環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備前景向好

／本刊記者 徐暉／

國(guó)內(nèi)已有設(shè)備制造企業(yè)研制出無(wú)／低SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備，部分產(chǎn)品通過了型式試驗(yàn)并掛網(wǎng)運(yùn)行

近幾十年來，憑借優(yōu)良的物理性能，SF6氣體在電氣工業(yè)領(lǐng)域被廣泛用于電氣絕緣和電流關(guān)斷。由于一定壓力下的SF6氣體比其他絕緣介質(zhì)具有更高的介電強(qiáng)度，這有助于氣體絕緣開關(guān)設(shè)備安全可靠地運(yùn)行，同時(shí)大大減小開關(guān)設(shè)備的尺寸，滿足有限空間下的安裝使用。

然而，SF6是一種典型的溫室氣體，電網(wǎng)和企業(yè)用戶需要在整個(gè)使用周期中小心處理。規(guī)范管理和使用SF6的成本很高，特別是當(dāng)變電站老化退役時(shí)所需要的處理費(fèi)用。SF6氣體的削減和替代是電力開關(guān)行業(yè)需要急迫解決的問題，也是電力開關(guān)設(shè)備研究和制造領(lǐng)域不可推卸的責(zé)任和義務(wù)。

為確保電網(wǎng)運(yùn)行安全、可靠性水平的不斷提升，積極適應(yīng)新型能源的大規(guī)模接入及優(yōu)化電網(wǎng)資源配置，建設(shè)更加符合經(jīng)濟(jì)社會(huì)要求的節(jié)能、環(huán)保型電網(wǎng)，持續(xù)提升智能電網(wǎng)建設(shè)水平，全面落實(shí)電網(wǎng)建設(shè)、運(yùn)行全壽命投資最省理念，需要持續(xù)、廣泛地開展電網(wǎng)創(chuàng)新成果的推廣應(yīng)用工作，國(guó)內(nèi)已有設(shè)備制造企業(yè)研制出無(wú)／低SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備，部分產(chǎn)品通過了型式試驗(yàn)并掛網(wǎng)運(yùn)行。日前，行業(yè)專家對(duì)環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備制造企業(yè)和使用單位進(jìn)行了實(shí)地調(diào)研，完成了《環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備報(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱《報(bào)告》）。

優(yōu)勢(shì)明顯 前景向好

電網(wǎng)在人類經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)生活中扮演著越來越重要的角色，正成為全球創(chuàng)新活動(dòng)最活躍的領(lǐng)域之一，安全環(huán)保的智能電網(wǎng)將為人類的可持續(xù)發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的保障。而在智能電網(wǎng)的終端分布領(lǐng)域，環(huán)網(wǎng)柜作為配電站或箱式變電站的核心部件，其作用也就愈發(fā)凸顯，承擔(dān)著將電能分散到單個(gè)集中負(fù)荷用電單位中去的重任。

表 環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備性能對(duì)比分析

在經(jīng)歷了空氣絕緣、空氣和SF6氣體混合絕緣的環(huán)網(wǎng)柜絕緣介質(zhì)的發(fā)展歷程之后，德國(guó)的Driescher公司1978年在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上展出了他們的SF6氣體環(huán)網(wǎng)柜，這也標(biāo)志著環(huán)網(wǎng)柜正式進(jìn)入SF6氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜時(shí)代。以SF6氣體作為絕緣與滅弧介質(zhì)的配電開關(guān)產(chǎn)品，因其不銹鋼外殼強(qiáng)度好、防腐能力強(qiáng)、散熱性能好并且可靠接地，能保證人身安全的優(yōu)點(diǎn)而得到全世界大部分用戶的一致贊譽(yù)。

然而隨著時(shí)代的進(jìn)步，人們愈發(fā)不滿足于環(huán)網(wǎng)柜既有的環(huán)保與安全級(jí)別，國(guó)內(nèi)外相繼推出了環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備。據(jù)《報(bào)告》顯示，環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)除了綠色環(huán)保外還主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：體積小。采用無(wú)/低SF6氣體絕緣保留了氣體絕緣開關(guān)設(shè)備尺寸上的優(yōu)勢(shì)，柜體尺寸小，節(jié)約占地；維護(hù)量小。高壓絕緣不受外界環(huán)境的影響，不易老化，用戶在現(xiàn)場(chǎng)無(wú)需處理氣體等，可降低設(shè)備的全壽命周期成本；高模塊化。靈活組合，拼接方便；安全可靠。所有高壓元件密封在充氣的金屬殼體內(nèi)，金屬殼體可靠接地，保證了運(yùn)行維護(hù)人員的安全。

