环保气体绝缘金属封闭开关设备研究现状及发展动向

陈波　许爱东　韩利群　王俊丰

摘 要：文章首先对环保气体绝缘金属封闭开关设备中使用的环保气体进行介绍，包括SF6混合气体、干燥空气和氮气及其他SF6替代气体，然后阐述了环保气体绝缘金属封闭开关设备在体积、结构、维护性、安全性和环境适应性等方面的技术特点，并分别介绍不同环保气体开关设备的优缺点；同时，阐述了环保气体绝缘金属封闭开关设备在绝缘及开断能力、温升、环保气体工业化生产等方面的技术难点，最后提出了未来开关设备智能化的发展方向。

关键词：环保气体绝缘金属封闭开关设备；干燥空气；氮气；SF6混合气体

1 概述

气体绝缘金属封闭开关设备是坚强电网中不可或缺的产品，其大量应用于电网配电系统中，直接关系到电网的可靠运行。为电网运行可靠，提升电网节能、环保水平，国内外对气体绝缘开关设备进行了一系列的研究与生产制造。

气体绝缘开关设备在绝缘介质的使用上，经历了空气绝缘，SF6气体绝缘及环保气体绝缘的发展历程；在灭弧技术的使用上，经历了空气灭弧，SF6灭弧及真空灭弧的过程；在结构形式上经历了敞开式、半封闭及全封闭等阶段。

传统气体绝缘开关设备以空气作为绝缘介质，占地面积较大，并且容易受外部环境的影响，潮湿、脏污等自然条件容易引起设备的故障。随着上世纪70年代第一台SF6气体绝缘开关设备诞生，由于SF6气体具有较高的介电强度，绝缘性能良好，且化学特性稳定，在大大减小开关设备尺寸的同时，保证了气体绝缘开关设备的可靠运行，因此采用SF6气体作为绝缘媒介或主绝缘媒介的开关设备在国内外得到广泛的应用。但是SF6气体分解难且为公认的温室气体，其每个分子对温室效应的影响是CO2的23900倍，衰减周期为3200年，对人类的生存环境造成极大的潜在威胁；而且SF6气体作为灭弧介质易产生有害物质，一旦泄露将危及到相关人员的身体健康。为减少温室效应，防止环境污染，国家发改委编制《中国电网企业温室气体排放核算方法与报告指南》、《气体绝缘金属封闭组合电器SF6减排计量与监测方法学》，要求各电力公司加强对CO2及SF6的排放控制。为此，开关制造业不断努力进行环境友好型替代气体的特性、SF6替代绝缘介质和无/少SF6气体绝缘开关柜的研究。

目前，气体绝缘金属封闭开关设备中的环保气体主要有以下三类：（1）不使用SF6的气体：清洁干燥空气及N2；（2）使用少量SF6的混合气体，如常用的10%SF6和90%N2混合气体，20%SF6和80%N2混合气体；SF6混合气体在开关设备中仅用作绝缘，通过真空灭弧室进行开断灭弧，限制了SF6的充气比例或充气压力，实现减小温室气体SF6的目的；（3）SF6的替代气体：如PFC气体（包括C3F8、C2F6、CF4等），CF3I气体，但由于这两类气体液化温度高，目前仍未工业化[1]。随着环保气体理论研究的日益成熟，各类环保气体绝缘金属封闭开关设备也开始研制，并已经有部分公司产品通过了型式试验和挂网运行，无论从经济上，性能上，环保性上都获得了一致的认可。下面将对环保气体金属开关设备的技术特点及技术难点进行重点阐述。

2 技术特点

环保气体绝缘金属封闭开关设备以环保气体（如少量SF6与N2混合气体，干燥空气，N2）为主要绝缘介质，使用真空灭弧室作为开断灭弧元件，并将真空灭弧室及一次导电回路固封在环氧树脂壳体或不锈钢气箱中。国内开关设备企业从2004年开始研制环保气体开关设备，经过十几年的努力，已经有不少公司研制的产品通过型式试验和挂网运行，目前主要用于中压领域，如12～72.5kV干燥空气绝缘开关柜，12kV和40.5kV氮气绝缘开关柜，24～72.5kV充SF6混合气体（其中SF6比例最高为50%）的开关柜。通过10多年的挂网运行经历，将环保气体绝缘金属封闭开关设备与传统的空气绝缘金属封闭开关设备以及SF6气体绝缘金属封闭开关设备的各项性能进行对比，将其总结如下，如表1所示[2]。

