中压环保型气体绝缘开关设备的实现及关键技术应用

苏君平

（厦门ABB 开关有限公司，福建 厦门 361000）

0 引言

SF6最早由法国化学家 Moissan和Lebeau于1900年合成，是一种人造惰性气体，具有优秀的电气性能，以SF6作为绝缘介质的气体绝缘开关柜因其紧凑、少维护、不受外界环境影响等性能成为中心城区以及空间受限或环境恶劣地区的优选解决方案。然而，SF6是《京都议定书》确定的6 种被限制的温室气体之一，其GWP 高达23900， 一旦释放到大气中需要3200 年才能彻底降解。近年来，随着对国家对环保的重视、公众环保意识的提高以及绿水青山理念深入人心，SF6的环保替代呼声渐高，如何让气体绝缘开关柜在发挥其独特优势的同时也能对运维人员、公众及环境友好变得迫切而有意义。

1 SF6环保替代技术现状与技术路线

在中压配电领域中，为了实现环保替代，减少温室气体的排放，目前出现了3 种技术路线。1）采用固体绝缘技术代替SF6气体绝缘介质，一般称其为固体绝缘开关设备。2）少SF6技术，即通过SF6和其他气体混合来减少SF6的使用比例，常见的有SF6+N2和SF6+干燥空气。3）采用无SF6的环保气体，如氮气、洁净干燥空气或其他环保性气体。对于第一种固体绝缘技术，行业里近几年热度渐降；对于第二种方案，从气体特性看，少SF6的混合气体可以满足开关柜的电气性能要求，如果从环保角度考虑，采用含较少比例的SF6混合气体虽然一定程度上能削减其使用量，但是仍然无法从根本上解决其温室效应问题。事实上，在工程使用中，由于SF6的使用场景比较分散，目前，回收工作落实非常困难，混合气体的使用无疑将加剧回收难度，合规使用SF6的成本更加高昂，所以少SF6的混合气体方案仍不是最优解；近几年，国际上该领域把焦点放在第三种技术路线上，重点研究了一些具有高绝缘性能和低温室效应的新型人工合成环保气体，主要有C5（C5F10O）为代表的全氟酮类（PFK），C4F7N 为代表的全氟腈类（PFN）、c-C4F8 为代表的全氟化合物（PFC）以及CF3I 等[1]，图1 为一些被研究较多的气体的相对绝缘强度与全球变暖潜能值对比。

其中被研究较多的气体主要有干燥空气、氮气及C5

图1 不同气体的相对绝缘强度与全球变暖潜能值

（C5F10O）气体，另外法国阿尔斯通（ALSTOM）和美国 3M公司报道了其研究的g3气体及其应用，g3气体是指氟化腈（C4F7N）与CO2的混合气体，C4F7N 气体的绝缘性能是SF6的2.2 倍以上，全球变暖潜能值（GWP）约为 2 200。综合对比图1 中的各气体可以发现：从环保性分析，空气中的现有成分如干燥空气、N2等的GWP 值均小于1，但是其绝缘性能也相对较弱，而一些绝缘性能较好的气体如c-C4F8 和C4F7N，其环保性又比较差，能同时满足绝缘性能和环保性（GWP 不大于1）的有C5（C5F10O），C6（C6F12O）和CF3I，但是据报道，CF3I 其理化性能被指对人体有害，且在放电后会析出单质碘，如果水分含量较高，还会产生HF 和HI 腐蚀设备[2]，C6 已被用作灭火器，其49 ℃的高沸点很难满足开关柜的应用要求。综合来看，干燥空气和N2在小电压等级应用较多，在高电压等级，C5（C5F10O）气体有比较大的应用潜力。该文将以ABB 研发的中压环保气体绝缘开关柜为例，如图2 和图3 所示，阐述中压气体绝缘开关柜环保替代的气体选择和设计思路。

图2 典型的10 kV 环保气体绝缘开关柜

图3 典型的40．5 kV 环保气体绝缘开关柜

2 中压环保气体绝缘开关设备的设计思路

该文阐述的中压环保气体绝缘开关设备的总体设计思路是：在保留现有SF6气体绝缘开关柜优势的同时安全可靠地实现环保。SF6气体绝缘开关柜经过数十年的广泛使用，已经沉淀了很多优秀设计和特征，其主要需要改进的就是SF6的环保性，所以环保替代也应该把重心放在气体的改进方面，而对于已经经过实践检验的优秀设计，应该予以继承和保留，避免因气体更改而导致整体结构和核心部件的设计变更。基于该设计思想，环保替代要解决的主要问题就变成了气体相关的课题研究，例如气体选择、气体制备、气体压力以及气体更改导致的绝缘设计等。其中一个关键变量就是充气压力，充气压力是气体绝缘开关柜的重要性能参数，因为压力直接关系到不锈钢壳体的强度及密封性能，充气压力越大，对气室的强度和密封质量要求越高，特别当压力超过2 Bar 以后，泄露风险剧增，行业为此提出微正压的概念，通常指绝对充气压力不大于1.5 Bar，该文研究的开关柜环保替代思想是坚持微正压，保持压力完全不变。

