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摘要：气体绝缘金属封闭开关设备是坚强电网中不可或缺的产品，其大量应用于电网配电系统中，直接关系到电网的可靠运行。本文就环保气体绝缘金属封闭开关设备的技术难点与发展趋势进行简要分析，以供参考。
关键词：环保气体绝缘金属封闭开关设备；技术难点；发展趋势
近几十年来，凭借优良的物理性能，SF6气体在电气工业领域被广泛用于电气绝缘和电流关断。由于一定压力下的SF6气体比其他绝缘介质具有更高的介电强度，这有助于气体绝缘开关设备安全可靠地运行。然而，SF6是一种典型的温室气体，电网和企业用户需要在整个使用周期中小心处理。规范管理和使用SF6的成本很高，特别是当变电站老化退役时所需要的处理费用。SF6气体的削减和替代是电力开关行业需要急迫解决的问题，也是电力开关设备研究和制造领域不可推卸的责任和义务。为确保电网运行安全、可靠性水平的不断提升，积极适应新型能源的大规模接入及优化电网资源配置，建设更加符合经济社会要求的节能、环保型电网，持续提升智能电网建设水平，全面落实电网建设、运行全寿命投资最省理念，需要持续、广泛地开展电网创新成果的推广应用工作，国内已有设备制造企业研制出无／低SF6气体绝缘开关设备，部分产品通过了型式试验并挂网运行。
1环保气体绝缘金属封闭开关设备的技术特点
环保气体绝缘金属封闭开关设备以环保气体（如少量SF6与N2混合气体，干燥空气，N2）为主要绝缘介质，使用真空灭弧室作为开断灭弧元件，并将真空灭弧室及一次导电回路固封在环氧树脂壳体或不锈钢气箱中。国内开关设备企业从2004年开始研制环保气体开关设备，经过十几年的努力，已经有不少公司研制的产品通过型式试验和挂网运行，目前主要用于中压领域，如12~72.5kV干燥空气绝缘开关柜，12kV和40.5kV氮气绝缘开关柜，24~72.5kV充SF6混合气体（其中SF6比例最高为50%）的开关柜。通过10多年的挂网运行经历，将环保气体绝缘金属封闭开关设备与传统的空气绝缘金属封闭开关设备以及SF6气体绝缘金属封闭开关设备的各项性能进行对比，将其总结如下，如表1所示。
表1不同绝缘方式开关设备的性能比较
通过表1可以看出，传统的空气绝缘金属封闭开关设备由于采用空气作为绝缘介质，极易受外部环境的影响，潮湿、脏污、海拔等情况将对开关设备产生较大的影响，而且开关设备体积较大，占地面积较大，不符合小型化的趋势。SF6气体绝缘金属封闭开关设备由于采用SF6气体作为绝缘和灭弧介质，使开关设备的体积减少，且不易受环境的影响，但由于SF6气体为温室气体，且使用过程中极易产生有毒物质，在设备的运行过程中需要对其进行泄漏检测与防护。环保气体绝缘金属封闭开关设备与前两者相比，将主回路安装在充满环保气体气箱内，并通过真空灭弧室进行灭弧，使设备体积小，环境适应性强；由于没有SF6气体，取消SF6气体的检漏设备和回收装置，简化了检测项目，不需对有毒分解物进行检测；同时，环保气体开关设备安全可靠，免维护，规模化生产后成本较低。可见，相比而言，环保气体绝缘金属封闭开关设备在性能上具有较大的优势，是比较理想的中压金属封闭开关设备。
2环保气体绝缘金属封闭开关设备的技术难点
2.1绝缘优化
采用新型环保气体后，如干燥空气或N2，由于绝缘性能低于SF6，特别是N2，其绝缘性能仅为SF6气体的1/3，因此需要对开关设备的绝缘进行重新研究。为确保绝缘强度，在捡漏补气以及焊接工艺等方面应加强研究，如采用自动捡漏及充气设备以及机器人焊接设备等。此外，还应进行电场的优化设计，使场强尽量均匀，并采用降低电场的元器件，如金属屏蔽等。同时要考虑采用环保气体作为开关设备的绝缘介质后，如何使之与SF6气体绝缘产品的外形尺寸和制造成本基本保持不变、用户界面和操作方式实现类似等问题。
