固體絕緣環(huán)網柜取代SF6氣體絕緣環(huán)網柜的探討

李程

【摘 要】隨著配電網環(huán)網柜的使用越來越多，SF6環(huán)網柜因其具有全絕緣、全封閉等特點而得到廣泛應用。但是，隨著環(huán)網柜應用數量的不斷增加，其發(fā)生SF6及其衍生物泄漏故障的情況也逐漸增多。本文通過對SF6及其衍生物泄漏后對環(huán)境的影響及SF6環(huán)網柜維護中存在一些問題的總結和分析，對比新型固體絕緣柜技術特點，對固體環(huán)網柜替代SF6環(huán)網柜的可能性進行分析，從而降低電網設備故障率，提高電網供電可靠性。

【摘要】固體絕緣環(huán) 網柜取代 SF6氣體

環(huán)網柜是由一組高壓開關設備安裝在金屬柜體內或做成拼裝間隔式環(huán)網柜供電單元的電氣設備，廣泛用于中壓電纜線路分段、聯絡及分接負荷。近幾年來，隨著中壓配電網建設及入地改造的實施，城市中壓配電網電纜化率越來越高，作為電纜線路重要供電設備的環(huán)網柜在城市中壓配電網中發(fā)揮著重要作用。

我國電網中使用的環(huán)網柜按照絕緣方式主要分為三類：油絕緣、空氣絕緣和SF6氣體絕緣。而油絕緣環(huán)網柜隨著國內城鄉(xiāng)電網無油化改造的推進，已經基本被淘汰；空氣絕緣環(huán)網柜由于供電單元只能用于開斷容量小、不頻繁操作的場合，而且對戶外惡劣環(huán)境適應性較差，所以現在已較少使用。目前國網大規(guī)模使用的是SF6氣體絕緣環(huán)網柜，但實現循環(huán)經濟是未來發(fā)展的方向，所以電力設備無氟化是必然道路，隨著固體絕緣技術的成功研發(fā)，使得廣泛使用的SF6絕緣環(huán)網柜被固體絕緣環(huán)網柜所替代成為可能。

1 SF6氣體絕緣環(huán)網柜介紹

1.1SF6氣體絕緣環(huán)網柜使用情況

SF6氣體絕緣環(huán)網柜主要采用SF6氣體作為絕緣介質，將高壓部分或高低壓部分密封在一個充滿SF6氣體的氣箱內，氣箱內外存在0.3～0.5BAR的壓力差，客觀上使SF6氣體外泄成為可能。

1.2 SF6及其化學反應衍生物的形成及危害

1.2.1 SF6及其化學反應衍生物的產生及性質

（1）SF6氣體性質。純凈的SF6氣體是一種無色、無嗅、基本無毒、不可燃的鹵素化合物。在相同狀態(tài)下約是空氣相對密度的5倍。為便于運輸和貯存，SF6氣體通常以液態(tài)形式存在于鋼瓶中。

SF6氣體的化學性質非常穩(wěn)定，在空氣中不燃燒，不助燃，與水、強堿、氨、鹽酸、硫酸等不反應；在低于150℃ 時，SF6氣體呈化學惰性，極少熔于水，微熔于醇。對電氣設備中常用的金屬及其它有機材料不發(fā)生化學作用。然而，在大功率電弧、火花放電和電暈放電作用下，SF6氣體能分解和游離出多種產物，主要是SF4和SF2，以及少量的S2、F2、S、F等。特別在是室內、地鐵、大型劇場、機場、醫(yī)院等設施內使用，對人體會產生非常不利的影響，并且非常不安全。另外，SF6氣體是溫室效應氣體，散發(fā)到大氣中后不能有效分解，對氣候產生很大影響，污染空氣，使空氣污濁，嚴重影響人們的生存空間。

