理想情況下，一種先進的環(huán)保氣體絕緣介質(zhì)應(yīng)具有優(yōu)良的絕緣或滅弧性能、良好的電/熱穩(wěn)定性、材料相容性和生物安全性。目前，在環(huán)保氣體的絕緣和滅弧特性方面的研究已經(jīng)取得了很大的進展，證實了C4F7N、C5F10O和C6F12O混合氣體具有應(yīng)用潛力。除了滅弧和絕緣用SF6替代氣體的技術(shù)外，真空開斷技術(shù)為電力開關(guān)設(shè)備去SF6提供了新途徑，72.5 kV及以上電壓等級的真空斷路器快速發(fā)展，逐步向開斷高電壓、大電流方向發(fā)展。平高、京東方、Meidensha、Mitsubishi、Toshiba、Simens等國內(nèi)外輸配電制造商在真空斷路器研制方面取得了巨大進展。平高集團與西安交通大學(xué)合作開發(fā)了126 kV/2 500 A/40 kA環(huán)保型GIS；Simens公司成功研制了145 kV/40 kA環(huán)保型GIS系統(tǒng)；Toshiba和Mitsubishi公司也將真空斷路器電壓等級提升至84 kV以上；但仍有許多重要問題需要解決。

針對環(huán)保型電力高壓開關(guān)設(shè)備的研究主要集中于以環(huán)保氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)的環(huán)保氣體絕緣高壓開關(guān)設(shè)備及真空開斷＋環(huán)保氣體的真空開斷型環(huán)保電力開關(guān)設(shè)備，本文總結(jié)討論了兩種設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)和難點。

1 環(huán)保氣體絕緣高壓開關(guān)設(shè)備

SF6在電力開關(guān)設(shè)備中承擔(dān)著滅弧和絕緣的功能，環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備主要是以低溫室效應(yīng)氣體替代SF6氣體作為絕緣介質(zhì)和開斷介質(zhì)的開關(guān)設(shè)備，C4F7N、C5F10O的混合氣體（二氧化碳、氧氣）是針對中高壓電力設(shè)備應(yīng)用的主要替代氣體。研究人員也對全氟化碳類氣體（c-C4F8、C3F8、CF4）[7-9]、CF3I、HFO類氣體[10-12]等開展了研究，但目前沒有已知的商業(yè)產(chǎn)品。作為SF6的替代氣體，需具備低全球變暖潛能指數(shù)、高絕緣強度、良好的滅弧性能、易于獲取等特點[13]。表1為上述幾種環(huán)保氣體的基本特性[14]。由于新型環(huán)保氣體的液化溫度較低，因此，目前需與其他氣體混合才能用于開關(guān)設(shè)備；環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備的發(fā)展主要基于對環(huán)保替代氣體的絕緣性能、開斷性能及分解特性的研究。

表1 環(huán)保氣體基本特性Tab.1 Basic features of environmental gases

1.1 環(huán)保氣體關(guān)鍵技術(shù)

1.1.1 環(huán)保氣體的開斷性能

氣體斷路器開斷電流的過程中不可避免地會形成電弧，必須在規(guī)定的時間內(nèi)熄滅電弧。氣體介質(zhì)在電弧開斷過程中通常經(jīng)歷3個典型的周期：電弧期、熱恢復(fù)期和介電恢復(fù)期。以往研究表明，電力開關(guān)在開斷電流時的開斷性能可以由以下參數(shù)推斷：瞬態(tài)壓力、di/dt的開斷能力、弧后電流和重燃時間、電弧電阻、電弧電壓和電弧擊穿及重?fù)舸┙橘|(zhì)恢復(fù)。近期，對用于環(huán)保電力設(shè)備中的替代氣體大電流開斷特性的研究主要集中在C4F7N和C5F10O。

Mantilla等[15]比較了C5F10O/O2/CO2（5%/10%/85%）與SF6氣體的壓力累計特性，發(fā)現(xiàn)與SF6相比，替代氣體的瞬態(tài)壓力在沖程的80%處趨于平緩，SF6的瞬態(tài)壓力在整個行程中幾乎呈線性增長。Stoller等[16]對純CO2的開斷性能進行了仿真與實驗研究，探究了純CO2在不同測試條件下的壓力累計特性。Hermosillo等[17]研究表明，C4F7N/CO2產(chǎn)生的瞬態(tài)壓力更大（比SF6多30%），僅僅通過壓力的積累不足以判別氣體的開斷性能。Mantilla等[15]研究了SF6、CO2和C5F10O混合物的熱開斷能力，發(fā)現(xiàn)所用氣體的熱開斷性能與delta 瞬態(tài)壓氣壓力升高直接相關(guān)。

開關(guān)設(shè)備的熱開斷能力可以通過電流時間導(dǎo)數(shù)（di/dt）反映。Mantilla等[15]研究了SF6、CO2和 C5F10O混合氣體的熱開斷能力，發(fā)現(xiàn)SF6的di/dt開斷能力最高，其次是C5F10O/O2/CO2混合氣體。Stoller等[18]對C5F10O混合氣體、CO2混合氣體及SF6氣體的開斷性能進行了測試，圖1給出了相對di/dt與電流過零點時斷路器內(nèi)部壓強的關(guān)系，虛線代表斷路器測試設(shè)備在每種氣體或混合氣體的測試中未能開斷的最低di/dt水平。由圖1可知，在任何給定壓力下，CO2和C5F10O混合氣體可開斷的最大di/dt約為SF6的70%。Zhang等[19]對替代氣體混合中氧氣的作用進行了研究，發(fā)現(xiàn)氧氣的存在可以減少氣態(tài)有毒副產(chǎn)物、煙灰，以及通過提高瞬態(tài)壓力來增強di/dt的開斷能力。

