環保型空氣絕緣高壓開關柜研究

楊愛璜 海龍

摘要：電氣絕緣領域要求所應用的絕緣氣體具有優異的絕緣和滅弧性質，化學和物理性質穩定的SF6氣體便得到了廣泛的運用。但SF6有著促進溫室效應的缺點，而近些年隨著溫室效應不斷加劇，環保型氣體絕緣開關的研制迫在眉睫。本文對比分析了三種氣體的主要物理特性，提出了一種環新型保型空氣絕緣開關柜，并在麗江市開展了試點應用，發現該類型開關柜不僅能夠減少絕緣氣體對環境的污染，而且還可以降低設備的運行檢修工作的復雜程度也使得供電變得更加可靠。

Abstract： In the field of electrical insulation， SF6 gas with stable chemical and physical properties has been widely used because of its excellent insulation and arc extinguishing properties. However， SF6 has the disadvantage of promoting greenhouse effect. In recent years， with the increasing greenhouse effect， the development of environmental protection gas insulated switch is imminent. This paper compares and analyzes the main physical characteristics of the three gases， and puts forward a new type of environmental protection air insulated switchgear， and carries out the pilot application in Lijiang City. It is found that this type of switch cabinet can not only reduce the environmental pollution caused by insulating gas， but also reduce the complexity of equipment operation and maintenance， and make the power supply more reliable.

關鍵詞：SF6;溫室效應;環保型氣體絕緣開關;供電可靠性

Key words： SF6;greenhouse effect;environmental protection gas insulated switch;power supply reliability

中圖分類號：TM591? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）31-0162-02

0? 引言

隨著“兩型一化”政策在國家電網中的不斷推進和實施，以及環境的要求限制，電網一次設備的建設逐漸向著結構緊湊型、環境友好型、無人值守型的方向推進[1]。與此同時隨著“智能、綠色電網”概念的提出、政策的制定、具體工作的推進，環境友好型的電網基礎設施建設理念深植于電網發展的各方各面。為此國家電網公司近年來針對發電側、輸電側、配電側和用電側的設備環境友好型技術變革，進行多次重大技術革新。特別是針對配網側廣泛應用的開關柜，在進行小型化和緊湊化設計的同時，減少電力行業對環境的污染，電網技術不斷更新進步的同時自然環境也能夠不受影響。

1? 高壓開關柜發展現狀

1.1 傳統高壓開關柜缺陷

高壓開關柜通常是指3.6～40.5kV交流金屬封閉開關設備，在配電網絡中扮演重要角色。傳統高壓開關柜中的絕緣介質主要使用的是常見的復合絕緣材料或者普通絕緣氣體，這些絕緣介質扮演著接受并分配電網三相電能的重要角色[2]。近年來由于SF6優良的絕緣特性和滅弧性能，傳統高壓開關柜一般都選用SF6作為絕緣氣體。

常溫狀態下，SF6呈現氣體狀態，性能很穩定，不易發生化學變化。是一種透明狀、沒有氣味、無毒性且不易燃燒，具有良好絕緣強度特性、很高的耐壓特性、很強的滅弧特性、很低的離解溫度特性，是近年來在電網中廣泛應用的新型絕緣氣體[3，4]。自上世紀90年代以來，SF6氣體絕緣柜因其運行的高度可靠性和顯著的經濟效益等優勢得到了蓬勃發展。然而，造成地球變暖、冰川面積減小、海平面升高的一個主要原因就是SF6氣體的排放，雖然CO2在6種主要溫室氣體占比60%，SF6僅為0.1%。但SF6氣體自然降解周期長，其溫室效應潛能值約為CO2的2.4萬倍[5]。電力行業所排放的SF6約占大氣中其含量的一半，其中開關設備的排放量占比最大，僅我國電力開關行業的SF6氣體年排放量都不少于107kg。

2013年11月國家發改委編制了《中國電網企業溫室氣體排放核算方法與報告指南》，要求各電網相關部門嚴格控制CO2和SF6的排放，制定標準嚴格把關。因此，環保型氣體絕緣開關設備的研制成為開關電器領域重要的研究課題。

1.2 環保型絕緣氣體的選擇

僅考慮絕緣特性的話，在開關柜中SF6可以被N2和干燥空氣所代替。查閱相關文獻資料可知，SF6的絕緣性能是N2和干燥空氣的3倍[6，7]。表1所示為SF6、N2和干燥空氣三種氣體的性能對比分析。其中N2和干燥空氣為環境友好型氣體，不會對環境造成惡劣影響。且常溫下都為氣體狀態，能夠適應電力開關設備的應用要求。

