1,前言
從2014年以來(lái)，環(huán)保型氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜在繼固體柜之后又一個(gè)在輸配電設備領(lǐng)域興起的一個(gè)熱門(mén)的產(chǎn)品。下面我就環(huán)保型金屬封閉式開(kāi)關(guān)設備的一些知識及國內外一些廠(chǎng)家的產(chǎn)品與大家一起分享下。希望大家也多提供資料共同把內容豐富起來(lái)。

2,研究背景

 近年來(lái)，環(huán)境問(wèn)題已成為一個(gè)非常重要的社會(huì )問(wèn)題，關(guān)于溫室效應和氣候變化是當今全球關(guān)注的焦點(diǎn)。1997年，在防止全球氣候變暖的《京都議定》書(shū)中，SF6等6種氣體被列為溫室氣體。據專(zhuān)家研究，SF6氣體的溫室效應為CO2氣體的23900倍，排放到大氣后能存在3200年?！堵?lián)合國氣候變化公約》和《京都議定書(shū)》對溫室氣體排放均有明確的限制要求和減排目標，我國作為簽約國，在減少溫室氣體排放方面也承擔著(zhù)義不容辭的責任與義務(wù)，因此，國內外SF6氣體的使用會(huì )受到越來(lái)越多的限制，逐步減少并最終停止使用SF6氣體是國際社會(huì )的共識。從環(huán)境保護的角度，應當少用或不用SF6氣體。
由于SF6優(yōu)良的電氣滅弧和絕緣性能，在中高壓電力設備中仍被大量使用，因而，開(kāi)發(fā)一種不用SF6或少用SF6氣體的開(kāi)關(guān)設備，成為各設備生產(chǎn)企業(yè)所面臨的一個(gè)關(guān)鍵課題。世界各大生產(chǎn)企業(yè)及研究機構，對N2、混合氣體、壓縮空氣、CO2等氣體進(jìn)行了相關(guān)研究，希望找到SF6氣體的替代品，實(shí)現中壓C－GIS少SF6或無(wú)SF6化。
國家發(fā)改委于2013年11月編制了《中國電網(wǎng)企業(yè)溫室氣體排放核算方法與報告指南》，各電力公司需要加強對CO2及SF6的排放控制；2014年 初，國家發(fā)改委下發(fā)《關(guān)于組織開(kāi)展重點(diǎn)企（事）業(yè)單位溫室氣體排放報告工作的通知》，要求開(kāi)展重點(diǎn)單位溫室氣體排放報告工作，目的是全面掌握重點(diǎn)單位溫室 氣體排放情況，為實(shí)行溫室氣體排放總量控制、開(kāi)展碳排放權交易等相關(guān)交易提供數據支持。因此，全面的碳交易市場(chǎng)建立和碳稅征收越來(lái)越臨近。大量使用SF6氣體設備的電力系統面臨被征收大額碳排放稅的壓力。2014年12月10日，國家發(fā)改委發(fā)布了《碳排放權交易管理暫行辦法》，并于發(fā)布之日起30日后施行。澳大利亞在使用SF6方面已經(jīng)有了明確的稅收政策，用戶(hù)排放一噸SF6需交納約60萬(wàn)澳元的碳排放稅?！秶抑攸c(diǎn)推廣的低碳技術(shù)》：N2絕緣開(kāi)關(guān)技術(shù)；《輸變電工程通用設計、通用設備應用目錄（2014版)》：采用N2或混合氣體的氣體絕緣開(kāi)關(guān)柜；《國家電網(wǎng)公司新技術(shù)目錄（2014版)》： 無(wú)/低SF6氣體斷路器技術(shù) 。

3,環(huán)保型金屬封閉式開(kāi)關(guān)設備的定義
目前所謂的非SF6氣體絕緣的環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜分為兩種方向，一種是固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜，其采用固體（環(huán)氧樹(shù)脂等）澆筑腔室的三工位開(kāi)關(guān)+真空滅弧室、主導電母線(xiàn)回路等，該產(chǎn)品受限于本身結構問(wèn)題無(wú)法稱(chēng)為真正的環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜，另外它還存在“假斷口”受外界環(huán)境因素影響如絕緣件開(kāi)裂。凝露、污穢等引起的局部放電等現象導致加速產(chǎn)品絕緣老化等問(wèn)題。其未來(lái)發(fā)展還將受限于新材料應用及結構優(yōu)化設計，還有待于市場(chǎng)的進(jìn)一步檢驗。
真正意義上的環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜應該從材料選擇、生產(chǎn)加工、廢棄物的回收處理和有害物質(zhì)排放、對環(huán)境影響等環(huán)節進(jìn)行綜合性的考慮，而不僅僅單從是否采用SF6氣體方面考慮；因此真正的環(huán)保型充氣柜產(chǎn)品需具備以下幾個(gè)特征：
(1).環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜采用全封閉式結構，將全部導電部件封閉在氣箱當中，既能避免外界環(huán)境因素的影響，又能提高運行可靠性，使其具備免維護（或少維護）的功能，同時(shí)還能符合體積小型化要求；以上這些要求非常適合環(huán)網(wǎng)柜產(chǎn)品的大力推廣；