圖1 相對di/dt與斷路器內(nèi)部壓強關(guān)系[18]Fig.1 Relationship between relative di/dt and internal pressure of circuit breaker[18]

在所有其他參數(shù)保持不變，瞬態(tài)恢復(fù)電壓相同的條件下，弧后電流（PAC）越低，斷路器的開斷能力越高。Mantilla等[20]對C5F10O混合氣體的PAC進行測量，通過PAC的幅值及達(dá)到最大值的時間推斷測試氣體的開斷性能，發(fā)現(xiàn)盡管C5F10O混合氣體的PAC高于SF6氣體，但差距較小。對C4F7N混合氣體進行L75測試，發(fā)現(xiàn)C4F7N混合氣體的 PAC 表現(xiàn)出相當(dāng)高的PAC幅度，最高可達(dá)10 A。對于1 kA或3 kA等小電流，ABB公司對C5F10O混合氣體進行了開斷試驗，并對其弧后電流進行了測量。王佳田等[21]測量試驗斷路器開斷電流時的電弧電壓及電弧電導(dǎo)，研究了C4F7N/CO2混合氣體的開斷特性，結(jié)果表明，增大C4F7N含量及氣體壓強可以增強混合氣體的開斷性能。GE公司對C4F7N/CO2（4%/96%）和SF6進行了滅弧試驗，結(jié)果表明，二者滅弧性能相當(dāng)[22]。

一旦電流開斷，斷路器需要承受其端子之間的瞬時電壓，否則將發(fā)生重新點火或重新?lián)舸?。Radisavljevic等[23]對C4F7N/O2/CO2、C5F10O/O2/CO2及CO2/O2混合氣體進行了動態(tài)介電耐受試驗，額定電流為31.5 kA，圖2為10%和30%額定短路電流下的介電恢復(fù)能力比較。由圖2可知：所有混合氣體表現(xiàn)出類似的恢復(fù)特性，其中，CO2/O2表現(xiàn)出最低的介電恢復(fù)能力，其次是C5F10O混合氣體，C4F7N混合氣體的介電恢復(fù)能力最強。Stoller等[18]測試了4 kA、12 kA和30 kA下，C5F10O混合氣體、CO2混合氣體及SF6的介電耐受能力，研究表明，測試氣體開斷中小電流時，SF6的耐壓能力最高，其次是C5F10O混合氣體和CO2混合氣體。測試氣體開斷大電流時，所有測試氣體的介電耐受能力相差不大。

圖2 C4F7N、CO2及C5F10O混合氣體介電恢復(fù)能力對比[23]Fig.2 Comparison of dielectric recovery ability of C4F7N,CO2, and C5F10O gas mixtures[23]

如今，通過建模仿真手段可以更好地了解高壓斷路器在燃弧階段和弧后階段發(fā)生的潛在物理特性。Liu等[24]通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量密度和比熱的乘積（ρCp）會在湍流熱導(dǎo)率中產(chǎn)生相應(yīng)的峰值，從而導(dǎo)致寬徑向溫度分布和大圓弧半徑；為獲得最佳熱開斷性能，ρCp在低于傳導(dǎo)溫度（4 000 K）時應(yīng)盡可能大，在較高溫度下應(yīng)盡可能小，并提出將ρCp作為評價氣體開斷性能的指標(biāo)。圖3為SF6替代氣體與SF6之間的ρCp比較[25]。由圖3可知：C5F10O 和 C4F7N具有良好的滅弧性能；C4F7N/CO2混合氣體在 7 000 K 附近有一個峰值（CO2分解所致），可能對滅弧性能產(chǎn)生負(fù)面影響。Ye等[26]使用計算流體動力學(xué)（CFD）研究了SF6、C5F10O/CO2/O2和 CO2/O2氣體特性對熱開斷能力的影響，提出將局部氣體速度和密度的虛擬質(zhì)量流作為開斷性能的評價指標(biāo)。

圖3 從300 K到10 000 K不同氣體在0.1 MPa時的ρCp[25]Fig.3 ρCp of different gases at 0.1 MPa from 300 K to 10 000 K[25]

目前，也有許多對CF3I和全氟化碳類氣體開斷性能的研究。高小飛等[27]通過測量電弧電阻對c-C4F9氣體及其混合氣體的滅弧性能進行探究，結(jié)果表明，c-C4F9氣體的滅弧性能優(yōu)于自然氣體（N2、CO2），且隨著混合氣體中的其他成分的增加，滅弧性能會有所減弱。Kasuya等[28]探究了CF3I與N2和CO2的混合氣體在不同電流下的開斷能力，如圖4所示，其中，BTF表示斷路器端子故障，SLF表示短線故障；由圖4可知，CF3I 混合物不能用于高壓氣體斷路器開斷大電流的情況，且發(fā)現(xiàn)CF3I電弧放電期間會產(chǎn)生大量固體 I2。Taki等[29]通過實驗比較了各種氣體的電弧時間常數(shù)和損耗因數(shù)，其中，電弧時間常數(shù)大小排列為SF6＜CF3I＜CO2＜H2＜空氣＜N2，損耗因數(shù)大小排列為H2＞SF6＞CO2＞空氣＞N2＞CF3I。趙小令[30]建立了CF3I氣體噴口交流電弧瞬態(tài)開斷模型，結(jié)合物性參數(shù)研究了其開斷性能，發(fā)現(xiàn)CF3I氣體的熱開斷性能達(dá)到SF6氣體的93%。CF3I氣體在燃弧過程中產(chǎn)生大量的固體I2，不適于開斷大電流，因此，全氟化碳類氣體開斷性能在介電強度方面沒有明顯優(yōu)勢，制約了其研究進展。

圖4 CF3I 與 N2 和 CO2 混合物的相對開斷能力Fig.4 Relative breaking capacity of CF3I with N2 and CO2 mixture

