環保氣體絕緣金屬封閉開關設備研究現狀及發展動向

陳波　許愛東　韓利群　王俊豐

摘 要：文章首先對環保氣體絕緣金屬封閉開關設備中使用的環保氣體進行介紹，包括SF6混合氣體、干燥空氣和氮氣及其他SF6替代氣體，然后闡述了環保氣體絕緣金屬封閉開關設備在體積、結構、維護性、安全性和環境適應性等方面的技術特點，并分別介紹不同環保氣體開關設備的優缺點；同時，闡述了環保氣體絕緣金屬封閉開關設備在絕緣及開斷能力、溫升、環保氣體工業化生產等方面的技術難點，最后提出了未來開關設備智能化的發展方向。

關鍵詞：環保氣體絕緣金屬封閉開關設備；干燥空氣；氮氣；SF6混合氣體

1 概述

氣體絕緣金屬封閉開關設備是堅強電網中不可或缺的產品，其大量應用于電網配電系統中，直接關系到電網的可靠運行。為電網運行可靠，提升電網節能、環保水平，國內外對氣體絕緣開關設備進行了一系列的研究與生產制造。

氣體絕緣開關設備在絕緣介質的使用上，經歷了空氣絕緣，SF6氣體絕緣及環保氣體絕緣的發展歷程；在滅弧技術的使用上，經歷了空氣滅弧，SF6滅弧及真空滅弧的過程；在結構形式上經歷了敞開式、半封閉及全封閉等階段。

傳統氣體絕緣開關設備以空氣作為絕緣介質，占地面積較大，并且容易受外部環境的影響，潮濕、臟污等自然條件容易引起設備的故障。隨著上世紀70年代第一臺SF6氣體絕緣開關設備誕生，由于SF6氣體具有較高的介電強度，絕緣性能良好，且化學特性穩定，在大大減小開關設備尺寸的同時，保證了氣體絕緣開關設備的可靠運行，因此采用SF6氣體作為絕緣媒介或主絕緣媒介的開關設備在國內外得到廣泛的應用。但是SF6氣體分解難且為公認的溫室氣體，其每個分子對溫室效應的影響是CO2的23900倍，衰減周期為3200年，對人類的生存環境造成極大的潛在威脅；而且SF6氣體作為滅弧介質易產生有害物質，一旦泄露將危及到相關人員的身體健康。為減少溫室效應，防止環境污染，國家發改委編制《中國電網企業溫室氣體排放核算方法與報告指南》、《氣體絕緣金屬封閉組合電器SF6減排計量與監測方法學》，要求各電力公司加強對CO2及SF6的排放控制。為此，開關制造業不斷努力進行環境友好型替代氣體的特性、SF6替代絕緣介質和無/少SF6氣體絕緣開關柜的研究。

目前，氣體絕緣金屬封閉開關設備中的環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混合氣體在開關設備中僅用作絕緣，通過真空滅弧室進行開斷滅弧，限制了SF6的充氣比例或充氣壓力，實現減小溫室氣體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，目前仍未工業化[1]。隨著環保氣體理論研究的日益成熟，各類環保氣體絕緣金屬封閉開關設備也開始研制，并已經有部分公司產品通過了型式試驗和掛網運行，無論從經濟上，性能上，環保性上都獲得了一致的認可。下面將對環保氣體金屬開關設備的技術特點及技術難點進行重點闡述。

2 技術特點

環保氣體絕緣金屬封閉開關設備以環保氣體（如少量SF6與N2混合氣體，干燥空氣，N2）為主要絕緣介質，使用真空滅弧室作為開斷滅弧元件，并將真空滅弧室及一次導電回路固封在環氧樹脂殼體或不銹鋼氣箱中。國內開關設備企業從2004年開始研制環保氣體開關設備，經過十幾年的努力，已經有不少公司研制的產品通過型式試驗和掛網運行，目前主要用于中壓領域，如12～72.5kV干燥空氣絕緣開關柜，12kV和40.5kV氮氣絕緣開關柜，24～72.5kV充SF6混合氣體（其中SF6比例最高為50%）的開關柜。通過10多年的掛網運行經歷，將環保氣體絕緣金屬封閉開關設備與傳統的空氣絕緣金屬封閉開關設備以及SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備的各項性能進行對比，將其總結如下，如表1所示[2]。

通過表1可以看出，傳統的空氣絕緣金屬封閉開關設備由于采用空氣作為絕緣介質，極易受外部環境的影響，潮濕、臟污、海拔等情況將對開關設備產生較大的影響，而且開關設備體積較大，占地面積較大，不符合小型化的趨勢。SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備由于采用SF6氣體作為絕緣和滅弧介質，使開關設備的體積減少，且不易受環境的影響，但由于SF6氣體為溫室氣體，且使用過程中極易產生有毒物質，在設備的運行過程中需要對其進行泄漏檢測與防護。環保氣體絕緣金屬封閉開關設備與前兩者相比，將主回路安裝在充滿環保氣體氣箱內，并通過真空滅弧室進行滅弧，使設備體積小，環境適應性強；由于沒有SF6氣體，取消SF6氣體的檢漏設備和回收裝置，簡化了檢測項目，不需對有毒分解物進行檢測；同時，環保氣體開關設備安全可靠，免維護，規模化生產后成本較低。可見，相比而言，環保氣體絕緣金屬封閉開關設備在性能上具有較大的優勢，是比較理想的中壓金屬封閉開關設備。下面分別對目前市場上環保氣體絕緣金屬封閉開關設備產品中的SF6混合氣體、干燥空氣、氮氣絕緣開關設備進行技術特點的介紹。

