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[摘 要]随着电力工业的发展，SF_6开关设备逐渐取代传统的充油设备，对电力系统的安全稳定和经济运行起到了关键作用。無论是在高压输电系统，还是在配电系统中，充有SF_6气体的产品的市场份额皆稳定增长，尤其是在中国市场。如何趋利避害，安全使用SF_6气体也已引起国内多方关注。基于此，本文主要对SF_6气体在中高压开关设备中的安全使用进行分析探讨。
[关键词]SF_6气体；中高压开关设备；安全使用
中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）41-0094-01
1、前言
由于SF_6气体具有优越的绝缘性能、灭弧性能和散热性能，自20世纪60年代早期，SF_6气体就被应用在电力输配电系统的高压设备中，目前SF_6气体在高压领域主要应用于断路器、GIS组合电器和复合开关，以SF_6气体为绝缘的设备中高压、超高压占绝对主导地位。在中压领域，主要应用在以SF_6气体绝缘的高压开关成套设备（C—GIS、充气环网柜）、断路器及负荷开关等中。除用于高压开关设备外，SF_6气体也开始向中高压输变电设备中的互感器、电容器、避雷器、熔断器、气体绝缘输电管道和变压器等领域发展。
2、SF_6气体在中高压开关设备中的安全使用
2.1 全过程的气体管理逐渐成为强制要求
（1）要求产品具有更低的漏气率
开关设备中，SF_6气体用量最大的是GIS设备。为减少自然泄漏，最新版的IEC62271_203《气体绝缘金属封闭开关设备》标准中已经明确将年漏气率从1%减少到0.5%，这虽然对GIS的密封设计、气密性外壳材料选择都提出了更高的标准，带来了成本的额外支出，但有利于环保的要求。不仅如此，CAPIEL（欧盟工业电力开关设备制造商协会协调委员会）的有关SF_6气体的清单目录方法中要求所有的零件计算SF_6气体真正的散失。该方法的目的就是测量SF_6气体的散失，特别是开关设备操作引起的散失。CAPIEL还开发了一种综合的方法，包括电力领域各方面对SF_6气体的使用，从获得气体一刻起一直到设备寿命期满为止。目前，全世界的制造商已经接受并达到了这样的漏气率，这将使每年的自然漏气排放减少一半左右。
（2）加强气体的全过程管理
SF_6气体在开关设备中的使用，不同于其他温室效应气体，如CO2和甲烷等，它在使用期限内基本处在全密封状态下，合理的管理可保证气体的泄漏降到很低的程度。如欧洲的CAPIEL机构定义了链式管理原则，包含SF_6气体的全部使用链，即从SF_6气体的制造、在开关设备中的应用、在电网中的操作、它的使用及维护，直至开关设备寿命期满SF_6气体的回收或销毁。它还定义了“拥有者”和“拥有者转移”的原则来保证在SF_6气体处理的任何阶段都有明确的责任。该清单目录方法正在按公历年为基础比较SF_6气体的输入量和输出量。事实上，它是一种以合理的准确度确定散失量的可操作的方法。日本的电协院也制定了电力用SF_6气体的使用基准。在这个使用基准里严格规定了工程各个阶段的气体回收措施，如图1所示。为尽量减少排放，提出应将回收气体的最终压力控制在0.015MPa以下，设备服役终了销毁时的回收压力控制在0.005MPa以下。这些法规的形成，加强了气体在工程全过程中的管理，确保了最低的气体排放量。
我国目前尚无相关的法规出台，但不少电力公司已从经济的角度建立了SF_6气体再利用体系。比较突出的是安徽省电力公司，通过建立SF_6气体回收再利用系统，采取分散回收、集中处理、统一检测和合理利用的管理模式，取得了可观的经济效益和环保效益。
2.2 开关设备设计中尽量减少SF_6气体的使用量
为满足环保、小型化的要求，开关设备在设计中也逐渐将减少SF_6气体的使用量作为优化设计的手段。
（1）充SF_6气体的容积尽可能小
