環保氣體絕緣金屬封閉開關設備前景向好

／本刊記者 徐暉／

國內已有設備制造企業研制出無／低SF6氣體絕緣開關設備，部分產品通過了型式試驗并掛網運行

近幾十年來，憑借優良的物理性能，SF6氣體在電氣工業領域被廣泛用于電氣絕緣和電流關斷。由于一定壓力下的SF6氣體比其他絕緣介質具有更高的介電強度，這有助于氣體絕緣開關設備安全可靠地運行，同時大大減小開關設備的尺寸，滿足有限空間下的安裝使用。

然而，SF6是一種典型的溫室氣體，電網和企業用戶需要在整個使用周期中小心處理。規范管理和使用SF6的成本很高，特別是當變電站老化退役時所需要的處理費用。SF6氣體的削減和替代是電力開關行業需要急迫解決的問題，也是電力開關設備研究和制造領域不可推卸的責任和義務。

為確保電網運行安全、可靠性水平的不斷提升，積極適應新型能源的大規模接入及優化電網資源配置，建設更加符合經濟社會要求的節能、環保型電網，持續提升智能電網建設水平，全面落實電網建設、運行全壽命投資最省理念，需要持續、廣泛地開展電網創新成果的推廣應用工作，國內已有設備制造企業研制出無／低SF6氣體絕緣開關設備，部分產品通過了型式試驗并掛網運行。日前，行業專家對環保氣體絕緣金屬封閉開關設備制造企業和使用單位進行了實地調研，完成了《環保氣體絕緣金屬封閉開關設備報告》（以下簡稱《報告》）。

優勢明顯 前景向好

電網在人類經濟生產生活中扮演著越來越重要的角色，正成為全球創新活動最活躍的領域之一，安全環保的智能電網將為人類的可持續發展提供堅實的保障。而在智能電網的終端分布領域，環網柜作為配電站或箱式變電站的核心部件，其作用也就愈發凸顯，承擔著將電能分散到單個集中負荷用電單位中去的重任。

表 環保氣體絕緣金屬封閉開關設備性能對比分析

在經歷了空氣絕緣、空氣和SF6氣體混合絕緣的環網柜絕緣介質的發展歷程之后，德國的Driescher公司1978年在漢諾威工業博覽會上展出了他們的SF6氣體環網柜，這也標志著環網柜正式進入SF6氣體絕緣環網柜時代。以SF6氣體作為絕緣與滅弧介質的配電開關產品，因其不銹鋼外殼強度好、防腐能力強、散熱性能好并且可靠接地，能保證人身安全的優點而得到全世界大部分用戶的一致贊譽。

然而隨著時代的進步，人們愈發不滿足于環網柜既有的環保與安全級別，國內外相繼推出了環保氣體絕緣金屬封閉開關設備。據《報告》顯示，環保氣體絕緣金屬封閉開關設備的優勢除了綠色環保外還主要體現在以下幾個方面：體積小。采用無/低SF6氣體絕緣保留了氣體絕緣開關設備尺寸上的優勢，柜體尺寸小，節約占地；維護量小。高壓絕緣不受外界環境的影響，不易老化，用戶在現場無需處理氣體等，可降低設備的全壽命周期成本；高模塊化。靈活組合，拼接方便；安全可靠。所有高壓元件密封在充氣的金屬殼體內，金屬殼體可靠接地，保證了運行維護人員的安全。

相比較而言，傳統的空氣絕緣金屬封閉開關設備無溫室氣體排放，成本低，但體積大、占地大，且易受周圍環境的影響，為非免維護型產品；SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備雖然體積小、節約占地，環境適應性強，但是其溫室氣體的排放對環境有危害，并且在設備的運行中需要對 SF6氣體進行泄漏檢測與防護；與前兩者相比較，無／低SF6氣體絕緣開關設備綠色環保，環境適應性強，體積小、節約占地，無需SF6氣體檢測與防護，安全可靠，免維護，并且規?；a后成本較低，是現階段比較理想的中壓金屬封閉開關設備（見下表）。