2.1 SF6混合氣體絕緣金屬封閉開關設備

SF6混合氣體絕緣金屬封閉開關設備主要絕緣介質為不同比例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），其通過少量的SF6氣體保證了足夠的絕緣強度，并利用真空滅弧室滅弧，使環網柜可以實現小型化[3]。圖1為上海天靈開關有限公司SF6與N2混合氣體開關設備，其中SF6占10%，N2占90%，SF6和N2混合氣體僅用作絕緣，真空滅弧室作為開斷電流元件，實現減小SF6氣體使用目的，同時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境適應能力。

SF6混合氣體絕緣金屬封閉開關設備主要優缺點如下：

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

（2）SF6混合氣體及高壓元件密封在氣箱中，提高了開關設備的環境適應能力，能夠承受高海拔、嚴寒、潮濕、污穢等惡劣環境。

（3）采用微正壓力氣體絕緣，降低了氣體泄漏的概率，即使氣箱發生漏氣故障，仍在零表壓時維持足夠的絕緣強度不會影響環網柜的正常運行。

（4）減少SF6的使用，可以提高開關設備的環保性，但同時，由于SF6混合氣體要保證正確的氣體成分，使生產工藝較復雜，且漏氣時的補氣措施較困難。另外，由于混合氣體中SF6“被污染”，導致在生命周期結束后這些SF6氣體回收困難，在一定程度上也降低了環網柜的環保性。

2.2 干燥空氣絕緣金屬封閉開關設備

干燥空氣絕緣金屬封閉開關設備以干燥空氣為主要絕緣介質；干燥空氣絕緣性能不如SF6氣體，因此導致其體積較大[4]。目前通常干燥空氣是使空氣經過空氣壓縮機、冷凍式干燥機、精密過濾器組、除油過濾器等的處理，除去空氣中的水蒸氣、塵埃等雜質獲得。如圖2所示為北京ABB高壓開關設備有限公司推出的干燥空氣絕緣開關設備，使用的干燥空氣是采用工業用混合氣體，其成分為19.5～23.5%氧氣，其余為氮氣，壓力為1.4bar；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關設備主要優缺點如下：

（1）同SF6混合氣體絕緣開關設備一樣，由于主要絕緣介質為氣體，固體絕緣材料較少，減小局部放電的風險；同時，采用微正壓力氣體絕緣，降低了氣體泄漏的概率，且帶電體均密封在氣箱中，提高了環網柜的環境適應能力，能夠承受高海拔、嚴寒、潮濕、污穢等惡劣環境。

（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，因此不存在漏氣時的補氣困難和產品生命周期結束后氣體的回收問題。

（3）成熟可靠的氣體絕緣開關設備生產工藝可以保證干燥空氣絕緣環網柜良好的性能，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，導致干燥空氣絕緣環網柜的體積比SF6氣體、固體絕緣環網柜體積更大，不具備尺寸上的優勢，但可通過合理的布局，改變電場分布，從而減小體積。

（5）目前，用于電氣產品上的干燥空氣沒有固定的標準，使其成分具有不確定性，無法保證其雜質及水蒸氣的含量，導致以干燥空氣為絕緣介質的產品具有不穩定性，產品性能參差不齊。

2.3 氮氣絕緣金屬封閉開關設備

氮氣絕緣金屬封閉開關設備以氮氣作為主要絕緣介質，利用真空滅弧室進行開斷。同干燥空氣一樣，氮氣絕緣性能不如SF6氣體，因此其體積相對較大。目前氮氣的生產工藝是將壓縮空氣經過冷凍式干燥機進行干燥，通過精密過濾器組濾除較大的固體和液態顆粒及油份，然后進入活性炭吸附器，利用碳分子篩在不同壓力下對氮和氧及其他氣體的吸附量的不同，吸附除氮氣之外的空氣分子，從而獲得純度大于99%的氮氣。圖3為四方公司正在研制的氮氣絕緣開關設備，即將完成型式試驗。該氮氣絕緣開關設備由充氣（氮氣）隔室、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。其中充氣隔室的內部裝有開關本體和接地開關本體、進（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）。開關的操動機構（彈簧操動機構和手動操動機構）均置于充氣隔室的外部正前方位置。隔離開關與真空滅弧室采用一體化設計理論，操作簡單可靠。氣箱內壓力與外部壓力內采用微正壓設計，既確保內部絕緣要求又保證不漏氣。主要優勢如下：（1）綠色環保。使用新型尼龍塑料作為帶電元件的固體絕緣介質，實現了低耗能，解決了使用環氧樹脂不能回收的問題。（2）安全方便。內置式主母線采用插拔連接，并選用直動式隔離開關，且隔離開關與斷路器聯動，有利于分合閘過程快速連貫且準確無誤。（3）小型化。采用金屬全封閉、全密封箱體，并采取共箱式結構，實現柜體小型化。（4）智能化。該氮氣絕緣開關設備集成了數字化傳感器和終端，實現智能化。