2.2开断能力的保证
对于环网柜中的负荷开关单元，采用环保气体后，其开断能力会受到影响。采用真空灭弧室来增强开断能力是一个成熟的替代方案。但是用真空灭弧室作为隔离断口目前还很难被接受，因为真空断口在高电压作用下存在非保持性击穿放电（NSDD）的可能，真空触头的冷焊现象也容易导致冲击水平的下降，直接威胁人身安全。所以，现有的真空负荷开关需要与三工位隔离/接地开关相匹配，不仅成本高，而且产品尺寸大。因此，需要研究新型的开关结构，使环保气体既可以做绝缘介质又可以做灭弧介质。
2.3温升与散热
气体绝缘金属封闭开关设备将高压元件密封在不锈钢气箱中，并采用环氧树脂，硅胶等少量固体绝缘材料来提高绝缘强度，密闭的空间使主回路产生的热量只能通过有限的对流、传导和辐射方式进行散热，使开关设备的温升裕度受到限制，特别是N2或干燥空气，其温升裕度与SF6相差10K以上。因此，如何控制温升，解
2.4混合气体的选用与回收
混合气体一般指SF6与环保气体的混合，但SF6到底占多少才能定义为环保气体没有明确的定义。因此，应对混合气体的比例进行明确界定。设计时不同比例的混合气体回收装置的研发，漏气发生时如何补气措施，产品维护维修措施，产品废弃后的有害物质的处理等都应在理论上加强研究，制度上加以规范。
3发展趋势
通过上述技术特点和技术难点的阐述可以看出，环保气体绝缘金属封闭开关设备相比其他气体绝缘金属封闭开关设备具有巨大的优势，同时也有许多难点，因此未来的发展动向首先要解决绝缘强度、温升、开断能力的保证和环保气体工业化生产的问题，以突出环保气体绝缘金属封闭开关设备在技术、经济性、环保性等方面的优势；此外，开关设备的智能化将是未来发展的方向，如何实现一二次融合，减少配电自动化安装调试和维护的工作量，提高设备运行可靠性和自动化水平将是开关设备完善需要考虑的问题。
4结束语
为落实国家对电网节能环保的要求，积极促进《国家电网公司新技术目录（2014）版》中针对环保气体绝缘金属封闭开关设备的推广应用，相关专家对环保气体绝缘金属封闭开关设备产品做出如下建议：无／低SF6气体绝缘开关设备已经具批量生产及安全使用的条件；为该产品在国内市场的大力推广及出口国外市场提供政策上支持；为该类产品在电力系统的推广应用，在价格上给予支持，保证企业后续持续改进创新；进一步加强该产品的研制力度，在市场逐步扩大的同时，规范行业管理，有序发展；更深层次加强企业、用户和管理部门的交流与沟通，推进对该产品的认识。
参考文献
[1]汤昕，廖四军，杨鑫.SF6混合/替代气体绝缘性能的研究进展[J].绝缘材料，2014，47（6）.
[2]全国输配电技术协作网，中能国研（北京）电力科学研究院.无/少SF6气体金属封闭开关设备技术白皮书[Z].2015，7.
作者介绍：
徐石（1981.9.6），性别：男，籍贯：四川，民族：汉，学历：大学本科，职称：高级工程师，职务：无。研究方向：高、低压电气成套开关设备研发与制造
方博 1982.07.11，性别：男，民族：汉族，学历：本科，职称：中级工程师，研究方向：新能源
论文作者:徐石1,方博2
论文发表刊物:《电力设备》2018年第4期
论文发表时间:2018/6/21
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