環保型氣體絕緣金屬封閉開關設備從研制到運行只有幾年時間。 由于人們對SF6氣體絕緣的根深蒂固認識，加之環保氣體與SF6氣體在絕緣性能上的差距，故而，到目前為止應用并不十分廣泛。

由于環保型氣體絕緣金屬封閉開關設備不使用或很少使用SF6，不需要氣體回收及防護裝置，充氣簡單，不存在有毒電弧分解物，是真正的環保產品。同時，環保型氣體絕緣金屬封閉開關設備不受大氣條件限制，特別適合于污穢和潮濕環境，是免維護產品。經過近十年的發展進程，從產品的設計制造到運行經驗的積累，都取得了長足的進步，因為這些明顯優勢，已得到用戶和市場的初步認可，前景向好。

技術難關仍需攻克

但實際上，環保氣體絕緣金屬封閉開關設備仍有諸多問題需要解決。采用新型環保氣體后，如干燥空氣或N2，由于絕緣性能低于SF6，特別是N2，其絕緣性能僅為SF6氣體的 1/3，因此需要對開關設備的絕緣進行重新研究。為確保絕緣強度，在檢漏補氣以及焊接工藝等方面應加強研究，如采用自動檢漏及充氣設備以及機器人焊接設備等。此外，還應進行電場的優化設計，使場強盡量均勻，并采用降低電場的元器件，如金屬屏蔽等。同時要考慮采用無/低SF6氣體作為開關設備的絕緣介質后，如何使之與SF6氣體絕緣產品的外形尺寸和制造成本基本保持不變、用戶界面和操作方式基本類同等問題。

對于環網柜中的負荷開關單元，如采用無／低SF6氣體，其開斷能力會受到影響。采用真空滅弧室來增強開斷能力是一個成熟的替代方案。但是用真空滅弧室作為隔離斷口目前還很難被接受，因為真空斷口在高電壓作用下存在 NSDD 的可能，真空觸頭的冷焊現象也容易導致沖擊水平的下降，直接威脅人身安全。所以，現有的真空負荷開關需要與三工位隔離/接地開關相匹配，但成本高，產品尺寸大。因此，研究新型的開關結構，使無／低SF6氣體既可以做絕緣介質又可以做滅弧介質。

氣體絕緣金屬封閉開關設備的特點就是將高壓元件密封于不銹鋼氣箱內，密閉的氣箱對于負載電流產生的熱量只能通過有限的對流、傳導和輻射方式進行散熱，因此它的設計電流密度相對于傳統式（或敞開式）空氣絕緣需要適當降低。不同氣體相同的設計，其溫升裕度有很大的差別，同樣條件下SF6與N2或干燥空氣相差10K以上。因此，溫升控制在緊湊的環保氣體絕緣開關柜設計中是一個挑戰。

同時，混合氣體的回收也是一個重要問題。設計時不同比例的混合氣體回收裝置的研發， 漏氣發生時如何補氣措施，產品維護維修措施，產品廢棄后的有害物質的處理等都應在理論上加強研究，制度上加以規范。

無／低SF6氣體已有研究單位研究，絕緣性能與SF6基本相當，對環境沒有污染，但其研究成果需要工業化。能夠工業化提供這種氣體后，開關設備制造企業可研制使用無／低SF6氣體的開關設備。

