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

2,研究背景

 近年來，環(huán)境問題已成為一個非常重要的社會問題，關(guān)于溫室效應(yīng)和氣候變化是當今全球關(guān)注的焦點。1997年，在防止全球氣候變暖的《京都議定》書中，SF6等6種氣體被列為溫室氣體。據(jù)專家研究，SF6氣體的溫室效應(yīng)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》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(dān)著義不容辭的責(zé)任與義務(wù)，因此，國內(nèi)外SF6氣體的使用會受到越來越多的限制，逐步減少并最終停止使用SF6氣體是國際社會的共識。從環(huán)境保護的角度，應(yīng)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(shè)備中仍被大量使用，因而，開發(fā)一種不用SF6或少用SF6氣體的開關(guān)設(shè)備，成為各設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)所面臨的一個關(guān)鍵課題。世界各大生產(chǎn)企業(yè)及研究機構(gòu)，對N2、混合氣體、壓縮空氣、CO2等氣體進行了相關(guān)研究，希望找到SF6氣體的替代品，實現(xiàn)中壓C－GIS少SF6或無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)于組織開展重點企（事）業(yè)單位溫室氣體排放報告工作的通知》，要求開展重點單位溫室氣體排放報告工作，目的是全面掌握重點單位溫室 氣體排放情況，為實行溫室氣體排放總量控制、開展碳排放權(quán)交易等相關(guān)交易提供數(shù)據(jù)支持。因此，全面的碳交易市場建立和碳稅征收越來越臨近。大量使用SF6氣體設(shè)備的電力系統(tǒng)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(quán)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，用戶排放一噸SF6需交納約60萬澳元的碳排放稅?！秶抑攸c推廣的低碳技術(shù)》：N2絕緣開關(guān)技術(shù)；《輸變電工程通用設(shè)計、通用設(shè)備應(yīng)用目錄（2014版)》：采用N2或混合氣體的氣體絕緣開關(guān)柜；《國家電網(wǎng)公司新技術(shù)目錄（2014版)》： 無/低SF6氣體斷路器技術(shù) 。

3,環(huán)保型金屬封閉式開關(guān)設(shè)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)氧樹脂等）澆筑腔室的三工位開關(guān)+真空滅弧室、主導(dǎo)電母線回路等，該產(chǎn)品受限于本身結(jié)構(gòu)問題無法稱為真正的環(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裂。凝露、污穢等引起的局部放電等現(xiàn)象導(dǎo)致加速產(chǎn)品絕緣老化等問題。其未來發(fā)展還將受限于新材料應(yīng)用及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，還有待于市場的進一步檢驗。
真正意義上的環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜應(yīng)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(jié)進行綜合性的考慮，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)品需具備以下幾個特征：
(1).環(huán)保型環(huán)網(wǎng)柜采用全封閉式結(jié)構(gòu)，將全部導(dǎo)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)境不會造成任何影響。無需進行任何回收處理；

(3).開關(guān)采用三工位（隔離+接地）+真空滅弧室，該結(jié)構(gòu)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).集成配電自動化功能，隨著配電網(wǎng)自動化建設(shè)需求，今后環(huán)保型配電產(chǎn)品需要具備集成自動化功能，即將一，二次完全融合無需再配置DTU等裝置，將二次控制的供電電源、自動化功能、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(wěn)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關(guān)設(shè)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關(guān)設(shè)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、主回路無任何包封，正常運行時為零表壓或微正壓（氣箱的氣壓≦0.02MPa）,并且相對地及相間的絕緣能力滿足零表壓下空氣絕緣要求備的配電開關(guān)設(shè)備。

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

開關(guān)柜的發(fā)展大致經(jīng)歷了四個階段，前期主要解決絕緣問題、后續(xù)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)保型金屬封閉開關(guān)設(shè)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。

