淺析環境友好型中壓開關設備技術優劣

徐石　陶剛　葉燕

摘 ?要：隨著智能電網的普及，配電網建設成為研究的熱點這對于配電網中壓開關設備的要求越來越高。該文以我國配電開關關注熱點和發展趨勢為背景，介紹了環境友好型中壓開關設備的發展現狀，綜述了氣體絕緣柜、固體絕緣開關設備等環境友好型中壓設備的發展現狀，性能優劣，希望為配電開關行業的發展提供建設性建議。

關鍵詞：配電開關;中壓開關設備;環境友好型

中圖分類號：F323.3 ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

近年來，隨著智能電網的普及，配電網建設成為研究的熱點，這對于配電網中壓開關設備的要求越來越高。目前，開關電器設備要向著高可靠性、低污染性、易維護性、高智能型的方向發展。其中低污染性的和高智能性是我國配電開關的發展重點。筆者就中壓開關設備的發展趨勢，總結了智能化中壓開關設備、環境友好型設備的技術特點，性能優勢，并展望了未來的發展方向。

1 環境友好型中壓開關設備概述

有研究表明，以分SF6分子的溫室效應影響是一個二氧化碳分子溫室效應影響的240 000倍，且SF6分子很難被分解，在自然環境下要約3200年才能自然分解。在全球范圍內，SF6氣體生產約50%用于電力行業，這其中開關設備的使用占據了約80%。我國的SF6氣體污染情況更加嚴重，在電力行業安裝人員檢修SF6充氣設備時，由于檢修人員環保意識薄弱，常常出現SF6沒有全部回收的情況。因此，雖然SF6的中壓設備性能良好，但是由于其對環境不友好，發展不用SF6氣體的中壓開關設備技術成為研究的熱點，例如固體絕緣開關設備、干燥空氣或者氮氣絕緣設備以及SF6和氮氣混合氣體絕緣開關設備[1]。

2 環境友好型中壓開關設備現狀

目前在中壓開關設備制造領域，避免SF6氣體應用的技術路線有2種，一種是固體絕緣開關設備（SIS），即使用固體絕緣介質替代SF氣體;另一種稱之為環保氣體絕緣開關設備（GIS或者C-GIS），這種技術采用沒有溫室效應的氣體替代SF6氣體，例如清潔干燥的空氣、氮氣等。2種技術都有其特有的優勢，例如SIS設備結構更加緊湊，在低額定電流配電網應用較多;而GIS在額定電流等級較高的配電網應用較多。GIS目前已經成為日本中壓開關配電市場的主流產品。我國在該領域的研究起步較晚，21世紀初才開始投入研發，到目前為止已經實現了GIS設備的小批量生產以及小范圍試運行，目前正在從小批量生產走向大批量供應的道路。

2.1系統結構

筆者以我國某電器公司自主研發的環保氣體絕緣開關設備為例，闡述其系統構型。在環保型氣體絕緣開關中，技術關鍵是能否實現在無SF6氣體情況下的真空開斷，該公司經過不懈的科研努力，目前已將真空開斷技術應用于生產的設備之中。而目前國內中壓開關設備領域也已經近9成實現了真空開斷技術的應用。該設備斷路器極柱采用了谷豐設計，降低內部氣體氬氣要求，以提高外絕緣強度。該設備尺寸與目前市場上的SF6C-GIS設備基本相同，且具備獨立的自主知識產權，為我國首臺未利用SF6氣體工藝的C-GIS環保氣體絕緣開關設備。

2.2 中壓智能開關設備優點

智能化中壓開關設備集開斷功能與控制功能于一體，不僅具備基本的開關控制功能，還可以在運行過程中對運行數據進行檢測以及智能故障診斷。它配備變送器、執行器和電子分析設備等。其優點包括操作自動化、自我診斷與在線檢測、配電系統自動化、智能化保護測控等。

2.2.1 操作自動化

操作自動化是智能化中壓設備的初級功能，它實現了中壓設備操作流程的程序化和自動化，使設備按照事先設計好的程序自行運轉，減少人工管理成本。

2.2.2 自我診斷與在線檢測

智能化的中壓開關設備可利用設備裝配的數據搜集傳感器采集運行過程中的各種參數，實現數據的及時監控，同時可將數據上傳至數據分析設備集中分析，從而實現對設備自身運行狀態的及時檢測，并根據數據分析結果，及時及時發出故障報警，還能智能定位故障發生區域。

2.2.3 配電系統自動化

配電系統自動化使較高級的智能化階段，具備該功能的中壓開關能實現配電網的自動化配電，即以每個智能化開關柜為基本元素，把每個開閉所和配電室作為智能網絡，從而實現日常管理的智能化[2]。