1.1.2 環(huán)保氣體的絕緣性能

國內(nèi)外眾多研究者對新型環(huán)保氣體的絕緣性能開展了很多研究，注意針對擊穿特性、局部放電特性、雷電沖擊特性等方面。

全氟化碳類氣體相較于SF6氣體具有更好的絕緣性能，且GWP值相對于SF6更低，但由于全氟化碳類氣體沸點的限制，需要與其余氣體混合使用。Takuma等[31]測試了c-C4F8和N2混合氣體的擊穿電壓，結(jié)果表明c-C4F8氣體在均勻電場下的絕緣性能是SF6氣體的1.18～1.25倍。Wada等[32]測試了4種全氟化碳?xì)怏w（c-C4F8、C3F6、C3F8和C2F6）及其混合氣體（CO2、N2）在板-板電極的交流電壓下的擊穿行為，發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境溫度在-20 ℃以上時，混合氣體的絕緣性能可以達(dá)到SF6的70%，GWP降低30%。Zhao等[33]研究了c-C4F8/N2混合氣體在雷電沖擊電壓下的協(xié)同效應(yīng)，結(jié)果表明負(fù)脈沖下的氣體擊穿電壓低于正脈沖下的氣體擊穿電壓。鄧先欽等[34]探究了稍不均勻電場下c-C4F8/N2混合氣體的絕緣性能，氣體擊穿電壓隨著氣體氣壓及c-C4F8占比的提高而增加，且絕緣性能與SF6相當(dāng)。Wu[35]和Liu[36]等使用蒙特卡洛法計算了c-C4F8/N2混合氣體在脈沖放電下的臨界擊穿場強，結(jié)果表明c-C4F8/N2混合氣體的絕緣性能與SF6/N2混合氣體的絕緣性能相當(dāng)。張然等[37]測量了不同混合比下c-C4F8/N2混合氣體的擊穿電壓和閃絡(luò)電壓，可知混合比為20%時，測試氣體的擊穿電壓和閃絡(luò)電壓分別為純SF6的0.6倍和0.7倍；c-C4F8放電過程中有碳微粒產(chǎn)出，一定程度上影響了絕緣恢復(fù)能力。綜上可知，隨著緩沖氣體的加入，全氟化碳類混合氣體的絕緣性能也有所下降。

CF3I氣體具有良好的電子附著能力，電子群參數(shù)計算表明，其臨界擊穿場強高于SF6。從2010年開始，研究人員陸續(xù)探索將其應(yīng)用于電氣設(shè)備的可能性。趙謖[38]和Li[39]等通過求解Boltzmann方程探究了CF3I與N2、CO2的協(xié)同作用及CF3I混合氣體的絕緣性能。K a m a r u d i n 等[40]測 試 了C F3I 和C O2混 合 氣 體（30%/70%）在3種電極下的雷電沖擊電壓特性。Tu等[41]測試了CF3I和N2混合氣體在均勻電場中的擊穿特性，發(fā)現(xiàn)CF3I放電過程中產(chǎn)生的碘微粒會影響其絕緣性能。Zhang等[42]測試了CF3I/N2混合氣體在不同電場和混合比下的工頻擊穿電壓，發(fā)現(xiàn)0.3 MPa的30%CF3I/70%N2混合氣體可替代設(shè)備中的純SF6。

2015年，ABB公司首次提出考慮使用C5F10O或與其他氣體作為絕緣介質(zhì)。Alstom和3M公司合作測試了C4F7N/CO2混合氣體在145 kV GIS中的工頻介電強度，結(jié)果表明，18%～20%含量的C4F7N混合氣體介電強度與純SF6相當(dāng)[43]。Nechmi等[44]探究了C4F7N/CO2（3.7%/96.3%）混合氣體在均勻、準(zhǔn)均勻和不均勻電場下的雷電沖擊特性和工頻擊穿特性。Owens[45]探究了C4F7N混合氣體的擊穿特性，發(fā)現(xiàn)C4F7N與CO2的介電強度最好。胡世卓等[46-47]探究了均勻電場下C4F7N/CO2及C4F7N/N2的工頻擊穿特性，發(fā)現(xiàn)這兩種混合氣體的絕緣強度均隨C4F7N含量的增加而增加，C4F7N/CO2的混合氣體協(xié)同作用強于C4F7N/N2混合氣體，C4F7N/N2混合氣體在多次放電后，會產(chǎn)生碳微粒，不利于氣體絕緣。李興文等[48]探究了氣體配比和壓力對C4F7N/CO2和C5F10O/CO2混合氣體絕緣性能的影響，并得到了兩種混合氣體的臨界擊穿場強數(shù)據(jù)；結(jié)果表明，同等條件下C4F7N/CO2的絕緣特性強于C5F10O/CO2混合氣體。Zhang等[49]研究了C4F7N/CO2混合氣體與SF6在交流電壓下的擊穿強度和局部放電特性，可知：在均勻場中，15%C4F7N的混合氣體可達(dá)到與100 kPa下SF6的介電強度；在非均勻場中，C4F7N混合氣體的介電性能遠(yuǎn)低于SF6。Tu[50]、Wang[51]、王璁[52]、Ai[53]等對準(zhǔn)均勻和極不均勻電場下C4F7N/CO2混合氣體的絕緣性能進行了深入研究，可知：準(zhǔn)均勻電場中，C4F7N/CO2混合氣體正、負(fù)擊穿電壓及局部放電起始電壓表現(xiàn)出明顯的極性效應(yīng)；極不均勻電場中，C4F7N/CO2混合氣體的局部放電起始電壓隨氣壓變化表現(xiàn)出“駝峰效應(yīng)”，C4F7N/CO2（4%/96%）和C4F7N/CO2（8%/92%）混合氣體的局部放電起始電壓高于SF6。Xiao等[54]通過計算和實驗研究了電場對不同氣壓和混合比的C4F7N/CO2混合氣體的影響，發(fā)現(xiàn)C4F7N/CO2混合氣體的電場敏感性遠(yuǎn)高于SF6和CO2，在非均勻電場下容易出現(xiàn)局部放電，C4F7N/CO2混合氣體的絕緣性能極易受到電氣設(shè)備內(nèi)部電場的影響，需要優(yōu)化設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)以避免電場不均勻。