（2）SF6氣體的毒性來源。從有關部門的試驗及研究結果可知，SF6氣體的毒性主要來自 5 個方面。

1）SF6產品不純，出廠時含高毒性的低氟化硫、氟化氫等有毒氣體。大家知道，目前化工行業(yè)制造 六氟化硫（SF6）氣體的方法主要是采用單質硫磺與過量氣態(tài)氟直接化合反應而成；即 S+3F2→SF6+Q（放出熱量）。在合成的粗品中含有多種雜質，其雜質的組成和含量因原材料的純度、生產設備的材質、工藝條件等因素的影響而有很大差異，雜質總含量可達5%。其組成有硫氟化合物，如：S2F2、SF2、SF4、S2F1O 等；硫氟氧化合物如SOF2、SO2F2、SOF4、S2F10O 等以及原料中帶入的雜質如HF、OF2、CF4、N2、O2等。為了凈化粗品中的雜質，合成后的SF6氣體還需要經過水洗、堿洗、熱解（去除劇毒的十氟化物）、干燥、吸附、冷凍、蒸餾提純等一系列凈化處理過程才能得到純度在 99.8% 以上的產品。然后再用壓縮機加壓，充入降溫至-80 ℃ 左右的鋼瓶中，以液態(tài)形式存在。在使用時減壓放出，呈氣態(tài)沖入電氣設備中。

除在上面的合成過程中產生的雜質外，另外，在氣體的充裝過程中還可能混入少量的空氣、水分、和礦物油等雜質，這些雜質均帶有或會產生一定的毒性物質。因此，為保證SF6產品的純度和質量，對出廠的SF6產品國際電工委員會（IEC）及許多國家均制定了質量標準，并要求生產廠家在供貨時提供生物試驗無毒證明書。

2）電氣設備內的SF6氣體在高溫電弧發(fā)生作用時而產生的某些有毒產物。例如： SF6 氣體在電弧中的分解和與氧的反應：

2SF6+O2→2SOF2+8F（氟化亞硫酰）

2SF6+O2→2SOF4+4F（四氟化硫酰）

SF6→SF4+2F（四氟化硫）

SF6→S+6F（硫）

2SOF4+O2→2SO2F2+4F（氟化硫酰）

3）電氣設備內的SF6氣體及分解物與電極（CU-W合金）及金屬材料（AL、CU）反應而生成某些有毒產物。例如： SF6氣體及分解物與電極或其它材料反應：

3SF6+W→WF6（氣態(tài)）+3SF4

3F+AL→ALF3（固態(tài)粉末）

3SOF2+AL2O3→2ALF3（固態(tài)粉末）+3SO2

SF6+CU→CUF2（固態(tài)粉末）+ SF6

4SF6+W+CU→2S2F2（氣態(tài)）+3WF6（氣態(tài)）+CUF2（固態(tài)粉末）

4）電氣設備內的SF6氣體分解物與其內的水分發(fā)生化學反應而生成某些有毒產物。例如：SF6氣體分解物與水的繼發(fā)性反應：

SF4+H2O→SOF2+2HF（氫氟酸）

SOF4+H2O→SO2F2+2HF（氫氟酸）

SOF2+H2O→SO2+2HF（二氧化硫）

SO2F2+2H2O→H2SO4+2HF（硫酸）

5）電氣設備內的SF6氣體及分解物與絕緣材料反應而生成某些有毒產物。如與含有硅成分的環(huán)氧酚醛玻璃絲布板（棒、管）等絕緣件；或以石英砂、玻璃作填料的環(huán)氧樹脂澆注件、模壓件以及瓷瓶、硅橡膠、硅脂等起化學作用，生成SIF4、SI（CH3）2F2等產物（見表一）。