相比較而言，傳統(tǒng)的空氣絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備無(wú)溫室氣體排放，成本低，但體積大、占地大，且易受周圍環(huán)境的影響，為非免維護(hù)型產(chǎn)品；SF6氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備雖然體積小、節(jié)約占地，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，但是其溫室氣體的排放對(duì)環(huán)境有危害，并且在設(shè)備的運(yùn)行中需要對(duì) SF6氣體進(jìn)行泄漏檢測(cè)與防護(hù)；與前兩者相比較，無(wú)／低SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備綠色環(huán)保，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，體積小、節(jié)約占地，無(wú)需SF6氣體檢測(cè)與防護(hù)，安全可靠，免維護(hù)，并且規(guī)模化生產(chǎn)后成本較低，是現(xiàn)階段比較理想的中壓金屬封閉開關(guān)設(shè)備（見下表）。

環(huán)保型氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備從研制到運(yùn)行只有幾年時(shí)間。 由于人們對(duì)SF6氣體絕緣的根深蒂固認(rèn)識(shí)，加之環(huán)保氣體與SF6氣體在絕緣性能上的差距，故而，到目前為止應(yīng)用并不十分廣泛。

由于環(huán)保型氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備不使用或很少使用SF6，不需要?dú)怏w回收及防護(hù)裝置，充氣簡(jiǎn)單，不存在有毒電弧分解物，是真正的環(huán)保產(chǎn)品。同時(shí)，環(huán)保型氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備不受大氣條件限制，特別適合于污穢和潮濕環(huán)境，是免維護(hù)產(chǎn)品。經(jīng)過近十年的發(fā)展進(jìn)程，從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造到運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累，都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，因?yàn)檫@些明顯優(yōu)勢(shì)，已得到用戶和市場(chǎng)的初步認(rèn)可，前景向好。

技術(shù)難關(guān)仍需攻克

但實(shí)際上，環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備仍有諸多問題需要解決。采用新型環(huán)保氣體后，如干燥空氣或N2，由于絕緣性能低于SF6，特別是N2，其絕緣性能僅為SF6氣體的 1/3，因此需要對(duì)開關(guān)設(shè)備的絕緣進(jìn)行重新研究。為確保絕緣強(qiáng)度，在檢漏補(bǔ)氣以及焊接工藝等方面應(yīng)加強(qiáng)研究，如采用自動(dòng)檢漏及充氣設(shè)備以及機(jī)器人焊接設(shè)備等。此外，還應(yīng)進(jìn)行電場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使場(chǎng)強(qiáng)盡量均勻，并采用降低電場(chǎng)的元器件，如金屬屏蔽等。同時(shí)要考慮采用無(wú)/低SF6氣體作為開關(guān)設(shè)備的絕緣介質(zhì)后，如何使之與SF6氣體絕緣產(chǎn)品的外形尺寸和制造成本基本保持不變、用戶界面和操作方式基本類同等問題。

對(duì)于環(huán)網(wǎng)柜中的負(fù)荷開關(guān)單元，如采用無(wú)／低SF6氣體，其開斷能力會(huì)受到影響。采用真空滅弧室來增強(qiáng)開斷能力是一個(gè)成熟的替代方案。但是用真空滅弧室作為隔離斷口目前還很難被接受，因?yàn)檎婵諗嗫谠诟唠妷鹤饔孟麓嬖?NSDD 的可能，真空觸頭的冷焊現(xiàn)象也容易導(dǎo)致沖擊水平的下降，直接威脅人身安全。所以，現(xiàn)有的真空負(fù)荷開關(guān)需要與三工位隔離/接地開關(guān)相匹配，但成本高，產(chǎn)品尺寸大。因此，研究新型的開關(guān)結(jié)構(gòu)，使無(wú)／低SF6氣體既可以做絕緣介質(zhì)又可以做滅弧介質(zhì)。