通过表1可以看出，传统的空气绝缘金属封闭开关设备由于采用空气作为绝缘介质，极易受外部环境的影响，潮湿、脏污、海拔等情况将对开关设备产生较大的影响，而且开关设备体积较大，占地面积较大，不符合小型化的趋势。SF6气体绝缘金属封闭开关设备由于采用SF6气体作为绝缘和灭弧介质，使开关设备的体积减少，且不易受环境的影响，但由于SF6气体为温室氣体，且使用过程中极易产生有毒物质，在设备的运行过程中需要对其进行泄漏检测与防护。环保气体绝缘金属封闭开关设备与前两者相比，将主回路安装在充满环保气体气箱内，并通过真空灭弧室进行灭弧，使设备体积小，环境适应性强；由于没有SF6气体，取消SF6气体的检漏设备和回收装置，简化了检测项目，不需对有毒分解物进行检测；同时，环保气体开关设备安全可靠，免维护，规模化生产后成本较低。可见，相比而言，环保气体绝缘金属封闭开关设备在性能上具有较大的优势，是比较理想的中压金属封闭开关设备。下面分别对目前市场上环保气体绝缘金属封闭开关设备产品中的SF6混合气体、干燥空气、氮气绝缘开关设备进行技术特点的介绍。

2.1 SF6混合气体绝缘金属封闭开关设备

SF6混合气体绝缘金属封闭开关设备主要绝缘介质为不同比例SF6与其他气体的混合气体，目前使用较多的为SF6与N2混合气体（常用的比例为10%SF6和90%N2，20%SF6和80%N2），其通过少量的SF6气体保证了足够的绝缘强度，并利用真空灭弧室灭弧，使环网柜可以实现小型化[3]。图1为上海天灵开关有限公司SF6与N2混合气体开关设备，其中SF6占10%，N2占90%，SF6和N2混合气体仅用作绝缘，真空灭弧室作为开断电流元件，实现减小SF6气体使用目的，同时所有高压元件密封在不锈钢气箱中，保证良好的绝缘性能和环境适应能力。

SF6混合气体绝缘金属封闭开关设备主要优缺点如下：

（1）SF6混合气体作为主要绝缘介质，不存在大量的固体绝缘材料，可以减小局部放电的风险。

（2）SF6混合气体及高压元件密封在气箱中，提高了开关设备的环境适应能力，能够承受高海拔、严寒、潮湿、污秽等恶劣环境。

（3）采用微正压力气体绝缘，降低了气体泄漏的概率，即使气箱发生漏气故障，仍在零表压时维持足够的绝缘强度不会影响环网柜的正常运行。

（4）减少SF6的使用，可以提高开关设备的环保性，但同时，由于SF6混合气体要保证正确的气体成分，使生产工艺较复杂，且漏气时的补气措施较困难。另外，由于混合气体中SF6“被污染”，导致在生命周期结束后这些SF6气体回收困难，在一定程度上也降低了环网柜的环保性。

2.2 干燥空气绝缘金属封闭开关设备

干燥空气绝缘金属封闭开关设备以干燥空气为主要绝缘介质；干燥空气绝缘性能不如SF6气体，因此导致其体积较大[4]。目前通常干燥空气是使空气经过空气压缩机、冷冻式干燥机、精密过滤器组、除油过滤器等的处理，除去空气中的水蒸气、尘埃等杂质获得。如图2所示为北京ABB高压开关设备有限公司推出的干燥空气绝缘开关设备，使用的干燥空气是采用工业用混合气体，其成分为19.5～23.5%氧气，其余为氮气，压力为1.4bar；所有带电部分均密封在气箱中，气箱采用不锈钢焊接而成。