SF6氣體的電弧分解物及反應生成物的生理特性見表1。

序號 化學成分 化學性質 生理學特性

1 S2F2氟化硫 常溫下為無色氣體，具有很強的毒性 常溫下為無色氣體，具有很強的毒性，遇水后生成 HF ，對呼吸系統(tǒng)有類似光氣的破壞性作用

2 SF4 無色氣體，有類似 SO2的刺激性臭味，毒性與光氣相當 對肺有侵害作用，動物肺部吸入該氣體后會出現呼吸困難的現象。

3 S2F10 常溫常壓下為無色易揮發(fā)液體，系劇毒物質，毒性約為 SOF2的300倍。 主要侵襲肺住址，引起肺出血和肺水腫。白鼠的致死濃度為1×10（V/V）。

4 SOF2 無色劇毒氣體 侵襲肺部，引起肺組織急性水腫，影響氣體交換，使肺部缺氧充血而導致窒息性死亡，它有強烈的惡心臭味。白鼠和兔子的致死濃度為10×10-6和50×10-6（V/V）

5 SO2 有刺激性氣體

6 HF氟化氫 無色氣體或液體，具有強烈的刺激性臭味，極易溶解于水，形成氫氟酸 對一般材料具有較強的腐蝕性。 HF 對皮膚、粘膜有強烈的刺激作用，并能引起肺水腫、肺炎等。

7 SIF4 有刺激性， 從食物中攝取后對呼吸有危險

8 WF6 有刺激性

9 SO2F2氟化硫酰 攣性化合物，無色無臭 在較高濃度下對肺組織有刺激作用，引起肺泡出血。

10 SF2二氟化硫 沸點35℃，極不穩(wěn)定，受熱后更加活潑，易水解生成 S、 O2、HF等 其毒性與HF相當

11 AIF3三氟化鋁 白色粉末狀，通常吸附了大量的有毒氣態(tài)分解產物，故應被視為具有強烈腐蝕性和毒性的物質。 ALF3 粉塵可刺激皮膚引起皮疹，對呼吸系統(tǒng)及肺部均有侵襲作用

12 S2F10O十氟化二硫一氧 劇毒物質 對肺組織強烈侵襲作用

表1

1.2.2對人及動物的危害

從醫(yī)學的角度來講，各種分解物氣體及生成物對人體的影響程度不光取決于其毒性的大小，還與吸入到人體內量的大小和每個人的身體素質有關。作為客觀地判斷依據，日本將每一種動物物質的允許濃度設定為五級。即：A——最低致命濃度； B——半致命濃度（50%為死亡濃度）；C——短時間停留極限，通常為15分鐘；D——出現毒性反應的最低濃度；E——為每天8小時，一周40小時的正常勞動時間，大多數人在此濃度下工作，均不會對健康有不良影響。

早在1979 年，上海第一醫(yī)學院和上海市化工局職業(yè)病防治研究所就對長期從事或接觸SF6氣體的人群進行了調查及動物試驗。

在對生產和使用SF6氣體的兩家企業(yè)的工人進行職業(yè)流行病學調查中，對年齡、性別、勞動強度、專業(yè)工齡、是否吸煙等相近的工人，進行分組對照、比較，對工人們的健康情況未發(fā)現有明顯的損害。但從統(tǒng)計的癥狀發(fā)生率來看，表現出乏力、記憶力差、咽痛、胸悶的人數較多。

在對動物（雌性大、小鼠）進行分組急性靜式染毒試驗、亞急性靜式染毒試驗中，分別將白鼠放在不同濃度的SF6新氣體或（與電弧接觸過的）開斷器的氣體分組箱里。其結果是急性靜式染毒試驗未發(fā)現異常，而亞急性靜式染毒試驗則發(fā)現一只大鼠的肺毛細血管在電子顯微鏡下有輕度亞微結構改變。是否就是由SF6氣體引起的，因試驗的動物數量有限，還難以定論。

1.2.3對環(huán)境的危害

近百年來，地球氣候正經歷一次以全球變暖為主要特征的顯著變化。這種全球性的氣候變暖是由自然的氣候波動和人類活動所增強的溫室效應共同引起的。減少溫室氣體排放、減緩氣候變化是《聯合國氣候變化公約》和《京都議定書》的主要目標，而我國在減少溫室氣體排放方面所面臨的國際壓力越來越大。