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的特點(diǎn)就是將高壓元件密封于不銹鋼氣箱內(nèi)，密閉的氣箱對(duì)于負(fù)載電流產(chǎn)生的熱量只能通過有限的對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射方式進(jìn)行散熱，因此它的設(shè)計(jì)電流密度相對(duì)于傳統(tǒng)式（或敞開式）空氣絕緣需要適當(dāng)降低。不同氣體相同的設(shè)計(jì)，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。因此，溫升控制在緊湊的環(huán)保氣體絕緣開關(guān)柜設(shè)計(jì)中是一個(gè)挑戰(zhàn)。

同時(shí)，混合氣體的回收也是一個(gè)重要問題。設(shè)計(jì)時(shí)不同比例的混合氣體回收裝置的研發(fā)， 漏氣發(fā)生時(shí)如何補(bǔ)氣措施，產(chǎn)品維護(hù)維修措施，產(chǎn)品廢棄后的有害物質(zhì)的處理等都應(yīng)在理論上加強(qiáng)研究，制度上加以規(guī)范。

無(wú)／低SF6氣體已有研究單位研究，絕緣性能與SF6基本相當(dāng)，對(duì)環(huán)境沒有污染，但其研究成果需要工業(yè)化。能夠工業(yè)化提供這種氣體后，開關(guān)設(shè)備制造企業(yè)可研制使用無(wú)／低SF6氣體的開關(guān)設(shè)備。

國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國(guó)外很多公司早年就研究開發(fā)環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備，按結(jié)構(gòu)特征主要分為歐洲模式和日本模式。歐洲模式是將真空滅弧室作為快速合接地以達(dá)到免維護(hù)功能，并取消空氣絕緣柜通常下接地開關(guān)快速接地的設(shè)計(jì)模式，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，依據(jù)簡(jiǎn)單就是可靠的原理，提高產(chǎn)品的可靠性和競(jìng)爭(zhēng)力；日本模式是斷路器上下和電纜側(cè)均具有三位置隔離刀，且電纜側(cè)具有快速接地開關(guān)，并具有電纜試驗(yàn)套管。斷路器上下刀具有檢修斷路器功能，即 LSC-2B 的運(yùn)行連續(xù)性，電纜側(cè)三工位具有電纜試驗(yàn)功能。電纜試驗(yàn)套管為電纜高壓試驗(yàn)引入端。日本的設(shè)計(jì)安全性更高，但整機(jī)設(shè)計(jì)和機(jī)械聯(lián)鎖過于復(fù)雜，產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性差。在箱體設(shè)計(jì)上，歐洲普遍采用激光焊接的3mm不銹鋼薄板；日本則普遍采用氬弧焊接涂漆防腐處理的8mm及以上厚碳鋼板。國(guó)內(nèi)開關(guān)設(shè)備制造企業(yè)從2004年開始研制環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備，到目前為止，完成產(chǎn)品型式試驗(yàn)以及掛網(wǎng)運(yùn)行的企業(yè)非常有限。

據(jù)中國(guó)電力科學(xué)研究院專家蘭劍介紹，目前沈陽(yáng)華利電器集團(tuán)、平高集團(tuán)上海天靈開關(guān)廠有限公司、蘇州朗格電氣有限公司、北京ABB高壓開關(guān)設(shè)備有限公司等單位研發(fā)的12kV、40.5kV、72.5kV電壓等級(jí)的環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備均已通過國(guó)家能源局認(rèn)可的第三方試驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的產(chǎn)品型式試驗(yàn)檢測(cè)，并有千余臺(tái)產(chǎn)品已在電網(wǎng)中運(yùn)行長(zhǎng)達(dá)4～7年的經(jīng)歷。從實(shí)際調(diào)研結(jié)果看，目前此類產(chǎn)品從技術(shù)和工藝上都已漸成熟，現(xiàn)已初步具備推廣應(yīng)用條件。