2.2.4 智能化保護測控

智能控制設備要求能夠適應開關的智能保護測控。其具有的功能包括保護功能;監視功能;控制功能、測量功能和通信功能。1）保護功能。其包括短路保護、低電壓保護、過電壓保護、接地故障保護以及斷路器失靈保護等。2）監視功能。其能夠實現終端設備的自我檢測、電閘過后回路電流的監視以及斷路器運行狀態的實時監控等。3）控制功能。可以通過遠程計算機或者遙感設備對設備進行遠程或就地信號控制，可以保護合閘和跳閘。4）測量功能。測量功能能測量相電流、相電壓相對地電壓的數值。5）通信功能。該功能能夠與遠程計算機或者變電站進行遠程通信。

3 環境友好型中壓開關設備的發展

如前文所述，環境友好型中壓開關設備包括兩條技術路線：環保型氣體絕緣技術和固體絕緣技術，本節就該兩條技術路線應用下的環保型中壓設備產品進行簡要討論。

3.1 氣體絕緣柜

氣體絕緣柜也叫做GIS，或者C-GIS。設備通常是把各種高壓原件密封在容器內，并在容器中充入少量的絕緣氣體。目前，應用絕緣氣體有混合氣體、改造空氣、氮氣、二氧化碳等，而先前提到的具備強烈溫室效應的SF6氣體已基本不采用了。就國內來說，環保氣體絕緣柜一般有3種類型。1）采用干燥空氣的設備，使用電壓一般在12 kV～40.5 kV。2）采用氮氣和二氧化碳的設備，12 kV的設備使用較多。3）采用SF6設備，國內基本已經很少采用，但是SF6和氮氣的混合設備在40.5 kV的設備中使用較廣泛。

環保氣體絕緣柜優勢明顯，除了低污染以外還包括4點。1）體積小，采用環保氣體的設備柜體尺寸小，節約成本，不占地。2）易于維護，外界環境很難影響到柜體內的高壓環境，高壓元器件在高壓環境下不易老化，即使需要維護，維修人員在維護過程中也不需對氣體進行回收，維護操作簡單方便。3）高模塊化，設備之間可靈活組合，拼接方便。4）可靠性強，高壓元器件均密封在充滿氣體的金屬容器箱內，容器箱接地，確保在運行維護過程中工作人員的安全[3]。

3.2 固體絕緣開關設備

我國最早引入國內的固體絕緣開關設備為荷蘭的霍力克公司生產的真空型環網柜，該設備尺寸較小，北京于2007年首次應用該設備。

該設備的開關和滅弧室絕緣材料采用真空介質，固體材料應用在外絕緣處，運用固封極柱技術密封絕緣筒，以上技術使得真空滅弧室、主導點回路和絕緣支撐等形成一個整體，實現整個設備的全密封、全絕緣結構。且設備無需維護，體積小，各單元可拆卸更換，方便組合。環氧樹脂材料制作的絕緣筒以及硅橡膠制作的母線密封性良好，具有很強的耐極端環境性能，從根本上解決了SF6氣體高溫膨脹的問題。

3.3 性能比較

2種技術路線的中壓開關設備性能各有側重，適用范圍各有不同。就體積來說，兩者產品體積都小，不占用地，且維護量小，維護安全。而固體絕緣環網柜無溫室氣體排放，而環保絕緣開關柜有少部分溫室氣體排放，原因是SF6混合氣體柜含少量SF6氣體。兩者對使用環境要求低，其中固體絕緣環網柜無使用環境要求，而環保氣體絕緣開關柜因含少量SF6氣體，因此對使用環境有少許要求。就使用安全性而言，固體絕緣環網柜局部放電不穩定，絕緣材料一旦損壞難以恢復，而環保氣體絕緣開關柜則不存在以上問題。固體絕緣環網柜在使用過程中材料損耗較多，環保氣體絕緣開關柜則較少，且前者大額定電流較小，后者較大，在使用過后，前者難以回收再利用，后者可回收再利用。性能比較見表1。

4 結論與展望

環境友好型中壓開關設備市場效益好，環境代價小，其越來越受到人們的關注，在未來，中壓開關設備必然也要繼續向著智能化、低污染化的方向發展，企業應該加大投入，智能化、低污染化的中壓設備必然能贏得市場的青睞。

參考文獻

[1]孫竹森，蘭劍.環保型金屬封閉開關設備的技術特點與發展趨勢[J].中國電業（技術版）， 2014（6）：53-56.

[2]張交鎖.中壓環保型氣體絕緣開關設備的實現及關鍵技術[J].中國電業（技術版），2014（6）：35-38.

[3]蘭劍，王承玉，李慶余.中國配電開關應關注的發展熱點[J].高壓電器，2015（10）：223-226.