國內外發展現狀

國外很多公司早年就研究開發環保氣體絕緣金屬封閉開關設備，按結構特征主要分為歐洲模式和日本模式。歐洲模式是將真空滅弧室作為快速合接地以達到免維護功能，并取消空氣絕緣柜通常下接地開關快速接地的設計模式，以簡化設計，依據簡單就是可靠的原理，提高產品的可靠性和競爭力；日本模式是斷路器上下和電纜側均具有三位置隔離刀，且電纜側具有快速接地開關，并具有電纜試驗套管。斷路器上下刀具有檢修斷路器功能，即 LSC-2B 的運行連續性，電纜側三工位具有電纜試驗功能。電纜試驗套管為電纜高壓試驗引入端。日本的設計安全性更高，但整機設計和機械聯鎖過于復雜，產品經濟性差。在箱體設計上，歐洲普遍采用激光焊接的3mm不銹鋼薄板；日本則普遍采用氬弧焊接涂漆防腐處理的8mm及以上厚碳鋼板。國內開關設備制造企業從2004年開始研制環保氣體絕緣金屬封閉開關設備，到目前為止，完成產品型式試驗以及掛網運行的企業非常有限。

據中國電力科學研究院專家蘭劍介紹，目前沈陽華利電器集團、平高集團上海天靈開關廠有限公司、蘇州朗格電氣有限公司、北京ABB高壓開關設備有限公司等單位研發的12kV、40.5kV、72.5kV電壓等級的環保氣體絕緣金屬封閉開關設備均已通過國家能源局認可的第三方試驗檢測機構的產品型式試驗檢測，并有千余臺產品已在電網中運行長達4～7年的經歷。從實際調研結果看，目前此類產品從技術和工藝上都已漸成熟，現已初步具備推廣應用條件。

為落實國家對電網節能環保的要求，積極促進《國家電網公司新技術目錄（2014）版》中針對環保氣體絕緣金屬封閉開關設備的推廣應用，相關專家對環保氣體絕緣金屬封閉開關設備產品做出如下建議：無／低SF6氣體絕緣開關設備已經具備批量生產及安全使用的條件；為該產品在國內市場的大力推廣及出口國外市場提供政策上支持；為該類產品在電力系統的推廣應用，在價格上給予支持，保證企業后續持續改進創新；進一步加強該產品的研制力度，在市場逐步擴大的同時，規范行業管理，有序發展；更深層次加強企業、用戶和管理部門的交流與溝通，推進對該產品的認識。

相關鏈接：

平高集團上海天靈開關廠有限公司：

N2S環保型氣體絕緣金屬封閉開關柜設備

采用環保的非SF6氣體絕緣。不會產生對環境的不利影響。柜體占地面積小。每臺柜占地為500mm×1200mm。模塊式結構，上、下雙氣箱布置；母線氣室和斷路器氣室分開，增加運行的安全性和靈活性，主母線不停電即可更換斷路器氣箱。一次回路真正免維護。高壓回路采用氣體密封，不受外界環境的影響。采用德國進口VEG型真空斷路器，機械壽命可達30000次，提高了設備的性能和高可靠性。高壓氣箱采用三維五軸激光焊接機焊接加工和氦檢漏設備作泄漏測試。保證年泄漏率小于0.1%。該開關柜操作安全方便，斷路器和隔離開關同時具備手動和電動操作功能，斷路器和隔離開關之間有可靠的機械聯鎖，符合“五防聯鎖”的要求。采用硅橡膠連接器作為母線連接，直接插拔式安裝。簡化了現場安裝工作，無需現場充放氣。電纜接頭、母線連接器、內錐絕緣子等高壓元器件全部采用德國制造。高品質的元件是高品質產品的保證。柜體采用進口敷鋁鋅板經折彎組裝而成，機械強度高，抗氧化、腐蝕性能強。敷鋁鋅板在板金加工過程中表面覆有薄膜，防止劃傷。所有操作均與高壓部件絕對隔離；簡單且有效的閉鎖，防止了誤操作。本開關柜能滿足GB 3906、DL 404、 IEC62271-200等標準要求。不用移開相鄰的開關柜，即可移出整個開關柜。