溫室效應是指大氣中的二氧化碳等氣體能透過太陽短波輻射，使地球表面升溫。同時阻擋地球表面向宇宙空間發(fā)射長波輻射，從而使大氣增溫。由于二氧化碳等氣體的這一作用與 “溫室”的作用類似，故稱之為“溫室效應”，二氧化碳等氣體被稱為“溫室氣體”。目前，發(fā)現人類活動排放的溫室氣體有六種，它們是二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、氫氟碳合物、全氟化碳、六氟化硫，這當中氟化物就有三種。其中CO2對溫室效應影響最大，占60%，而SF6氣體的影響僅占0.1%，但SF6氣體分子對溫室效應具有潛在的危害，這是因為SF6氣體一個分子對溫室效應的影響為CO2分子的25000倍，同時，排放在大氣中的SF6氣體壽命特長，約3400年?，F今，每年排放到大氣中的CO2氣體約210億，而每年排放到大氣中的SF6氣體相當于1.25億噸CO2氣體。

現在全球每年生產的大8500噸SF6氣體中，約有一半以上用于電力工業(yè)。而在電力工業(yè)中，高壓開關設備約占用氣量的80%以上。其中中壓開關的用氣量約占1/10；主要是在126～252 KV的高壓、330～800kV的超高壓領域，特別是126V～252kV～550kV的斷路器（GCB）、SF6封閉組合電氣（GIS）、充氣柜（C-GIS）、SF6氣體絕緣管道母線（GIL）中。因此，合理、正確的使用管理SF6氣體，減少排放量已到了非整治不可的地步。

1.3 SF6氣體絕緣環(huán)網柜投運后維護成本

截至北京市電力公司在運環(huán)網柜約15.8萬臺，經粗略統(tǒng)計SF6明顯泄漏的環(huán)網柜約占環(huán)網柜總量的1‰，不明顯泄漏的環(huán)網柜更是不計其數，正是因為SF6環(huán)網柜這種特性造成了設備在運行過程中必須通過定期和不定期的檢測，才能夠保證設備的安全運行。一旦發(fā)現氣箱壓力減小，特別是氣箱內的壓力低于安全值范圍內，就必須停電，對設備進行維修和充氣，并且要對維修和充過氣的設備進行檢測，合格后才能重新送電，據不完全統(tǒng)計國內主流開關柜廠家對SF6氣體開關柜充氣維護費用在3000-8000元/組不等，且由于SF6氣體開關柜多采用“共箱”方式，停電時需將整組（一般為3-6組開關）開關柜全部停電才能進行充氣維護，因此停電范圍增大，導致供電可靠性指標降低，開關操作工作量成倍增加，人力、物力成本較高。

綜上所述，SF6氣體絕緣環(huán)網柜已經無法適應供電企業(yè)對電氣設備滿足免維護的要求和現代社會日益增長的環(huán)保需求。

2固體絕緣環(huán)網柜介紹

2.1固體絕緣環(huán)網柜特點

固體絕緣環(huán)網柜，是采用固體絕緣材料作為主絕緣介質的環(huán)網柜，將真空滅弧室及其導電連接、隔離開關、接地開關、主母線等主導電回路單一或組合后用固體絕緣介質包覆封裝為一個或幾個具有一定功能，并可再次組合和擴展的具備全絕緣、全密封性能的模塊，人可觸及的表面涂覆有導電或半導電屏蔽層并可直接可靠接地的環(huán)網柜。

固體絕緣環(huán)網柜從原理結構上完全取消了SF6氣體以及相應的氣箱零部件，徹底解決了由于氣箱內部開關短路時因壓力上升而引起爆炸所造成的事故，完全避免了SF6氣體分解、泄漏而造成的有害氣體的排放，真正成為社會所需要的環(huán)境友好型開關產品。