(2).環(huán)保型氣體絕緣柜采用的是干燥空氣、氮氣等，這些氣體的泄露對外界環(huán)境不會(huì )造成任何影響。無(wú)需進(jìn)行任何回收處理；

(3).開(kāi)關(guān)采用三工位（隔離+接地）+真空滅弧室，該結構是目前技術(shù)最成熟的配置方式，特別適合目前電網(wǎng)運行維護需求。

(4).集成配電自動(dòng)化功能，隨著(zhù)配電網(wǎng)自動(dòng)化建設需求，今后環(huán)保型配電產(chǎn)品需要具備集成自動(dòng)化功能，即將一，二次完全融合無(wú)需再配置DTU等裝置，將二次控制的供電電源、自動(dòng)化功能、特性采集功能、通訊功能等一并集成，功能集成化、智能化也將是環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜的一個(gè)重要特征。
       環(huán)保氣體——空氣、空氣成分中的一種或幾種的組合，亦或是人工合成氣體，但該氣體具有良好的絕緣性能和穩定性，特別是在合成制造、投入運行、電弧作用下及最終分解過(guò)程 中均不產(chǎn)生任何對環(huán)境有害物質(zhì)的成分。目前環(huán)保型氣體絕緣金屬封閉式開(kāi)關(guān)設備的主要絕緣介質(zhì)為三種：壓縮干燥空氣、氮氣、氮氣和少量SF6混合氣體、其他 類(lèi)絕緣介質(zhì)四氟甲烷、二氧化碳、ABB最新研制的混合氣體（不詳）、阿爾斯通的G3氣體等。
      環(huán)保型氣體絕緣金屬封閉式開(kāi)關(guān)設備通常采用真空滅弧、全密封、環(huán)保氣體為主絕緣、少量固體絕緣支撐件、主回路無(wú)任何包封，正常運行時(shí)為零表壓或微正壓（氣箱的氣壓≦0.02MPa）,并且相對地及相間的絕緣能力滿(mǎn)足零表壓下空氣絕緣要求備的配電開(kāi)關(guān)設備。

4,環(huán)保型金屬封閉式開(kāi)關(guān)設備的發(fā)展現狀
開(kāi)關(guān)柜的原型誕生于1890年，迄今已經(jīng)有100多年歷史。它的應用小到住宅小區，大到工業(yè)集中區，是電力管理的重要設備。

開(kāi)關(guān)柜的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個(gè)階段，前期主要解決絕緣問(wèn)題、后續考慮人身安全、之后研究小型化、最后研究環(huán)保型。


目前所謂的環(huán)保型金屬封閉開(kāi)關(guān)設備主要是指：固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜和環(huán)保氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜兩大類(lèi)。