干燥空气绝缘金属封闭开关设备主要优缺点如下：

（1）同SF6混合气体绝缘开关设备一样，由于主要绝缘介质为气体，固体绝缘材料较少，减小局部放电的风险；同时，采用微正压力气体绝缘，降低了气体泄漏的概率，且带电体均密封在气箱中，提高了环网柜的环境适应能力，能够承受高海拔、严寒、潮湿、污秽等恶劣环境。

（2）干燥空气不是温室气体，也不需要确保气体成分按一定的比例，因此不存在漏气时的补气困难和产品生命周期结束后气体的回收问题。

（3）成熟可靠的气体绝缘开关设备生产工艺可以保证干燥空气绝缘环网柜良好的性能，而且不存在额外的成本。

（4）干燥空气绝缘性能不如SF6气体、固体绝缘材料，导致干燥空气绝缘环网柜的体积比SF6气体、固体绝缘环网柜体积更大，不具备尺寸上的优势，但可通过合理的布局，改变电场分布，从而减小体积。

（5）目前，用于电气产品上的干燥空气没有固定的标准，使其成分具有不确定性，无法保证其杂质及水蒸气的含量，导致以干燥空气为绝缘介质的产品具有不稳定性，产品性能参差不齐。

2.3 氮气绝缘金属封闭开关设备

氮气绝缘金属封闭开关设备以氮气作为主要绝缘介质，利用真空灭弧室进行开断。同干燥空气一样，氮气绝缘性能不如SF6气体，因此其体积相对较大。目前氮气的生产工艺是将压缩空气经过冷冻式干燥机进行干燥，通过精密过滤器组滤除较大的固体和液态颗粒及油份，然后进入活性炭吸附器，利用碳分子筛在不同压力下对氮和氧及其他气体的吸附量的不同，吸附除氮气之外的空气分子，从而获得纯度大于99%的氮气。图3为四方公司正在研制的氮气绝缘开关设备，即将完成型式试验。该氮气绝缘开关设备由充气（氮气）隔室、仪表室（位于充气隔室的顶部前方）、电缆室（位于充气隔室的底部前方）、压力释放通道（位于充气隔室的底部后方）等隔室组成。其中充气隔室的内部装有开关本体和接地开关本体、进（出）母线等元件，且在其底部后方位置装有压力释放装置（即防爆膜）。开关的操动机构（弹簧操动机构和手动操动机构）均置于充气隔室的外部正前方位置。隔离开关与真空灭弧室采用一体化设计理论，操作简单可靠。气箱内压力与外部压力内采用微正压设计，既确保内部绝缘要求又保证不漏气。主要优势如下：（1）绿色环保。使用新型尼龙塑料作为带电元件的固体绝缘介质，实现了低耗能，解决了使用环氧树脂不能回收的问题。（2）安全方便。内置式主母线采用插拔连接，并选用直动式隔离开关，且隔离开关与断路器联动，有利于分合闸过程快速连贯且准确无误。（3）小型化。采用金属全封闭、全密封箱体，并采取共箱式结构，实现柜体小型化。（4）智能化。该氮气绝缘开关设备集成了数字化传感器和终端，实现智能化。

氮气绝缘金属封闭开关设备的主要优缺点如下：

（1）同其他环保气体绝缘金属开关设备一样，由于主要绝缘介质为氮气，固体绝缘材料较少，减小局部放电的风险；同时，氮气为环保型气体，采用微正压力氮气绝缘，降低了气体泄漏的概率，且带电体均密封在气箱中，提高了环境适应能力，能够承受高海拔、严寒、潮湿、污秽等恶劣环境。

（2）采用高寿命、免维护的真空灭弧室，且高压绝缘不受外界环境的影响，不易老化，降低产品的维护成本。

（3）氮氣的制作工艺已经成熟，批量生产时不会额外增加成本。

（4）氮气绝缘开关设备的生产工艺与其他气体绝缘开关设备的成熟工艺基本相同，在生产时能够保证良好的加工质量，且不会存在额外的成本。

（5）氮气绝缘性能不如SF6气体、固体绝缘材料，导致氮气绝缘开关设备体积相对较大；特别对于负荷开关-熔断器组合电器柜来说，以氮气为主要绝缘介质与以SF6气体为主要绝缘介质相比，体积较大，主要原因在于SF6气体本身可以灭弧，而氮气不可以灭弧，必须通过真空灭弧室灭弧，真空灭弧室的增加不可避免的导致柜体体积的增大。