Mantilla等[55]發(fā)現(xiàn)，5%C5F10O和空氣的混合物在0.7 MPa時的50%正雷電沖擊擊穿電壓與0.4 MPa純SF6的擊穿電壓相當(dāng)。Simka和Ranjan[56]在準(zhǔn)均勻電場下測試了C5F10O和空氣的擊穿強度，發(fā)現(xiàn)0.7 MPa 5.2%C5F10O的混合氣體的臨界擊穿強度與0.45 MPa純SF6相當(dāng)。Zhang等[57]探究了C5F10O/空氣和C5F10O/N2混合氣體的工頻擊穿特性，發(fā)現(xiàn)C5F10O/空氣混合氣體的交流擊穿電壓高于C5F10O/N2混合氣體。王小華等[58]探究了總壓0.1～0.5 MPa下不同C5F10O含量對混合氣體工頻耐受及雷電沖擊性能的影響，發(fā)現(xiàn)總壓0.5 MPa下8%C5F10O混合氣體的正、負(fù)極雷電沖擊電壓分別為0.3 MPa純SF6的88.9%和89.9%。

1.1.3 環(huán)保氣體的分解特性

Mantilla等[59]計算了典型開斷過程中C4F7N/CO2的分解過程，結(jié)果如圖5所示；由圖5可知，在觸頭分離之后，燃弧過程中，氣體分子分解為原子、離子和電子，電流過零點附近，極間溫度降低，離子、電子重新結(jié)合為原子，原子重新合成分子，從而產(chǎn)生最高的電導(dǎo)率值；電流過零點（CZ）附近，由于弧柱區(qū)域溫度降低，離子和電子重新結(jié)合為CO、CF4、N2和COF2，在其計算中，假設(shè)C4F7N被完全消耗。Zhang等[60]對C4F7N/CO2進行了交流擊穿測試，檢測到了CO、CF4、C2F4、C2F6、C3F6、C3F8、C4F6、C4F10、C2N2、CF3CN、C2F5CN、HCN和HF產(chǎn)物，如圖6所示, CO、CF4、C2F6和C3F6的含量隨分解次數(shù)的增加呈線性增加，2 000次放電分解后，CO含量最高，其次是CF4、C2F6和C3F8。Li等[61]對C4F7N/N2混合氣體進行了交流擊穿測試，檢測到了CF4、C2F6、C3F8、CF3CN、C2F4、C3F6和C2F5CN等產(chǎn)物，其中，C2F6、CF4和CF3CN的含量較高；分解產(chǎn)物含量隨著放電次數(shù)的增加而增加，電極表面有固體析出，氣體多次放電后擊穿電壓降低。

圖5 故障電流開斷過程中C4F7N/CO2（5%/95%）混合氣體的分解過程[59]Fig.5 Decomposition process of C4F7N/CO2(5%/95%)mixed gas during fault current interruption process[59]

圖6 純C4F7N隨溫度變化的局域熱平衡組成[60]Fig.6 Local thermal equilibrium composition of pure C4F7N as a function of temperature[60]

Li等[62]計算了純C5F10O在0.1 MPa時分解過程中的氣體組成，如圖7所示，可知：在1 000 K左右，C5F10O開始大量分解；在1 000～1 200 K之間發(fā)生了強烈的分解反應(yīng)，C5F10O的分解產(chǎn)物不能發(fā)生復(fù)合現(xiàn)象。

圖7 純C5F10O隨溫度變化的局域熱平衡組成[62]Fig.7 Local thermal equilibrium composition of pure C5F10O as a function of temperature[62]

1.2 環(huán)保氣體絕緣高壓開關(guān)設(shè)備產(chǎn)品現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

高壓氣體環(huán)保絕緣開關(guān)設(shè)備主要包括145/170 kV的電壓等級。目前，環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備多在歐洲的變電站使用，這些設(shè)備均首次安裝，開發(fā)仍在繼續(xù)。LifeGRID已宣布在2022年之前開發(fā)基于C4F7N的GIS，最高可達(dá)420 kV，采用基于C5F10O的解決方案對380 kV SF6變電站進行整修，并計劃到2026年使這些變電站完全不含SF6。使用環(huán)保氣體進行絕緣和開斷，所用的環(huán)?；旌蠚怏w共3類：C5F10O/O2/CO2、C4F7N/O2/CO2、C4F7N/CO2。表2為目前在用的環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備。GE公司采用C4F7N/O2/CO2的配方開發(fā)了用于電力系統(tǒng)的g3氣體，并將其應(yīng)用于145 kV/40 kA GIS設(shè)備[63]，此款環(huán)保GIS設(shè)備已經(jīng)在7個申根區(qū)國家的16個變電站應(yīng)用；截至2018年，共有100個間隔調(diào)試完畢。韓國的LSElectric公司采用C4F7N/O2/CO2作為絕緣滅弧氣體，開發(fā)了170 kV/50 kA的GIS設(shè)備[64]，該設(shè)備被安裝在韓國Wang-gok變電站，于2020年11月完成了設(shè)備的調(diào)試工作，并于2021年9月正式投運，運行電壓為154 kV。ABB公司采用C5F10O/O2/CO2（6%/12%/82%），開發(fā)了170 kV/40 kA環(huán)保型GIS[32]，該設(shè)備已經(jīng)有8個間隔在瑞士的UW Oerlikon安裝調(diào)試完成，運行電壓為150 kV。