氮氣絕緣金屬封閉開關設備的主要優缺點如下：

（1）同其他環保氣體絕緣金屬開關設備一樣，由于主要絕緣介質為氮氣，固體絕緣材料較少，減小局部放電的風險；同時，氮氣為環保型氣體，采用微正壓力氮氣絕緣，降低了氣體泄漏的概率，且帶電體均密封在氣箱中，提高了環境適應能力，能夠承受高海拔、嚴寒、潮濕、污穢等惡劣環境。

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

（3）氮氣的制作工藝已經成熟，批量生產時不會額外增加成本。

（4）氮氣絕緣開關設備的生產工藝與其他氣體絕緣開關設備的成熟工藝基本相同，在生產時能夠保證良好的加工質量，且不會存在額外的成本。

（5）氮氣絕緣性能不如SF6氣體、固體絕緣材料，導致氮氣絕緣開關設備體積相對較大；特別對于負荷開關-熔斷器組合電器柜來說，以氮氣為主要絕緣介質與以SF6氣體為主要絕緣介質相比，體積較大，主要原因在于SF6氣體本身可以滅弧，而氮氣不可以滅弧，必須通過真空滅弧室滅弧，真空滅弧室的增加不可避免的導致柜體體積的增大。

3 技術難點

環保氣體絕緣金屬封閉開關設備的關鍵技術難點如下：

（1）絕緣優化。由于環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]，因此需要對開關設備的絕緣進行重新研究。為確保絕緣強度，對檢漏補氣及焊接等工藝提出了更高的要求，如采用自動檢漏充氣設備及機器人焊接設備來確保精度。同時，由于體積比SF6氣體絕緣開關設備略大，因此需要對高壓元件進行合理的布置，以降低電場強度。

（2）開斷能力的保證。對于環保氣體絕緣金屬封閉開關設備中的負荷開關單元，若采用環保氣體，其開斷能力將會受到影響，需通過真空滅弧室來增強開斷能力。但是由于真空滅弧室通常開距較小，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，目前負荷開關單元通常需要真空滅弧室與三工位隔離開關/接地開關相匹配，導致產品體積增大，成本增強。因此如何在不使用真空滅弧室開斷的情況下保證開斷能力將是未來急需研究的問題[6]。

（3）溫升與散熱。氣體絕緣金屬封閉開關設備將高壓元件密封在不銹鋼氣箱中，并采用環氧樹脂，硅膠等少量固體絕緣材料來提高絕緣強度，密閉的空間使主回路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，使開關設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，解決散熱問題將是緊湊的氣體絕緣金屬封閉開關設備的一個難點。

（4）環保氣體的工業化生產。目前，SF6的替代氣體正在理論驗證過程中，發現PFC氣體（包括C3F8、C2F6、CF4等）、CF3I氣體絕緣性能與SF6相當，且對環境沒有污染。但目前無法實現工業化，導致成本較高，因此如何實現SF6的替代氣體的工業化將是一個亟待解決的問題。

4 發展動向

通過上述技術特點和技術難點的闡述可以看出，環保氣體絕緣金屬封閉開關設備相比其他氣體絕緣金屬封閉開關設備具有巨大的優勢，同時也有許多難點，因此未來的發展動向首先要解決絕緣強度、溫升、開斷能力的保證和環保氣體工業化生產的問題，以突出環保氣體絕緣金屬封閉開關設備在技術、經濟性、環保性等方面的優勢；此外，開關設備的智能化將是未來發展的方向，如何實現一二次融合，減少配電自動化安裝調試和維護的工作量，提高設備運行可靠性和自動化水平將是開關設備完善需要考慮的問題。

參考文獻

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[2]全國輸配電技術協作網，中能國研（北京）電力科學研究院.無/少SF6氣體金屬封閉開關設備技術白皮書[Z].2015，7.

[3]張交鎖.環保性氣體絕緣輸配電開關設備[A].2013年配電開關開關創新應用與發展技術交流峰會[C].西安，中國電力企業聯合會科技服務中心全國輸配電技術協作網，2013，4.

[4]陳慎言，錢立驍，等.N2X-25kV環保型充氣柜的研發[A].2008年20kV電壓供電專題研討會[C].蘇州，中國電機工程學會，江蘇省電機工程學會，2009：107-111.

[5]張強華，譚燕，鄔建剛.40.5kV無SF6 C-GIS開關柜研究[J].高壓電器，2011，47（6）：29-38.

[6]孫竹森，蘭劍.環保型金屬封閉開關設備的技術特點與發展趨勢[J].中國電業（技術版），2014.