(1)固體絕緣金屬封閉式開(kāi)關(guān)設備
固體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設備通常定義為“對高壓導電體相間及相對地之間主絕緣介質(zhì)采用固體材料的開(kāi)關(guān)設備”常見(jiàn)的固體材料為環(huán)氧樹(shù)脂、硅橡膠、聚糖酸酯、聚四氟乙烯、三元乙丙、尼龍等高分子材料。近年來(lái)固體絕緣開(kāi)關(guān)設備成為國、內外中壓開(kāi)關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)熱點(diǎn)。最早應用的該類(lèi)型產(chǎn)品的是日本緊跟著(zhù)是歐洲。再到我國。目前國內固體廠(chǎng)家數不勝數，但因存在較多技術(shù)問(wèn)題難點(diǎn)而暫時(shí)降檔，未來(lái)的發(fā)展方向還有待進(jìn)一步的公關(guān)。
      固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜其斷路器斷口的絕緣與滅弧是采用真空為介質(zhì)，開(kāi)關(guān)內所有導電部分全部固封在固體絕緣材料當中（如環(huán)氧樹(shù)脂、硅橡膠、三元乙丙膠等），相鄰柜體之間通過(guò)固體絕緣母線(xiàn)進(jìn)行連接。從而實(shí)現全絕緣、全密封和免維護的結構；解決了取代SF6氣體這種溫室效應氣體的目的及氣箱變形，漏氣等問(wèn)題；但顯然它也存在一定的技術(shù)性問(wèn)題。諸如行業(yè)內廣泛認知的以下幾點(diǎn)問(wèn)題：
NO1.局放問(wèn)題
固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的設計與生產(chǎn)主要需解決的問(wèn)題是屏蔽及其接地連續性、絕緣材料表面金屬化、電場(chǎng)優(yōu)化等技術(shù)。目的是使絕緣介質(zhì)外表面包覆的屏蔽層并可直接可靠接地，降低、排除使用環(huán)境對產(chǎn)品的影響，但目前國內現有產(chǎn)品很大一部分表面并未做相關(guān)處理，且局放指標不穩定。因此固體絕緣一旦發(fā)生放電，其絕緣不可恢復，局放達不到要求，絕緣老化加速壽命銳減，其絕緣能力與日巨減，放電持續增長(cháng)，最終出現絕緣擊穿及相間短路等故障，如表面未可靠接地對人生安全構成較大 威脅。
NO2.“假斷口”問(wèn)題
固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的隔離斷口和接地斷口一般采用干燥空氣實(shí)現，其實(shí)質(zhì)是將斷口兩端的靜觸座、動(dòng)觸座安裝在同一個(gè)絕緣件上，通常這種斷口在行業(yè)內稱(chēng)之為“假斷口”當開(kāi)關(guān)處于分閘狀態(tài)時(shí)，動(dòng)、靜觸座之間的絕緣性能有其空氣、絕緣沿面爬距共同決定。因此其斷口預擊穿概率大大提高。而隔離斷口的預擊穿和閃絡(luò )會(huì )造成主回路的停電線(xiàn)段帶電，增加人員傷亡幾率。加之絕緣老化等問(wèn)題，沿面泄漏電流增加，絕緣性能下降，因此這對產(chǎn)品的可靠性需要進(jìn)一步的認識及驗證。
NO3.密封問(wèn)題
目前較多廠(chǎng)家運行的固體柜出現的開(kāi)裂等問(wèn)題除開(kāi)上述問(wèn)題等導致的老化，其因凝露、粉塵、溫差、空氣中的有關(guān)化學(xué)物質(zhì)、積水等外部環(huán)境都會(huì )對絕緣件表面有重大影響，從而影響其絕緣性能，因此密封問(wèn)題也是需要各大廠(chǎng)家對柜體結構進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化和工藝改進(jìn)去解決的一個(gè)重要問(wèn)題。

5,環(huán)保型氣體絕緣金屬封閉式開(kāi)關(guān)設備技術(shù)問(wèn)題



NO.1絕緣問(wèn)題
       由于采用環(huán)保氣體目前在國內主要是壓縮干燥空氣、氮氣這兩種應用較為廣泛，其絕緣性能遠低于SF6氣體，特別是氮氣，其絕緣性能僅為SF6氣體的三分之一，且滅弧、恢復能力較弱，因此需要對絕緣進(jìn)行重新研究，對絕緣數據進(jìn)行絕緣驗證。一般最為有效、常用的方式就是進(jìn)行電場(chǎng)優(yōu)化設計，使之電場(chǎng)盡量均勻，并采用相關(guān)降低電場(chǎng)原件——金屬屏蔽等。

NO2.開(kāi)斷問(wèn)題
        對于環(huán)網(wǎng)柜當中的負荷開(kāi)關(guān)單元，如果采用環(huán)保氣體后，其開(kāi)斷能力會(huì )受到較大影響，目前就本人所知就ABB的SafeRing Air是采用壓氣式結構，其他廠(chǎng)家都是采用真空滅弧室來(lái)增強開(kāi)斷能力作為成熟的替代方案，但真空滅弧如果作為隔離斷口，目前在行業(yè)內接受程度較低，因此其還需要匹配三工位隔離/接地開(kāi)關(guān)，這樣負荷開(kāi)關(guān)單元的成本就和斷路器單元相當了，利潤較低。因此，研究環(huán)保氣體的壓氣式負荷開(kāi)關(guān)就有一定的必要性了，但這樣同時(shí)將產(chǎn)生另外一個(gè)問(wèn)題就是負荷開(kāi)關(guān)單元不能喝斷路器單元共箱等問(wèn)題。
NO3.溫升與散熱問(wèn)題


環(huán)保氣體的導熱性能相比于SF6氣體較差，其有效手段之一是通過(guò)增加導體的有效面積，其與空氣的導熱性能比較如下圖
通過(guò)上圖不同氣體相同設計其溫升裕度相差較大，同樣條件下的SF6與氮氣或干燥空氣會(huì )相差10K以上。通常解決溫升的有效手段是通過(guò)對流、傳導、輻射方式進(jìn)行散熱，因此對于結構設計將又是一大挑戰。