表2 環(huán)保氣體開關(guān)設(shè)備所用氣體參數(shù)Tab.2 Gas parameters used in environmentally gas switchgear

目前，使用C5F10O/O2/CO2混合氣體的72.5 kV/31.5 kA、145 kV/40 kA的無SF6GIS研發(fā)工作也已提上日程。在2021年CIGRE會議上，報告了245 kV/63 kA單斷環(huán)保氣體斷路器的研究、開發(fā)和測試。

2 真空開斷型環(huán)保電力開關(guān)設(shè)備

真空開斷技術(shù)及環(huán)保氣體絕緣技術(shù)的快速發(fā)展為去SF6開關(guān)設(shè)備的研發(fā)提供了新思路。目前，真空斷路器在配電系統(tǒng)中處于主導(dǎo)地位，研究人員正努力將真空開斷技術(shù)向大電流、高電壓方向發(fā)展。對真空斷路器的開發(fā)思路分為兩種。一是通過串聯(lián)多個斷路器來實現(xiàn)高壓耐受能力，這種方法存在多斷路器同步操作困難、均壓困難、故障率高的問題。二是通過增大觸頭直徑和觸頭間隙長度提高單斷口真空斷路器的額定電壓；目前，單斷口真空斷路器的開斷已經(jīng)發(fā)展到145 kV/40 kA。2018年，Simens推出了175 kV/50 kA和245 kV/63 kA單斷真空斷路器概念機[65]。

2.1 高電壓等級真空開斷關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 大電流真空電弧磁場控制技術(shù)

當(dāng)真空斷路器開斷小電流時（不高于10 kA），真空電弧處于擴散態(tài)；當(dāng)真空斷路器開斷大電流時，電弧會呈現(xiàn)收縮態(tài)。擴散電弧產(chǎn)生的燒蝕輕微且弧后絕緣強度恢復(fù)較快，而收縮態(tài)電弧導(dǎo)致陽極局部溫度過高進而造成陽極嚴(yán)重?zé)g，并可能由于在電流為0時極間仍存在金屬液滴而導(dǎo)致電弧重燃。為提高真空斷路器開斷大電流的能力，研究者們通過包括橫向磁場（TMF）[66]、縱向磁場（AMF）[67]或橫向磁場與縱向磁場[68]相結(jié)合的磁控技術(shù)減弱真空電弧收縮，其中縱向磁場被廣泛應(yīng)用于高壓真空斷路器。Wang等[69]計算和分析了1/2匝線圈型觸頭、2/3匝線圈型觸頭、1/3匝線圈型觸頭和杯型觸頭的磁場分布，結(jié)果如圖8所示，由圖8可知，線圈型觸頭的AMF強度遠(yuǎn)大于杯型觸頭，電流過零時刻殘余AMF從弱到強的順序是杯式觸頭、1/3匝線圈式觸頭、1/2匝線圈式觸頭和2/3匝線圈式觸頭；圖9為電流峰值4種觸頭的電弧形態(tài)，在相同的電流下，杯型觸頭的電弧收縮最嚴(yán)重，2/3匝線圈型觸頭的電弧幾乎沒有收縮。Li等[70]研究了126 kV單斷口真空斷路器（2/3匝線圈式縱磁觸頭）在開斷40 kA（rms）的額定短路電流時對AMF的依賴。Zhang等[71]探究了AMF對多斷口斷路器同步和異步合閘過程中均壓的影響，發(fā)現(xiàn)AMF可以有效改善多斷口真空斷路器在同步和異步合閘過程中的電壓分布。Zhao等[72]通過建模仿真的手段探究了觸頭槽數(shù)、觸杯斜槽角度、觸頭槽長度、中心工藝孔對真空電弧區(qū)等離子參數(shù)分布特征的影響，并提出將新結(jié)構(gòu)觸頭用于提高真空斷路器的開斷能力。

圖8 4種觸頭的動態(tài)縱向磁場分布[69]Fig.8 Dynamic AMF distribution of the four type contacts[69]

圖9 電流峰值4種觸頭的電弧形態(tài)[69]Fig.9 Arc shapes of four kinds of contacts at peak current[69]

由于縱向磁場作用強度隨著觸頭間隙的增加而顯著降低，因此縱向磁場對真空電弧的控制作用受觸頭分閘速度的影響。通過優(yōu)化真空斷路器的分閘曲線可以提高真空斷路器的開斷性能，分閘曲線以避過電弧燃燒過程中的強電弧模式為目標(biāo)。Miller[73]討論了真空電弧中可能發(fā)生的7種不同的陽極放電模式，結(jié)果表明，開斷初始時刻加快分閘速度可以避免陽極斑點的形成。Li等[70]基于試驗結(jié)果，提出馬鞍形軸向磁場下126 kV真空斷路器三區(qū)間分閘速度的定量設(shè)計方法，分閘曲線如圖10所示，由圖10可知：觸頭剛分時刻，分閘速度最快，以避過小間隙收縮態(tài)；隨后以較小的速度分離觸頭，電弧處于擴散態(tài)，在觸頭達(dá)到最大開距前，分閘速度進一步降低以減少機械沖擊。Heinz等[74]探究了真空斷路器高壓領(lǐng)域下，分閘曲線對電弧模式特性的影響，研究表明，優(yōu)化觸頭行程曲線是大間隙縱磁觸頭設(shè)計的關(guān)鍵。Yao等[75]針對126 kV單斷口真空斷路器（2/3匝縱磁觸頭）提出一種確定高壓真空斷路器觸頭分離速度的方法，前1/3間隙的分閘速度為V1，后2/3間隙的分閘速度為V2，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：V1越大，軸向磁通密度越可能低于8.5 mT/kA；V2越小，軸向磁通密度越可能高于6.1 mT/kA，有利于真空斷路器的開斷。

