环保型空气绝缘高压开关柜研究

杨爱璜 海龙

摘要：电气绝缘领域要求所应用的绝缘气体具有优异的绝缘和灭弧性质，化学和物理性质稳定的SF6气体便得到了广泛的运用。但SF6有着促进温室效应的缺点，而近些年随着温室效应不断加剧，环保型气体绝缘开关的研制迫在眉睫。本文对比分析了三种气体的主要物理特性，提出了一种环新型保型空气绝缘开关柜，并在丽江市开展了试点应用，发现该类型开关柜不仅能够减少绝缘气体对环境的污染，而且还可以降低设备的运行检修工作的复杂程度也使得供电变得更加可靠。

Abstract： In the field of electrical insulation， SF6 gas with stable chemical and physical properties has been widely used because of its excellent insulation and arc extinguishing properties. However， SF6 has the disadvantage of promoting greenhouse effect. In recent years， with the increasing greenhouse effect， the development of environmental protection gas insulated switch is imminent. This paper compares and analyzes the main physical characteristics of the three gases， and puts forward a new type of environmental protection air insulated switchgear， and carries out the pilot application in Lijiang City. It is found that this type of switch cabinet can not only reduce the environmental pollution caused by insulating gas， but also reduce the complexity of equipment operation and maintenance， and make the power supply more reliable.

關键词：SF6;温室效应;环保型气体绝缘开关;供电可靠性

Key words： SF6;greenhouse effect;environmental protection gas insulated switch;power supply reliability

中图分类号：TM591                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）31-0162-02

0  引言

随着“两型一化”政策在国家电网中的不断推进和实施，以及环境的要求限制，电网一次设备的建设逐渐向着结构紧凑型、环境友好型、无人值守型的方向推进[1]。与此同时随着“智能、绿色电网”概念的提出、政策的制定、具体工作的推进，环境友好型的电网基础设施建设理念深植于电网发展的各方各面。为此国家电网公司近年来针对发电侧、输电侧、配电侧和用电侧的设备环境友好型技术变革，进行多次重大技术革新。特别是针对配网侧广泛应用的开关柜，在进行小型化和紧凑化设计的同时，减少电力行业对环境的污染，电网技术不断更新进步的同时自然环境也能够不受影响。

1  高压开关柜发展现状

1.1 传统高压开关柜缺陷

高压开关柜通常是指3.6～40.5kV交流金属封闭开关设备，在配电网络中扮演重要角色。传统高压开关柜中的绝缘介质主要使用的是常见的复合绝缘材料或者普通绝缘气体，这些绝缘介质扮演着接受并分配电网三相电能的重要角色[2]。近年来由于SF6优良的绝缘特性和灭弧性能，传统高压开关柜一般都选用SF6作为绝缘气体。

常温状态下，SF6呈现气体状态，性能很稳定，不易发生化学变化。是一种透明状、没有气味、无毒性且不易燃烧，具有良好绝缘强度特性、很高的耐压特性、很强的灭弧特性、很低的离解温度特性，是近年来在电网中广泛应用的新型绝缘气体[3，4]。自上世纪90年代以来，SF6气体绝缘柜因其运行的高度可靠性和显著的经济效益等优势得到了蓬勃发展。然而，造成地球变暖、冰川面积减小、海平面升高的一个主要原因就是SF6气体的排放，虽然CO2在6种主要温室气体占比60%，SF6仅为0.1%。但SF6气体自然降解周期长，其温室效应潜能值约为CO2的2.4万倍[5]。电力行业所排放的SF6约占大气中其含量的一半，其中开关设备的排放量占比最大，仅我国电力开关行业的SF6气体年排放量都不少于107kg。

2013年11月国家发改委编制了《中国电网企业温室气体排放核算方法与报告指南》，要求各电网相关部门严格控制CO2和SF6的排放，制定标准严格把关。因此，环保型气体绝缘开关设备的研制成为开关电器领域重要的研究课题。

1.2 环保型绝缘气体的选择

仅考虑绝缘特性的话，在开关柜中SF6可以被N2和干燥空气所代替。查阅相关文献资料可知，SF6的绝缘性能是N2和干燥空气的3倍[6，7]。表1所示为SF6、N2和干燥空气三种气体的性能对比分析。其中N2和干燥空气为环境友好型气体，不会对环境造成恶劣影响。且常温下都为气体状态，能够适应电力开关设备的应用要求。

N2是空气的主要成份，化学性质稳定。虽然N2本身无色无味无毒，但当空气中N2的比例过高时，会使氧气在人体中产生逆渗透性，严重时可引起缺氧和窒息 [8]。若将N2当作绝缘气体介质时，要安装良好的换气设备。如果采用干燥空气，相应换气设备则可以省去[9]。对比N2和干燥空气的特性，干燥空气的绝缘特性受金属微粒的影响更小，因此使用干燥空气作为高压开关柜的绝缘气体性能更加优良。