目前國內外均有多家企業(yè)在研究開發(fā)固體絕緣環(huán)網柜，有的已通過型式試驗，并在各地掛網運行數年。從市場上的固體絕緣環(huán)網柜可以看出，目前，固體絕緣環(huán)網柜的結構主要有以下幾種：

（1）只有主回路真空斷路器的固體絕緣開關，如美國G&W公司。

（2）真空斷路器+空氣絕緣的三工位隔離、接地開關，如伊頓電氣、沈陽昊誠、北京雙杰等。

其中，伊頓電氣和沈陽昊誠采用的一次方案是：上隔離、上接地+真空斷路器，且隔離、接地采用的是螺旋直動式結構；北京雙杰采用的是真空斷路器+下隔離、下接地，且隔離、接地采用的是旋轉刀閘式結構

（3）真空斷路器+真空三工位隔離、接地開關，如ABB、日本日立等。

本文以北京雙杰電氣的固體絕緣環(huán)網柜為例，研究其替代傳統(tǒng)SF6環(huán)網柜的可能性。

2.2北京雙杰電氣固體絕緣環(huán)網柜

北京雙杰電氣具有自主自主知識和技術產權及多項國際國內專利的固體絕緣環(huán)網柜采用了眾多技術手段，包括：真空滅弧技術；彈簧儲能操作機構和永磁操作機構技術；硅橡膠絕緣技術；環(huán)氧樹脂澆鑄技術等。

2.2.1兩個關鍵性問題解決方案

（1）散熱。10KV開關產品發(fā)熱源主要存在于觸頭與母線接觸面。空氣絕緣產品以空氣為媒介，依靠氣體對流起到散熱效果。實際上，空氣是熱的不良導體，環(huán)氧樹脂與硅橡膠的熱傳導性遠遠高于空氣。固體絕緣開關產品用環(huán)氧樹脂與硅橡膠將帶電體包覆，熱量首先傳導到環(huán)氧樹脂與硅橡膠，將點散熱稀釋為面散熱，遠遠增大散熱面積，有效增強了散熱效果 。

（2）絕緣。依據國標要求，12KV額定電壓設備的相間及相對地的最小空氣間距為125MM（見圖1）。

圖1 圖2

空氣絕緣，需考慮應用場所空氣質量及污穢程度固體絕緣，適應各種工況固體絕緣環(huán)網柜徹底解決了環(huán)網柜公認的難題：即A、B、C三相母線在一平面上時，不同回路間的母線連接問題。這種三維立體母線穿越技術通過硅橡膠良好的絕緣性能，使得母排間的絕緣距離不再成為令設計人員頭疼的問題，而且，這種穿越技術方法簡單，標準化、規(guī)范化程度高，完全滿足以GB3906 、GB/T 11022 、GB50053-94 等標準（見圖2），大量推廣應用前景光明。

2.2.2適用范圍廣

固體絕緣環(huán)網柜屬于全工況產品，開關本體防護等級IP67，可有效避免由于粉塵、凝露、污穢、腐蝕性雜質的侵蝕造成的回路故障，開關柜可運行在海拔高達5500米，環(huán)境溫度-50℃的惡劣環(huán)境中，相比SF6環(huán)網柜具有更突出的抗惡劣環(huán)境的能力，在嚴寒、高原、潮濕、強風沙等惡劣環(huán)境下，適應性更強。

2.2.3經濟性

固體絕緣環(huán)網柜價格與合資品牌SF6環(huán)網柜價格相當，但明顯低于合資品牌中置柜。

固體絕緣環(huán)網柜開斷容量為1250A-31.5kA，與傳統(tǒng)中置柜開斷容量相當，遠大于SF6環(huán)網柜開斷容量（630A-20kA）（圖3）。而且固體絕緣環(huán)網柜柜體遠小于常規(guī)開關柜，節(jié)省安裝成本及寶貴的占地面積。