圖10 126 kV真空斷路器優(yōu)化分閘曲線[70]Fig.10 Optimal opening curve of 126 kV vacuum circuit breaker[70]

2.1.2 真空絕緣技術(shù)

在高電壓等級真空斷路器中，為了滿足電壓升高對于絕緣強度提出的新要求，主要有兩種解決方案：一種是單斷口方案，通過增大觸頭間隙提高電壓耐受水平；另一種是多斷口方案，通過將多個間隙串聯(lián)提高電壓的耐受水平。

Liao等[76]測試了單斷口斷路器和多斷口斷路器擊穿電壓與觸頭間隙的關(guān)系曲線，可以發(fā)現(xiàn)：在SF6氣體中，隨著間隙的變大，SF6氣體能夠耐受的電壓呈線性增長；但是真空中，間隙耐受電壓的水平并不隨著間隙距離線性增長；當(dāng)間隙距離為3 mm時，能夠承受的電壓約為70 kV；但當(dāng)間隙距離升高至6 mm時，其擊穿電壓遠(yuǎn)小于140 kV。Zhang等[77]研究了接觸間隙（d）為10至50 mm的真空滅弧室的雷電沖擊電壓擊穿特性及觸頭參數(shù)（觸頭直徑、觸頭表面粗糙度、觸頭曲率半徑）對擊穿特性的影響；不同間隙下的真空滅弧室雷電擊穿電壓如圖11所示，可以發(fā)現(xiàn)，真空中間隙耐受電壓的水平并不隨間隙距離線性增長，觸頭曲率半徑2 mm的真空滅弧室的50%擊穿電壓小于觸頭曲率半徑6 mm的真空滅弧室，觸頭粗糙度及觸頭直徑對真空滅弧室的50%擊穿電壓影響不大。Feng等[78]探究了沉積在陶瓷內(nèi)表面上的金屬蒸氣對真空滅弧室中心屏蔽層和端屏蔽層之間的絕緣性能的影響，發(fā)現(xiàn)陶瓷內(nèi)表面金屬沉積物使中心屏蔽層和端屏蔽層之間的絕緣能力降低。

圖11 真空滅弧室雷電沖擊擊穿電壓概率分布[77]Fig.11 Probability distribution of lightning impulse breakdown voltage in vacuum interrupter[77]

多斷口真空斷路器將多個間隙串聯(lián)，這樣能夠使最終的擊穿電壓值約等于各“子斷口”擊穿電壓值之和。借助電磁斥力執(zhí)行器，真空開斷技術(shù)可以實現(xiàn)快速電流開斷，簡稱快速真空開斷技術(shù)，可以將開斷時間減少到故障電流的半個周期[79-80]?？焖僬婵臻_斷技術(shù)在超高壓或特高壓網(wǎng)絡(luò)中多采用多斷路串聯(lián)技術(shù)，其已應(yīng)用至500 kV以上的直流斷路器[81-84]和252 kV交流母線斷路器[85]，以及目前在開發(fā)的363 kV快速真空斷路器[86-87]。對于相同的電壓等級，各子斷口間隙距離之和能小于單斷口布置下的間隙距離。但是，多斷口真空斷路器的電壓均勻分布成為了一大挑戰(zhàn)，為了保證各斷口承受的電壓值相等，需要并聯(lián)均壓電容器來保證電壓的均勻分布，而這將大大增大斷路器設(shè)計的復(fù)雜程度，對于斷路器的可靠性也有不利影響。

2.1.3 真空斷路器的溫升特性

真空滅弧室中觸頭被密封在真空環(huán)境中，真空度低至10-4Pa。由于真空無法導(dǎo)熱，真空滅弧室中的熱量只能以熱傳導(dǎo)的方式，通過導(dǎo)電桿傳導(dǎo)至真空滅弧室外部。隨著額定電流的增大，真空滅弧室的溫升問題也逐漸顯露，如果溫升得不到較好的控制，積聚的熱量將對材料的機械和電氣性能產(chǎn)生較大影響。

陳劍光等[88]研究發(fā)現(xiàn)，斷路器導(dǎo)電回路材料、斷路器相間距離、安裝工藝都會影響大電流真空斷路器溫升。馬朝陽等[89]對采用4種不同縱磁觸的126 kV真空斷路器在3 150 A下的溫升表現(xiàn)進行計算與對比，發(fā)現(xiàn)開槽馬蹄鐵型縱磁觸頭在4種類型的觸頭中具有好的通流能力。Matsukawa等[90]研制了一種水冷式真空斷路器，上下為不對稱結(jié)構(gòu)，以便在線圈內(nèi)形成水冷通道，并通過實驗驗證了其溫升得到了一定的控制，載流能力得到了提高。Yamano等[91]在真空斷路器的固定導(dǎo)電桿中加入熱管，在2 000 A電流120 min的測試中，最高溫度由未安裝熱管的185 ℃降低到安裝了熱管的130 ℃。Yu等[92]提出了一種新型的363 kV/ 5 000 A / 63kA串并聯(lián)結(jié)構(gòu)的SF6氣體絕緣真空斷路器，通過建立3維電磁-熱-流體耦合有限元模型并進行實驗驗證，發(fā)現(xiàn)接觸電阻對整體溫升影響較大。Lv等[93]建立了126 kV/40 kA的電-熱耦合模型，探究了2/3匝線圈式和馬蹄鐵型縱磁觸頭真空斷路器的熱性能，結(jié)果表明，馬蹄鐵型縱磁觸頭的斷路器溫升遠(yuǎn)低于2/3匝線圈式觸頭的斷路器；并在此基礎(chǔ)上提出一種新的高壓真空斷路器結(jié)構(gòu)，將靜導(dǎo)電桿與其支架之間的彈簧連接改為固定連接。