2  环保型空气绝缘开关柜特点

2.1 技术先进性

环保型空气绝缘金属封闭开关设备主要有以下几个技术优势：①绿色环保。实现温室气体零排放，开关设备达到使用年限后，材料的二次利用率超过90%。②环境适应性强。金属外壳可将所有的高压元件密封起来，可以在低温、潮湿、低压、污秽等恶劣外界条件下正常使用。③安全可靠性有保障。大气压略低于绝缘气体的气压，一般不会出现绝缘气体的泄露，即便开关柜气箱出现意外漏气，在零表压时的绝缘强度仍然能够保证设备的正常工作;此外通过开关柜外的金属接地，能够很好的保障运维工作者的安全。④维护量小。由于高压开关柜通过金属密封，外界条件不会影响到气体的绝缘性能，绝缘不易老化;此外减少了现场测设保护气体泄漏的工作，在设备整个运行周期上降低维护成本。⑤体积小。环保型空气开关柜保持了柜体尺寸小，占地面积小的优点，21世纪初期，我国开关设备制造业开始研究相关的环保绝缘开关设备，截至今日，能够完成试验并正式投入电网使用的企业还在稳步增加。截止2020年6月，已有几十家研制并通过监测，并且已经投入大量电网和国防工程中。

2.2 产品简介

环保型空气绝缘环网柜由独立的功能单元（负荷开关+隔离接地开关单元或断路器+隔离接地开关单元）单元柜并柜组成。采用全绝缘、全密封型式，将负荷开关、断路器和隔离接地开关等一次元件密封于以干燥空气为绝缘介质的不锈钢壳体中，产品结构如图1所示。为迎合环保理念，避免SF6的使用和污染，少量使用环氧树脂包覆结构，外形和体积大小上保持与SF6绝缘柜相似，体积不大且便于使用。

柜子的进出线均配备相应的独立开关单元，减少停电范围的同时，降低运行检修人员工作的复杂程度，大大减小了发生错误操作的可能性，同时涉及到线路转供时施工更加容易，保证了施工人员的安全。

3  环保型绝缘开关柜的实际应用

本项目研发地环保型空气绝缘环网柜，预期在云南省丽江市10kV花马街线、10kV清溪线覆盖的11台电缆分支箱进行10kV紧凑型空气绝缘固定式高压开关柜改造;并在10kV仁和线292号杆段处，进行架空线路多分支情况下的具体改造实施。以达到分支独立停电，减少配电工作拔插电缆头的繁琐、复杂、高危险工作。

3.1 设备运维效率提升

开关柜更换以后将具有更长寿命、少（免）维护，按照长寿命、少（免）维护设计，完成满足南方电网最新寿命要求，大幅降低停电维修时间，更紧凑小型，更节能，按照少（免）维护技术规范构筑的配电房，按照差异化运维的要求将大大减少丽江电网公司运维班组的工作量，进而使古城内运维班组的工作更加精益、有条不紊，提高丽江电网行业在大众心中的认可度。

3.2 供电可靠性提升

在满足现阶段供电可靠性要求的同时，从长远角度来看，使用环保型空气绝缘开关柜更能够大幅度减少客户年平均停电时间，提升了涉电公共安全，从而达到公司在南网《提升供电可靠性暨“185611”停电时间1小时行动方案》当中对2020年以前所有的市中心客户年平均停电时间不超过1小时的要求。丽江古城作为世界著名的旅游城市，人口流量大，文化娱乐消费需求高，供电可靠性的进一步提高和巩固，更有利于保障游客的消费需求，维护好丽江古城的美好形象。

4  总结与展望

对空气绝缘型环网柜的结构进行紧凑化和小型化设计优化，逐步替代SF6气体绝缘环网柜，在电网中加大环境友好型开关柜的推广和使用，以及环境友好型气体绝缘环网柜新技术的发展，实现电网设备的生态友好化和可持续化。环保型空气绝缘开关柜的使用，在保证原有SF6气体绝缘开关柜的优良性能的基础上，还能够有效的减缓温室效应，同时能够保证整个电力系统的平衡稳定，提升运维效率，对生态持续发展及电网高效发展均有重大的意义。

参考文献：

[1]王岩，武军辉.中压充气柜的发展及现状[J].电气制造，2006（02）：14-16.

[2]邓剖钦，胡萍.如何提升中压开关柜绝缘能力的几点探讨[J].电子世界，2012，12（5）：59-60.

[3]赵明月，林涛，颜湘莲，等.基于氧同位素示踪法的电晕放电中 H2O 和 O2对 SF6分解气体形成的影响[J].电工技术学报， 2018，33（20）：4722-4728.

[4]张晓星，田双双，肖淞，等.SF6替代气体研究现状综述[J].  电工技术学报，2018，33（12）：2883-2893.

[5]杨师斌.六氟化硫气体的危害与预防[J].重庆工商大学学报（自然科学版），2009，26（1）：22-26.

[6]吴秋霜.氮气或惰性气体窒息的预防措施[J].柳钢科技，1997（03）：23.

[7]钱立骁，陈慎言.12-24kV氮气绝缘环网柜的研制[J].高电压技术，2014，12（12）：3717-3724.

[8]陈波，许爱东，韩利群等.环保气体绝缘金屬封闭开关设备研究现状及发展动向[J].科技创新与应用，2017（3）：1-3.

[9]崔文军，张交锁.SF6气体绝缘开关设备中干燥空气作为 绝缘介质的使用[J].高压电器，2016（12）：221-226.