3 中压环保气体绝缘开关设备关键技术应用策略

3.1 选择正确绝缘气体

目前比较热门的气体有N2、干燥空气、少SF6气体及一些新型人工合成气体。其中干燥空气和氮气的环保性能都非常优秀，综合对比N2和干燥空气，两者绝缘性能接近也均为大气现有成分，但是考虑到纯N2如果大量泄露，在通风不畅的空间将有可能聚集，这对运维人员可能会造成潜在伤害，从这个意义上讲，空气是一种更为理想的选择，可兼顾环保和健康，且在10 kV 电压等级下，经过电场优化，干燥空气可以满足电气要求，因此该文研究的10 kV 环保气体绝缘开关柜选用干燥空气作为绝缘介质。

在40.5 kV 及以上电压等级，干燥空气和N2 的绝缘瓶颈凸显，实现环保替代主要有2个方向。1） 继续使用干燥空气或氮气，并重新设计设备结构，如增大设备体积或增大气体压力。2）选用其他绝缘性能更好的气体。该文基于第二章节阐述的设计思路，即在不更改设备主体设计、关键元器件及参数的情况下去实现环保要求。在综合考虑环保，绝缘能力以及理化性能的基础上经过大量试验验证和对比，开发出一种基于干燥空气的新型混合气体AirPlus（干燥空气+C5F10O），经测试其绝缘性能相当于SF6的90%左右。

3.2 对于环保气体的制备

和SF6一样，为确保气室内全寿命周期免维护，气体的纯度是影响其性能的重要变量。以干燥空气的制备为例，通过使用工业高纯O2和高纯N2来混制获取干燥空气比，直接通过过滤空气中的杂质和水分获得的干燥空气更适合开关柜使用，同时气室内的一些零部件的表面清洁度也会在一定程度上影响开关柜运行的可靠性。

3.3 环保气体绝缘开关柜的充气压力和绝缘设计

绝缘设计与开关柜的外形尺寸和气体压力直接相关，不管是干燥空气还是AirPlus，替代气体的绝缘性能总体都弱于SF6，尤其干燥空气的绝缘性能只相当于SF6的50%左右，如果混入杂质和水分将会更低，为了确保绝缘性能，从技术角度有2 种比较简单易行的方法。1）拉大相间距。2）增大气体压力，但是增大相间距离意味着要增加开关柜的外形尺寸，这与气体绝缘开关柜紧凑性的特点相矛盾；增大气体充气压力达到1.6 bar 甚至以上，意味着对气室壳体提出了更高要求，这对控制泄漏率和设备成本均不利。综合考虑以上因素，该文采用均匀电场的方法，通过抑制、削弱气体的电离过程、优化电极形状来改善气隙中的电场分布，进而提升气隙的击穿电压，如图4 所示。

通过对10 kV 和40.5 kV 开关柜进行整体电场优化，在保持开关设备额定充气压力和外形尺寸均和同等参数的SF6气体绝缘开关柜一致的前提下实现环保，见表1。10 kV 和40.5 kV 环保气体绝缘开关柜的额定充气压力（绝对压力）均为1.3 Bar，壳体结构及关键零部件均可沿用已经过实践检验的SF6设计，这将避免因环保替代引起的结构故障和泄露风险，同时在SF6充气柜向环保充气柜的过渡阶段，关键零部件的通用有利于降低管理成本和生产成本，实现环保柜的经济性。

图4 40．5 kV 开关柜导体电场优化与分析

表1 同等级环保气体绝缘柜与SF6 气体绝缘开关柜对比（1 250 A）

4 环保型气体绝缘开关设备的优势特点

4.1 不受外界环境影响，运行稳定可靠

同样都是用空气作为绝缘介质，但是与传统的敞开式空气绝缘开关柜相比，环保气体绝缘开关柜的高压带电体封装于不锈钢气室内，完全与外界环境隔绝，从而可以让气体绝缘开关设备不受外界因素的干扰，将海拔与环境因素对设备形成的影响降至最低，同时，真空断路器的使用，使其具备长寿命的特性，所以气体绝缘开关设备的使用寿命大大延长，且高压气室免维护，大幅度提升了开关设备运行的可靠性与稳定性。

4.2 更好的安全性

无须担心SF6及其分解物所带来的潜在健康和安全隐患，即使在地下，矿井，隧道等通风不良的空间作业也少一分顾虑；在人口密集场所和密闭空间，无须担心泄漏导致的公众安全与健康事故。

4.3 全寿命周期的经济性

全寿命周期的经济性与使用SF6的气体柜相比，可以免除SF6气体监测报警设备、气体分析设备、气体回收设备以及退役气体处理费用，降低变电站的总体造价[3]。

总之，基于干燥空气的环保气体绝缘开关柜在彻底解决SF6温室效应的同时，也继承了传统气体绝缘开关具备的优点。

5 结语

通过对有潜力的环保替代气体进行了全面研究，选取了干燥空气和AirPlus 气体，并将其分别应用于10 kV 和40.5 kV的环保替代中，通过优化电极设计、改善电场分布，在不改动SF6气体绝缘开关柜主体结构和关键元器件的情况下，成功实现了气体绝缘开关柜的环保替代并通过了全套型式试验。环保气体绝缘开关柜设计的关键在于气体替代和与气体相关的绝缘及压力设计方面，环保替代的基本原则是在保留传统气体柜优点的前提下安全可靠地实现环保。