2.1.4 真空斷路器X射線泄漏

真空斷路器進行電弧開斷時，可能會有X射線產(chǎn)生。真空斷路器被認(rèn)為是雜散輻射源，開斷大電流時，在局部強電場作用下，陰極表面發(fā)射電子，電子在電極間被加速，電子撞擊真空斷路器的陽極，此時會發(fā)生軟X射線發(fā)射及特定材料的特征輻射。X射線輻射水平主要取決于外加電壓和觸頭間隙，更高的電壓會導(dǎo)致更高的X射線輻射，而更大的觸頭間隙（在相同電壓下）會降低X射線的發(fā)射水平[94]。在外加工頻電壓為126、150及170 kV情況下，當(dāng)觸頭間隙為20 mm時，X射線輻射劑量分別為2.9、14.4和29.0 μSv；當(dāng)觸頭間隙為30 mm時，X射線輻射劑量分別為0.75、3.3和11.5 μSv。IEC62271-1標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定126 kV時的X射線輻射應(yīng)小于5 μSv/h，在額定電壓145 kV時，真空滅弧室可以滿足IEC62271-1標(biāo)準(zhǔn)中與X射線發(fā)射有關(guān)的要求[95]。圖12為Siemens145 kV新舊高壓真空滅弧室的X射線輻射劑量隨外加電壓的變化[95]，對于較高的電壓，測量到的X射線輻射開始占據(jù)主導(dǎo)地位。然而，額定（145 kV）和工頻耐受電壓（275 kV）下的輻射值明顯低于相關(guān)的IEC限值5 μSv/h和150 μSv/h。

圖12 額定電壓為145千伏的新舊高壓真空滅弧室X射線輻射劑量率與施加電壓的關(guān)系[95]Fig.12 Relationship between X-ray radiation dose rate and applied voltage of new and old high-voltage vacuum interrupters with a rated voltage of 145 kV[95]

2.1.5 真空滅弧室的外絕緣

真空滅弧室通常設(shè)計緊湊，為了滿足斷路器的絕緣要求，有必要使用外部絕緣介質(zhì)。

中等電壓水平的真空斷路器，外部絕緣介質(zhì)的使用與否取決于不同制造商的應(yīng)用和設(shè)計，在高電壓水平下，所有商用真空斷路器都需要額外的外部絕緣介質(zhì)，高壓真空斷路器可以采用油、氣體和固體外絕緣材料。第1個商用高壓真空斷路器設(shè)計使用SF6氣體作為外部絕緣介質(zhì)，自1997年COP3（《京都議定書》）將SF6氣體定義為全球變暖氣體之后，其他外部絕緣介質(zhì)——N2、潔凈空氣、固體絕緣被探索和應(yīng)用 （商用高壓真空斷路器和正在開發(fā)的產(chǎn)品所使用的外部絕緣介質(zhì)）。Rokunohe等[96]探究了不同O2比例下N2/O2混合氣體的介電強度，并研究了絕緣涂層對介電性能的影響，結(jié)果表明，在涂層條件下，潔凈空氣的介電強度等于10% （SF6/N2）混合氣體的介電性能。

由于與SF6相比，N2、潔凈空氣的絕緣強度較弱，真空滅弧室的外部絕緣介質(zhì)需要更高的壓力來保持真空斷路器的緊湊設(shè)計。商用高壓開關(guān)設(shè)備的典型氣體壓力值范圍為0.8至1.0 MPa，真空斷路器的設(shè)計必須能夠承受更高的壓力值。

此外，替代氣體的分子比SF6的分子要小，整個斷路器的設(shè)計必須考慮不同替代氣體的滲透性。與氣體斷路器不同，以氣體為外絕緣介質(zhì)的真空斷路器不會產(chǎn)生開斷副產(chǎn)品，對于真空斷路器，氣體只有絕緣功能，沒有開斷功能。

2.2 真空開斷型環(huán)保電力開關(guān)設(shè)備產(chǎn)品現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

真空開斷型環(huán)保電力開關(guān)設(shè)備的開發(fā)基于真空斷路器的發(fā)展，目前單斷口真空斷路器的商業(yè)化產(chǎn)品水平已經(jīng)發(fā)展到145 kV/40 kA。2018年，Siemens推出了175 kV/50 kA和245 kV/63 kA單斷真空斷路器概念機，但目前并未有成熟產(chǎn)品。表3為國內(nèi)外制造商生產(chǎn)的高電壓等級真空滅弧室產(chǎn)品數(shù)據(jù)[13]。

表3 真空滅弧室制造商的高壓真空滅弧室參數(shù)[13]Tab.3 High voltage vacuum interrupter parameters of the equipment vendors in the market[13]

自2000年以來，無SF6外絕緣高壓真空斷路器迅速發(fā)展，N2、潔凈空氣（約80%N2和20%O2，不含水分和惰性氣體）因其良好的絕緣性能和經(jīng)濟性而被視為真空斷路器外絕緣替代氣體。如今，用于AIS和GIS的高達(dá)145 kV電壓等級的商用產(chǎn)品已被研制。Simens公司在2010年首先研制出72.5 kV/31.5 kA（外絕緣采用0.21 MPa N2）Blue GIS，此設(shè)備已經(jīng)在很多國家投入使用；2020年開始，一臺72.5 kV Blue GIS在中國大陸近海風(fēng)機電站投入使用，同時有80臺將在中國臺灣投入運行。后續(xù)Siemens公司又開發(fā)出了145 kV/40 kA瓷柱式真空斷路器，圖13為在河南翔云變電站運行中應(yīng)用該型號145 kV真空斷路器。此外，Siemens公司還采用潔凈空氣作為外絕緣，成功研制出145 kV/40 kA Blue GIS，如圖14所示。日立公司采用C4F7N/CO2/O2混合氣體作為真空滅弧室的外絕緣，研制出145 kV/50 kA EconiQ GIS，該產(chǎn)品開斷和絕緣性能好，且設(shè)備占地小，氣體壓力小，但外絕緣氣體自恢復(fù)能力差且易產(chǎn)生碳微粒。日本明電舍公司基于干燥空氣研制出145 kV/40 kA罐式斷路器，設(shè)備開斷性能良好，且故障后自恢復(fù)能力強。