為落實(shí)國(guó)家對(duì)電網(wǎng)節(jié)能環(huán)保的要求，積極促進(jìn)《國(guó)家電網(wǎng)公司新技術(shù)目錄（2014）版》中針對(duì)環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的推廣應(yīng)用，相關(guān)專家對(duì)環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備產(chǎn)品做出如下建議：無(wú)／低SF6氣體絕緣開關(guān)設(shè)備已經(jīng)具備批量生產(chǎn)及安全使用的條件；為該產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的大力推廣及出口國(guó)外市場(chǎng)提供政策上支持；為該類產(chǎn)品在電力系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，在價(jià)格上給予支持，保證企業(yè)后續(xù)持續(xù)改進(jìn)創(chuàng)新；進(jìn)一步加強(qiáng)該產(chǎn)品的研制力度，在市場(chǎng)逐步擴(kuò)大的同時(shí)，規(guī)范行業(yè)管理，有序發(fā)展；更深層次加強(qiáng)企業(yè)、用戶和管理部門的交流與溝通，推進(jìn)對(duì)該產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)。

相關(guān)鏈接：

平高集團(tuán)上海天靈開關(guān)廠有限公司：

N2S環(huán)保型氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜設(shè)備

采用環(huán)保的非SF6氣體絕緣。不會(huì)產(chǎn)生對(duì)環(huán)境的不利影響。柜體占地面積小。每臺(tái)柜占地為500mm×1200mm。模塊式結(jié)構(gòu)，上、下雙氣箱布置；母線氣室和斷路器氣室分開，增加運(yùn)行的安全性和靈活性，主母線不停電即可更換斷路器氣箱。一次回路真正免維護(hù)。高壓回路采用氣體密封，不受外界環(huán)境的影響。采用德國(guó)進(jìn)口VEG型真空斷路器，機(jī)械壽命可達(dá)30000次，提高了設(shè)備的性能和高可靠性。高壓氣箱采用三維五軸激光焊接機(jī)焊接加工和氦檢漏設(shè)備作泄漏測(cè)試。保證年泄漏率小于0.1%。該開關(guān)柜操作安全方便，斷路器和隔離開關(guān)同時(shí)具備手動(dòng)和電動(dòng)操作功能，斷路器和隔離開關(guān)之間有可靠的機(jī)械聯(lián)鎖，符合“五防聯(lián)鎖”的要求。采用硅橡膠連接器作為母線連接，直接插拔式安裝。簡(jiǎn)化了現(xiàn)場(chǎng)安裝工作，無(wú)需現(xiàn)場(chǎng)充放氣。電纜接頭、母線連接器、內(nèi)錐絕緣子等高壓元器件全部采用德國(guó)制造。高品質(zhì)的元件是高品質(zhì)產(chǎn)品的保證。柜體采用進(jìn)口敷鋁鋅板經(jīng)折彎組裝而成，機(jī)械強(qiáng)度高，抗氧化、腐蝕性能強(qiáng)。敷鋁鋅板在板金加工過程中表面覆有薄膜，防止劃傷。所有操作均與高壓部件絕對(duì)隔離；簡(jiǎn)單且有效的閉鎖，防止了誤操作。本開關(guān)柜能滿足GB 3906、DL 404、 IEC62271-200等標(biāo)準(zhǔn)要求。不用移開相鄰的開關(guān)柜，即可移出整個(gè)開關(guān)柜。

沈陽(yáng)華利電器集團(tuán)：

HG4型環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備

HG4型環(huán)保氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（C-GIS）為沈陽(yáng)華利自主研發(fā)，國(guó)內(nèi)首次采用干燥空氣/氮?dú)鉃榻^緣介質(zhì)的環(huán)保型氣體絕緣金屬鎧裝開關(guān)柜，為填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白的產(chǎn)品，是集真空滅弧技術(shù)、APG技術(shù)、氣體絕緣技術(shù)和界面絕緣技術(shù)于一體的新一代中壓成套電器產(chǎn)品。

根據(jù)環(huán)保和避免溫室效應(yīng)的要求，使用干燥空氣/氮?dú)庾鳛樵O(shè)備的相間和相對(duì)地的絕緣介質(zhì)。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)更緊湊，尺寸較小，占地面積少?？梢源蠓裙?jié)約有限的城市用地。

受、變電設(shè)備的小型化，不僅可以降低包括建筑物在內(nèi)的受變電設(shè)備的總成本，而且從產(chǎn)品壽命周期角度看，有助于減少對(duì)環(huán)境的負(fù)荷。