N2是空氣的主要成份，化學性質穩定。雖然N2本身無色無味無毒，但當空氣中N2的比例過高時，會使氧氣在人體中產生逆滲透性，嚴重時可引起缺氧和窒息 [8]。若將N2當作絕緣氣體介質時，要安裝良好的換氣設備。如果采用干燥空氣，相應換氣設備則可以省去[9]。對比N2和干燥空氣的特性，干燥空氣的絕緣特性受金屬微粒的影響更小，因此使用干燥空氣作為高壓開關柜的絕緣氣體性能更加優良。

2? 環保型空氣絕緣開關柜特點

2.1 技術先進性

環保型空氣絕緣金屬封閉開關設備主要有以下幾個技術優勢：①綠色環保。實現溫室氣體零排放，開關設備達到使用年限后，材料的二次利用率超過90%。②環境適應性強。金屬外殼可將所有的高壓元件密封起來，可以在低溫、潮濕、低壓、污穢等惡劣外界條件下正常使用。③安全可靠性有保障。大氣壓略低于絕緣氣體的氣壓，一般不會出現絕緣氣體的泄露，即便開關柜氣箱出現意外漏氣，在零表壓時的絕緣強度仍然能夠保證設備的正常工作;此外通過開關柜外的金屬接地，能夠很好的保障運維工作者的安全。④維護量小。由于高壓開關柜通過金屬密封，外界條件不會影響到氣體的絕緣性能，絕緣不易老化;此外減少了現場測設保護氣體泄漏的工作，在設備整個運行周期上降低維護成本。⑤體積小。環保型空氣開關柜保持了柜體尺寸小，占地面積小的優點，21世紀初期，我國開關設備制造業開始研究相關的環保絕緣開關設備，截至今日，能夠完成試驗并正式投入電網使用的企業還在穩步增加。截止2020年6月，已有幾十家研制并通過監測，并且已經投入大量電網和國防工程中。

2.2 產品簡介

環保型空氣絕緣環網柜由獨立的功能單元（負荷開關+隔離接地開關單元或斷路器+隔離接地開關單元）單元柜并柜組成。采用全絕緣、全密封型式，將負荷開關、斷路器和隔離接地開關等一次元件密封于以干燥空氣為絕緣介質的不銹鋼殼體中，產品結構如圖1所示。為迎合環保理念，避免SF6的使用和污染，少量使用環氧樹脂包覆結構，外形和體積大小上保持與SF6絕緣柜相似，體積不大且便于使用。

柜子的進出線均配備相應的獨立開關單元，減少停電范圍的同時，降低運行檢修人員工作的復雜程度，大大減小了發生錯誤操作的可能性，同時涉及到線路轉供時施工更加容易，保證了施工人員的安全。

3? 環保型絕緣開關柜的實際應用

本項目研發地環保型空氣絕緣環網柜，預期在云南省麗江市10kV花馬街線、10kV清溪線覆蓋的11臺電纜分支箱進行10kV緊湊型空氣絕緣固定式高壓開關柜改造;并在10kV仁和線292號桿段處，進行架空線路多分支情況下的具體改造實施。以達到分支獨立停電，減少配電工作拔插電纜頭的繁瑣、復雜、高危險工作。

3.1 設備運維效率提升

開關柜更換以后將具有更長壽命、少（免）維護，按照長壽命、少（免）維護設計，完成滿足南方電網最新壽命要求，大幅降低停電維修時間，更緊湊小型，更節能，按照少（免）維護技術規范構筑的配電房，按照差異化運維的要求將大大減少麗江電網公司運維班組的工作量，進而使古城內運維班組的工作更加精益、有條不紊，提高麗江電網行業在大眾心中的認可度。

3.2 供電可靠性提升

在滿足現階段供電可靠性要求的同時，從長遠角度來看，使用環保型空氣絕緣開關柜更能夠大幅度減少客戶年平均停電時間，提升了涉電公共安全，從而達到公司在南網《提升供電可靠性暨“185611”停電時間1小時行動方案》當中對2020年以前所有的市中心客戶年平均停電時間不超過1小時的要求。麗江古城作為世界著名的旅游城市，人口流量大，文化娛樂消費需求高，供電可靠性的進一步提高和鞏固，更有利于保障游客的消費需求，維護好麗江古城的美好形象。

4? 總結與展望

對空氣絕緣型環網柜的結構進行緊湊化和小型化設計優化，逐步替代SF6氣體絕緣環網柜，在電網中加大環境友好型開關柜的推廣和使用，以及環境友好型氣體絕緣環網柜新技術的發展，實現電網設備的生態友好化和可持續化。環保型空氣絕緣開關柜的使用，在保證原有SF6氣體絕緣開關柜的優良性能的基礎上，還能夠有效的減緩溫室效應，同時能夠保證整個電力系統的平衡穩定，提升運維效率，對生態持續發展及電網高效發展均有重大的意義。

參考文獻：

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[9]崔文軍，張交鎖.SF6氣體絕緣開關設備中干燥空氣作為 絕緣介質的使用[J].高壓電器，2016（12）：221-226.