(1)固體絕緣金屬封閉式開關(guān)設(shè)備
固體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備通常定義為“對高壓導(dǎo)電體相間及相對地之間主絕緣介質(zhì)采用固體材料的開關(guān)設(shè)備”常見的固體材料為環(huán)氧樹脂、硅橡膠、聚糖酸酯、聚四氟乙烯、三元乙丙、尼龍等高分子材料。近年來固體絕緣開關(guān)設(shè)備成為國、內(nèi)外中壓開關(guān)領(lǐng)域的研發(fā)熱點。最早應(yīng)用的該類型產(chǎn)品的是日本緊跟著是歐洲。再到我國。目前國內(nèi)固體廠家數(shù)不勝數(shù)，但因存在較多技術(shù)問題難點而暫時降檔，未來的發(fā)展方向還有待進一步的公關(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)，開關(guān)內(nèi)所有導(dǎo)電部分全部固封在固體絕緣材料當中（如環(huán)氧樹脂、硅橡膠、三元乙丙膠等），相鄰柜體之間通過固體絕緣母線進行連接。從而實現(xiàn)全絕緣、全密封和免維護的結(jié)構(gòu)；解決了取代SF6氣體這種溫室效應(yīng)氣體的目的及氣箱變形，漏氣等問題；但顯然它也存在一定的技術(shù)性問題。諸如行業(yè)內(nèi)廣泛認知的以下幾點問題：
NO1.局放問題
固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜的設(shè)計與生產(chǎn)主要需解決的問題是屏蔽及其接地連續(xù)性、絕緣材料表面金屬化、電場優(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(nèi)現(xiàn)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(wěn)定。因此固體絕緣一旦發(fā)生放電，其絕緣不可恢復(fù)，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(xù)增長，最終出現(xiàn)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(gòu)成較大 威脅。
NO2.“假斷口”問題
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現(xiàn)，其實質(zhì)是將斷口兩端的靜觸座、動觸座安裝在同一個絕緣件上，通常這種斷口在行業(yè)內(nèi)稱之為“假斷口”當開關(guān)處于分閘狀態(tài)時，動、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(yù)擊穿概率大大提高。而隔離斷口的預(yù)擊穿和閃絡(luò)會造成主回路的停電線段帶電，增加人員傷亡幾率。加之絕緣老化等問題，沿面泄漏電流增加，絕緣性能下降，因此這對產(chǎn)品的可靠性需要進一步的認識及驗證。
NO3.密封問題
目前較多廠家運行的固體柜出現(xiàn)的開裂等問題除開上述問題等導(dǎo)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，因此密封問題也是需要各大廠家對柜體結(jié)構(gòu)進行進一步優(yōu)化和工藝改進去解決的一個重要問題。

5,環(huán)保型氣體絕緣金屬封閉式開關(guān)設(shè)備技術(shù)問題



NO.1絕緣問題
       由于采用環(huán)保氣體目前在國內(nèi)主要是壓縮干燥空氣、氮氣這兩種應(yīng)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(fù)能力較弱，因此需要對絕緣進行重新研究，對絕緣數(shù)據(jù)進行絕緣驗證。一般最為有效、常用的方式就是進行電場優(yōu)化設(shè)計，使之電場盡量均勻，并采用相關(guān)降低電場原件——金屬屏蔽等。

NO2.開斷問題
        對于環(huán)網(wǎng)柜當中的負荷開關(guān)單元，如果采用環(huán)保氣體后，其開斷能力會受到較大影響，目前就本人所知就ABB的SafeRing Air是采用壓氣式結(jié)構(gòu)，其他廠家都是采用真空滅弧室來增強開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(nèi)接受程度較低，因此其還需要匹配三工位隔離/接地開關(guān)，這樣負荷開關(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關(guān)就有一定的必要性了，但這樣同時將產(chǎn)生另外一個問題就是負荷開關(guān)單元不能喝斷路器單元共箱等問題。
NO3.溫升與散熱問題


環(huán)保氣體的導(dǎo)熱性能相比于SF6氣體較差，其有效手段之一是通過增加導(dǎo)體的有效面積，其與空氣的導(dǎo)熱性能比較如下圖
通過上圖不同氣體相同設(shè)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相差10K以上。通常解決溫升的有效手段是通過對流、傳導(dǎo)、輻射方式進行散熱，因此對于結(jié)構(gòu)設(shè)計將又是一大挑戰(zhàn)。