金屬鎧裝氣體密封，高壓部件防水、防塵，不受環(huán)境影響，完全免維護(hù)；采用彈簧操作機(jī)構(gòu)、固封極柱真空滅弧室，零部件數(shù)量少。

采用智能控制和保護(hù)單元，具有強(qiáng)大的控制、保護(hù)、測(cè)量功能，完全實(shí)現(xiàn)配網(wǎng)自動(dòng)化要求。產(chǎn)品具有可靠的機(jī)械和電氣聯(lián)鎖設(shè)計(jì)方案，能有效地防止誤操作。

柜與柜之間，用硅橡膠母線連接器連接，安裝方便、擴(kuò)展靈活，且不需要對(duì)氣體進(jìn)行操作。不銹鋼箱體采用激光氣密焊接，從而達(dá)到極低的漏氣率，環(huán)保效果顯著。

蘇州朗格電氣有限公司：

LNV系列氮?dú)饨^緣環(huán)網(wǎng)柜

創(chuàng)新技術(shù)突破：100%氮?dú)饨^緣，在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品小尺寸的同時(shí)，較好地解決了溫室效應(yīng)和環(huán)境污染的環(huán)保問題。創(chuàng)新型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品小尺寸的同時(shí)，提高了產(chǎn)品可靠性 、安全性，產(chǎn)品的溫升、絕緣等滿足技術(shù)要求。在零表壓下滿足絕緣要求，更好地保證開關(guān)運(yùn)行的可靠性。成本合理，從系統(tǒng)的角度解決能耗更低，長(zhǎng)期節(jié)約能源。

設(shè)計(jì)理念：高可靠性。高安全性。全程環(huán)保理念——減少產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)的碳排放和資源消耗，提高配電開關(guān)的環(huán)保水平。提高配用電系統(tǒng)的可靠性和功能性(自行檢測(cè)并排除故障)。降低配用電系統(tǒng)的投資成本和運(yùn)行費(fèi)用 (“資產(chǎn)管理”/“壽命周期成本”的原則需支付的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用、系統(tǒng)升級(jí)成本等）。取消了常規(guī)的“負(fù)荷開關(guān)+限流熔斷器”變壓器保護(hù)方案，提高系統(tǒng)可靠性 ，降低能耗。小體積，少的土地占用和少的材料消耗。 ABB推出環(huán)保絕緣氣體開關(guān)設(shè)備

2014年8月21日，ABB宣布開發(fā)出新型絕緣氣體混合物用于替代SF6，在開關(guān)技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破。

這一替代型氣體混合物與目前用于開關(guān)設(shè)備中的六氟化硫氣體具有類似的絕緣性能，但由于其具有極低的溫室效應(yīng)，會(huì)極大地降低對(duì)環(huán)境的影響。在同樣的電壓等級(jí)下，使用這種新氣體混合物的ABB氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（GIS），在其整個(gè)生命周期可以將二氧化碳排放量減少50%。

ABB集團(tuán)電力產(chǎn)品業(yè)務(wù)部負(fù)責(zé)人尤柯爾表示：“這項(xiàng)重大成就為未來幾年開發(fā)更環(huán)保的開關(guān)設(shè)備鋪平了道路。這種氣體混合物將幫助我們的客戶減少對(duì)環(huán)境的影響，體現(xiàn)了ABB通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)‘用電力與效率創(chuàng)造美好世界’的承諾?！?/p>

這一新技術(shù)將率先應(yīng)用于瑞士蘇黎世奧爾里克的一個(gè)變電站，并應(yīng)用于瑞士電力公司ewz的試點(diǎn)項(xiàng)目中。除了170kV高壓氣體絕緣開關(guān)設(shè)備以外，ABB還將在中壓氣體絕緣開關(guān)設(shè)備中應(yīng)用這種新氣體混合物。

ABB于20世紀(jì)60年代首創(chuàng)高壓氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備，并不斷推動(dòng)該項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展與創(chuàng)新，陸續(xù)推出了電壓等級(jí)從72.5～1200kV的全系列產(chǎn)品。作為這一領(lǐng)域的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者，ABB在全球范圍內(nèi)安裝的高壓氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備已超過23000間隔。這一最新突破將在確保開關(guān)設(shè)備效率與可靠性的同時(shí)，進(jìn)一步減少碳排放量。