圖13 河南翔云變電站運行中的145 kV真空斷路器Fig.13 145 kV vacuum circuit breaker in Henan Xiangyun Substation

圖14 Siemens公司8VN1型 145 kV Blue GISFig.14 Siemens 8VN1 145 kV Blue GIS

國內(nèi)廠家也積極開展真空開斷型環(huán)保電力開關(guān)設(shè)備的開發(fā)工作。平高集團采用N2作為外絕緣氣體，研制出145 kV/40 kA瓷柱式真空斷路器，開斷與環(huán)保性能好，自恢復(fù)能力強，如圖15所示。同時，以CO2作為外絕緣氣體，平高集團已成功研制126 kV/40 kA GIS，此設(shè)備成本低，運維簡單，但當(dāng)開斷小電流時，CO2易產(chǎn)生碳微粒進而影響其絕緣性能，如圖16所示。廣東電網(wǎng)公司的126 kV/50 kA GIS（以合成空氣絕緣）已處于研發(fā)階段，并計劃于2023年投運。西電集團也開始了126 kV/40 kA GIS（以C4F7N/CO2絕緣）的研發(fā)工作。

圖15 平高集團在運的126 kV瓷柱式真空斷路器Fig.15 126 kV porcelain pillar vacuum circuit breaker in operation by Pinggao Group

圖16 平高集團 126 kV/40 kA GISFig.16 Pinggao Group 126 kV/40 kA GIS

目前，單斷口真空滅弧型GIS電壓等級最高已經(jīng)到達(dá)145 kV，最大短路開斷電流為40 kA，且絕緣介質(zhì)為環(huán)保氣體。中國現(xiàn)有最高等級真空滅弧GIS已經(jīng)達(dá)到126 kV，額定短路電流也已經(jīng)達(dá)到40 kA，與世界最高水平相差不多。雙斷口真空滅弧型GIS最高到達(dá)204 kV，但是絕緣介質(zhì)采用的是SF6氣體。在真空斷路器的發(fā)展過程中，170 kV/50 kA的真空滅弧型環(huán)保GIS已經(jīng)接近完成，Siemens和ILJIN Electric聯(lián)合開發(fā)了一臺170 kV/50 kA環(huán)保GIS，已經(jīng)通過型式試驗，但是尚未推向商業(yè)市場。Siemens公司170 kV/50 kA和245 kV/63 kA的單斷口真空滅弧室正在開發(fā)中，并于2018年在CIGRE會議上展示了原型，Siemens公司將基于此真空滅弧室開發(fā)245 kV的瓷柱式真空斷路器和環(huán)保型GIS?；?45 kV單斷口真空滅弧室，可以通過串聯(lián)實現(xiàn)420 kV和550 kV的雙斷口真空滅弧室，進而開發(fā)420 kV和550 kV的真空斷路器與環(huán)保GIS。

3 結(jié) 論

梳理分析了環(huán)保型高壓電力開關(guān)設(shè)備研究現(xiàn)狀，回顧了環(huán)保氣體絕緣開關(guān)設(shè)備中替代氣體的絕緣性能、開斷性能及分解特性的研究，分析了真空開斷型環(huán)保電力開關(guān)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)——真空電弧磁場控制技術(shù)，斷路器內(nèi)、外絕緣技術(shù)，設(shè)備溫升特性及X射線泄漏問題，并總結(jié)了環(huán)保型高壓電力開關(guān)設(shè)備產(chǎn)品現(xiàn)狀。根據(jù)作者的思考，提出進一步研究重點及建議供參考：

1）C5F10O和C4F7N兩種混合氣體的相關(guān)研究表明其絕緣和開斷性能基本滿足設(shè)備需求，但這些氣體放電情況下副產(chǎn)物復(fù)雜，需要考慮其分解產(chǎn)物與斷路器內(nèi)部組件的反應(yīng)及對滅弧性能的影響，且缺少C5F10O和C4F7N與其他氣體混合的協(xié)同效應(yīng)分析。

2）需要進一步明確環(huán)保氣體絕緣介質(zhì)在運行過程中不同故障條件下的分解特性，C5F10O的絕緣性能研究較少，仍需對沿面絕緣特性開展大量研究，以對新型環(huán)保設(shè)備的絕緣設(shè)計提供依據(jù)。

3）大開距真空電弧磁場控制作用減弱，需要探究大直徑、大開距真空電弧的磁控技術(shù)，深入研究分閘特性與極間磁場的配合，進而提出面向252 kV真空滅弧室的分閘特性曲線。

4）采用潔凈空氣作為真空開斷型環(huán)保電力開關(guān)設(shè)備的外絕緣，由于與SF6相比，潔凈空氣的絕緣強度較弱，真空滅弧室的外部絕緣介質(zhì)需要更高的壓力來保持真空斷路器的緊湊設(shè)計，這對開關(guān)設(shè)備的氣密性、真空波紋管提出了更高的要求，需要對絕緣配合進行優(yōu)化設(shè)計；且在GIS中，以潔凈空氣或純N2作為外絕緣，需要進一步優(yōu)化隔離開關(guān)和接地開關(guān)的設(shè)計以保證其正常開斷。

5）真空斷路器向開斷高電壓、更大電流發(fā)展，需要探究增加滅弧室的散熱或減少發(fā)熱的途徑。