3 技术难点

环保气体绝缘金属封闭开关设备的关键技术难点如下：

（1）绝缘优化。由于环保气体绝缘性能低于SF6，特别是N2，其绝缘性能仅为SF6气体的1/3[5]，因此需要对开关设备的绝缘进行重新研究。为确保绝缘强度，对检漏补气及焊接等工艺提出了更高的要求，如采用自动检漏充气设备及机器人焊接设备来确保精度。同时，由于体积比SF6气体绝缘开关设备略大，因此需要对高压元件进行合理的布置，以降低电场强度。

（2）开断能力的保证。对于环保气体绝缘金属封闭开关设备中的负荷开关单元，若采用环保气体，其开断能力将会受到影响，需通过真空灭弧室来增强开断能力。但是由于真空灭弧室通常开距较小，在高电压作用下存在NSDD的可能，因此用真空灭弧室作为隔离断口目前还很难被接受。所以，目前负荷开关单元通常需要真空灭弧室与三工位隔离开关/接地开关相匹配，导致产品体积增大，成本增强。因此如何在不使用真空灭弧室开断的情况下保证开断能力将是未来急需研究的问题[6]。

（3）温升与散热。气体绝缘金属封闭开关设备将高压元件密封在不锈钢气箱中，并采用环氧树脂，硅胶等少量固体绝缘材料来提高绝缘强度，密闭的空间使主回路产生的热量只能通过有限的对流、傳导和辐射方式进行散热，使开关设备的温升裕度受到限制，特别是N2或干燥空气，其温升裕度与SF6相差10K以上。因此，如何控制温升，解决散热问题将是紧凑的气体绝缘金属封闭开关设备的一个难点。

（4）环保气体的工业化生产。目前，SF6的替代气体正在理论验证过程中，发现PFC气体（包括C3F8、C2F6、CF4等）、CF3I气体绝缘性能与SF6相当，且对环境没有污染。但目前无法实现工业化，导致成本较高，因此如何实现SF6的替代气体的工业化将是一个亟待解决的问题。

4 发展动向

通过上述技术特点和技术难点的阐述可以看出，环保气体绝缘金属封闭开关设备相比其他气体绝缘金属封闭开关设备具有巨大的优势，同时也有许多难点，因此未来的发展动向首先要解决绝缘强度、温升、开断能力的保证和环保气体工业化生产的问题，以突出环保气体绝缘金属封闭开关设备在技术、经济性、环保性等方面的优势；此外，开关设备的智能化将是未来发展的方向，如何实现一二次融合，减少配电自动化安装调试和维护的工作量，提高设备运行可靠性和自动化水平将是开关设备完善需要考虑的问题。

参考文献

[1]汤昕，廖四军，杨鑫.SF6混合/替代气体绝缘性能的研究进展[J].绝缘材料，2014，47（6）.

[2]全国输配电技术协作网，中能国研（北京）电力科学研究院.无/少SF6气体金属封闭开关设备技术白皮书[Z].2015，7.

[3]张交锁.环保性气体绝缘输配电开关设备[A].2013年配电开关开关创新应用与发展技术交流峰会[C].西安，中国电力企业联合会科技服务中心全国输配电技术协作网，2013，4.

[4]陈慎言，钱立骁，等.N2X-25kV环保型充气柜的研发[A].2008年20kV电压供电专题研讨会[C].苏州，中国电机工程学会，江苏省电机工程学会，2009：107-111.

[5]张强华，谭燕，邬建刚.40.5kV无SF6 C-GIS开关柜研究[J].高压电器，2011，47（6）：29-38.

[6]孙竹森，兰剑.环保型金属封闭开关设备的技术特点与发展趋势[J].中国电业（技术版），2014.