圖3固體絕緣環(huán)網柜與常見其他類型開關柜體積對比

固體絕緣環(huán)網柜投運后，由于不存在漏氣等問題，所以無需發(fā)生后期養(yǎng)護費用及由于申請停電而間接發(fā)生的人工費用。

2.2.3環(huán)保性

SF6是二戰(zhàn)核爆產物，溫室氣體，在電弧電暈的作用下產生劇毒的低氟化合物，而且會引起絕緣材料的損壞。固體絕緣環(huán)網柜采用環(huán)氧樹脂作為主絕緣介質，摒棄SF6氣體，擺脫壓力容器的地域限制，運行中不產生任何有害物質，是響應國家乃至國際上發(fā)展綠色經濟、綠色社會的倡導的優(yōu)秀產品。

2.3發(fā)展趨勢

2010年6月國家電網公司科技部、生技部、物資部委托中國電力科學研究院開展固體絕緣環(huán)網柜技術的調查和研究。

2011年8月國家電網公司科技部下發(fā)第1285號文件即關于發(fā)布《國家電網公司第一批重點推廣新技術目錄》的通知，固體絕緣環(huán)網柜技術被列入推廣應用類新技術。并指出從技術可靠性和環(huán)保要求更加嚴格的發(fā)展趨勢看，固體絕緣環(huán)網柜具有全面取代SF6氣體絕緣環(huán)網柜的趨勢。推廣應用計劃為：2011-2012年，公司新建和改造項目中固體絕緣環(huán)網柜的使用量不低于新增總量的5%；2015年后，新建和改造項目中固體絕緣環(huán)網柜的使用量不低于新增總量的25%。責任部門為生產技術部、物資部。

2012年3月2日國家電網公司發(fā)布企業(yè)標準Q/GDW730-2012《12kV固體絕緣環(huán)網柜技術條件》，對12kV固體絕緣環(huán)網柜的各項功能和技術指標提出了詳細的要求，并從即日起開始實施。

3結語

作為順應社會、時代發(fā)展的新一代環(huán)保型中壓電氣設備，固體絕緣環(huán)網柜從其設計原理和結構特點來看，是一種安全、環(huán)境友好型的新型環(huán)網柜，并且特別適合在高海拔、高溫差、污穢潮濕的場所使用，它必將在我國堅強的中壓智能電網中扮演重要的角色。

但與此同時，作為一種新興的電氣設備，它還有著不成熟不可靠的地方，需要我們電力行業(yè)的同仁們在實際應用中不斷研究、探索和驗證。

注釋：

[1]標準大氣壓，25℃環(huán)境導熱系數：空氣0.023W/m·k；環(huán)氧樹脂0.4-0.63W/m·k；硅橡膠0.27W/m·k.

[2]GB3906《3.6kV-40.5kV交流金屬封閉開關設備和控制設備》.

[3]GB/T 11022《高壓開關設備和控制設備標準的共用技術要求》.

[4]GB50053-94《10kV及以下變電所設計規(guī)范》.

參考文獻：

[1] 翟鵬飛.固體絕緣環(huán)網柜的認識和思考.福建中能電氣股份有限公司.

[2]關于發(fā)布《國家電網公司第一批重點推廣新技術目錄》的通知，國家電網科【2011】1285號.

[3]固體絕緣環(huán)網柜技術研究冀北電力有限公司張家口供電公司，北京雙杰電氣股份有限公司.

[5]Smart智能配電解決方案北京雙杰電氣股份有限公司.

[6]SF6絕緣環(huán)網柜和緊湊型開關柜產品目錄，施耐德電氣.

[7]SF6絕緣環(huán)網柜和緊湊型開關柜產品說明，北京ABB高壓開關設備有限公司.

[8]GAE型六氟化硫絕緣可擴展環(huán)網開關柜 歐瑪嘉寶安瑞吉（北京）電氣設備有限公司.

[9]SVI固體絕緣開關柜，北京雙杰電氣股份有限公司.