環保氣體絕緣金屬封閉開關設備綜述

于婷 胡文廣

摘 要：本文首先介紹環保氣體絕緣金屬封閉開關設備中常用到的氣體種類，包括N2/SF6混合氣體、氮氣和三氟碘甲烷，對比不同環保氣體的各項性能。同時闡述了環保氣體絕緣金屬封閉開關設備的相關技術要點和發展趨勢，以供參考。

關鍵詞：氣體絕緣金屬封閉開關設備;環保氣體;關鍵技術：發展趨勢

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，其大量應用于電網的配電系統中，直接關系到電網的可靠運行。SF6氣體由于優良的絕緣性能，被廣泛應用于氣體絕緣金屬封閉開關設備領域，但是SF6氣體是一種很強的溫室氣體，N2/SF6混合氣體、氮氣和三氟碘甲烷等氣體都作為SF6的替代氣體被研究。

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等）為主要絕緣介質，使用真空滅弧室作為開滅弧元件，并將真空滅弧室及一次導電回路固封在環氧樹脂殼體的不銹鋼氣箱中。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，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了突破。2020年7月由平高集團與西安交通大學聯合自主設計開發的國內首臺126kV無氟環保型氣體絕緣金屬封閉開關設備宣告研制成功。下面將傳統的空氣絕緣金屬封閉開關設備與SF6氣體絕緣金屬封閉開關設備以及環保氣體絕緣金屬封閉開關設備的各項性進行對比，將其總結如下，如表1所示。

2.氣體絕緣金屬封閉開關用環保氣體的種類

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;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。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 N2/SF6混合氣體

已經有研究表明在SF6中加入N2，CO2或空氣等普通氣體構成的二元混合氣體展現出更多方面的優越性。即使在SF6氣體很低的含量下，N2/SF6混合氣體便具有良好的絕緣性能。綜合技術、生態和環境可靠性等方面的考慮，10%～20%SF6氣體含量的混合氣體是較為優選的氣體絕緣封閉金屬開關的選配氣體方案。為了達到純SF6氣體的絕緣強度，只需提高氣體壓力45%～70%，且SF6氣體的用量和漏氣率將減少約為70%～85%。但這種混合氣體的擊穿電壓略低于具有同等絕緣強度的純SF6氣體。因而，即使是80%N2和20%SF6氣體只能用作絕緣介質，而不能作為斷路器中的滅弧介質，即N2/SF6混合氣體可用于氣體絕緣金屬封閉開關中承擔絕緣任務的所有部件，但是不能用于需要滅弧的氣室。

2.2氮氣（N2）

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。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，該項制作工藝在國內外已經成熟。氮氣絕緣金屬封閉開關設備，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。但是同N2/SF6混合氣體一樣，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。

2.3三氟碘甲烷（CF3I）

三氟碘甲烷作為制冷劑，已在制冷行業中有所應用。其具有良好的導熱性能，又具有較好的電負性，所以也是作為SF6替代氣體的重要研究對象。日本某高校分別對比SF6氣體和三氟碘甲烷開斷不同大小的電流，計算出其電弧時間常數和電弧能量損失系數來判斷氣體的開斷能力的好壞。最終他們得出結論是：三氟碘甲烷和SF6的電弧時間常數相接近，但三氟碘甲烷的損失系數為SF6的一半，因而三氟碘甲烷也是SF6氣體的理想替代氣體。但是對應用于實際產品的研究并沒有大力推行，主要原因是因為三氟碘甲烷相對于SF6較低的沸點，為提高其沸點需添加其他氣體，針對這一混合氣體的組合方式也會成為較好的研究方向。

3.環保型氣體絕緣金屬封閉開關設備的技術關鍵點

首先是絕緣性能的優化，正如上節文字提到的，N2的絕緣性能僅為SF6氣體的三分之一，因此要對開關設備的絕緣進行重新研制。為確保絕緣強度要加強研究罐體的焊接工藝及檢漏補氣技術;同時考慮優化電場設計，采用降低電場的元器件以使電場的分布盡量均勻。

其次是溫升與散熱問題，金屬封閉開關的主回路產生的熱量只能通過有限的對流、傳導和輻射的方式進行散熱，使開關設備的升溫達到批量生產和安全使用的條件，但不同氣體在相同的設計條件下，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。

最后是混合氣體的回收問題，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。

4.發展前景

與傳統SF6氣體絕緣金屬封閉開關相比，環保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先要解決絕緣強度、溫升、和環保氣體工業化生產等的問題;此外，開關設備的智能化將是發展的方向，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。積極研究上述兩點問題，對我國的電力設備的發展具有重要意義。

參考文獻

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