沈陽華利電器集團：

HG4型環保氣體絕緣金屬封閉開關設備

HG4型環保氣體絕緣金屬封閉開關設備（C-GIS）為沈陽華利自主研發，國內首次采用干燥空氣/氮氣為絕緣介質的環保型氣體絕緣金屬鎧裝開關柜，為填補國內空白的產品，是集真空滅弧技術、APG技術、氣體絕緣技術和界面絕緣技術于一體的新一代中壓成套電器產品。

根據環保和避免溫室效應的要求，使用干燥空氣/氮氣作為設備的相間和相對地的絕緣介質。產品結構更緊湊，尺寸較小，占地面積少?？梢源蠓裙澕s有限的城市用地。

受、變電設備的小型化，不僅可以降低包括建筑物在內的受變電設備的總成本，而且從產品壽命周期角度看，有助于減少對環境的負荷。

金屬鎧裝氣體密封，高壓部件防水、防塵，不受環境影響，完全免維護；采用彈簧操作機構、固封極柱真空滅弧室，零部件數量少。

采用智能控制和保護單元，具有強大的控制、保護、測量功能，完全實現配網自動化要求。產品具有可靠的機械和電氣聯鎖設計方案，能有效地防止誤操作。

柜與柜之間，用硅橡膠母線連接器連接，安裝方便、擴展靈活，且不需要對氣體進行操作。不銹鋼箱體采用激光氣密焊接，從而達到極低的漏氣率，環保效果顯著。

蘇州朗格電氣有限公司：

LNV系列氮氣絕緣環網柜

創新技術突破：100%氮氣絕緣，在實現產品小尺寸的同時，較好地解決了溫室效應和環境污染的環保問題。創新型結構設計，在實現了產品小尺寸的同時，提高了產品可靠性 、安全性，產品的溫升、絕緣等滿足技術要求。在零表壓下滿足絕緣要求，更好地保證開關運行的可靠性。成本合理，從系統的角度解決能耗更低，長期節約能源。

設計理念：高可靠性。高安全性。全程環保理念——減少產品全壽命周期內的碳排放和資源消耗，提高配電開關的環保水平。提高配用電系統的可靠性和功能性(自行檢測并排除故障)。降低配用電系統的投資成本和運行費用 (“資產管理”/“壽命周期成本”的原則需支付的運行和維護費用、系統升級成本等）。取消了常規的“負荷開關+限流熔斷器”變壓器保護方案，提高系統可靠性 ，降低能耗。小體積，少的土地占用和少的材料消耗。 ABB推出環保絕緣氣體開關設備

2014年8月21日，ABB宣布開發出新型絕緣氣體混合物用于替代SF6，在開關技術領域實現重大突破。

這一替代型氣體混合物與目前用于開關設備中的六氟化硫氣體具有類似的絕緣性能，但由于其具有極低的溫室效應，會極大地降低對環境的影響。在同樣的電壓等級下，使用這種新氣體混合物的ABB氣體絕緣開關設備（GIS），在其整個生命周期可以將二氧化碳排放量減少50%。

ABB集團電力產品業務部負責人尤柯爾表示：“這項重大成就為未來幾年開發更環保的開關設備鋪平了道路。這種氣體混合物將幫助我們的客戶減少對環境的影響，體現了ABB通過技術創新實現‘用電力與效率創造美好世界’的承諾?！?/p>

這一新技術將率先應用于瑞士蘇黎世奧爾里克的一個變電站，并應用于瑞士電力公司ewz的試點項目中。除了170kV高壓氣體絕緣開關設備以外，ABB還將在中壓氣體絕緣開關設備中應用這種新氣體混合物。

ABB于20世紀60年代首創高壓氣體絕緣金屬封閉開關設備，并不斷推動該項技術的發展與創新，陸續推出了電壓等級從72.5～1200kV的全系列產品。作為這一領域的市場領導者，ABB在全球范圍內安裝的高壓氣體絕緣金屬封閉開關設備已超過23000間隔。這一最新突破將在確保開關設備效率與可靠性的同時，進一步減少碳排放量。