比较典型的例子是GIS产品小型化设计。以126kVGIS产品为例，它经历了从三相分相式到三相共箱式，再到更紧凑的共箱式3个阶段，在产品不断小型化的同时，气体用量也不断减少。如紧凑型共箱式GIS用气量比传统型GIS节省约20%。另外，从中压C—GIS的发展历程看，也经历了整体结构从三相分筒式到三相共筒式，再到方箱式的结构变化。这种变化不仅使设备的集成和小型化程度大大提高，同时也使气体使用量大大减少。
（2）在开关设备中充入混合气体
目前经常用到的混合气体主要是SF_6/N2和SF_6/CF4。SF_6/N2的充入比例一般选取在80：20，绝缘性能基本不变，但开断性能有所下降。国内有些断路器，如LW36—126型断路器就做过混合气体的开断试验，额定短路容量从40kA下降到31.5kA，顺利完成开断任务。国外有些公司的产品有采用SF_6/CF4的混合气体，最高比例达到50：50，但多使用在没有电弧的隔离开关隔室或母线隔室，从而达到减少气体用量，增大低温地区适用范围的目的。
（3）减少作为灭弧功能的SF_6气体的使用量
目前，126一145kV的真空断路器已经开发并得到应用，有些产品已在国内运行。一些国外科研机构还在研制将真空灭弧室和隔离断口放在同一个瓷柱内的“隔离断路器”的研制，内充具有很低压力的SF_6气体。该种复合电器的设计，不仅提高了集成度，同时也大大减少了气体用量。
2.3 加强对SF_6气体替代品的研究
对于SF_6气体替代品的研究和开发已经经历了很长时间。作为替代气体，其选定的基本原则有：①初选基准。无毒性、液化温度低、化学性能稳定。②环境基准。臭氧层破坏指数（ODP）为零、地球温度变化系数（GWP）小、大气中的寿命短。③绝缘性能基准。临界电场高、局部放电后不产生导电性分解生成物。④开断性能基准。电弧稳定性能良好、热开断性能良好、不产生导电性分解生成物、音速小。⑤经济性能基准。价格便宜、供给充足。到目前为止，基于以上原则的替代品尚未出现。
同时，开关设备也在研究非SF_6气体的绝缘特性，实现或部分实现中压C—GIS无SF_6化。目前已有24kV充氮气的产品在运行，36kV的产品已在工厂内试制，应是技术发展方向之一。在高壓领域，也已出现72.5kV等级的充入C02气体的GlS。C02作为绝缘和开断介质。高压限流器的研制也将不断促进开关设备的无SF_6化。
3、结语
我国虽然是发展中国家，却是SF_6气体用量最大的国家之一。建议我国的相关部门尽快制定相应的法规或条例，特别是制定关于气体回收方面的强制要求，做好统一回收程序、残存压力标准、充放气装置阀门的标准化等细致的技术工作，在取得好的环保效益时，同时达到好的经济效益。
参考文献
[1] 袁亮.高压电器中SF_6气体分解物的检测与研究[D].长春：长春理工大学，2009.
[关键词]SF_6气体；中高压开关设备；安全使用
中图分类号：TM564 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）41-0094-01
1、前言
由于SF_6气体具有优越的绝缘性能、灭弧性能和散热性能，自20世纪60年代早期，SF_6气体就被应用在电力输配电系统的高压设备中，目前SF_6气体在高压领域主要应用于断路器、GIS组合电器和复合开关，以SF_6气体为绝缘的设备中高压、超高压占绝对主导地位。在中压领域，主要应用在以SF_6气体绝缘的高压开关成套设备（C—GIS、充气环网柜）、断路器及负荷开关等中。除用于高压开关设备外，SF_6气体也开始向中高压输变电设备中的互感器、电容器、避雷器、熔断器、气体绝缘输电管道和变压器等领域发展。
2、SF_6气体在中高压开关设备中的安全使用
2.1 全过程的气体管理逐渐成为强制要求
（1）要求产品具有更低的漏气率
开关设备中，SF_6气体用量最大的是GIS设备。为减少自然泄漏，最新版的IEC62271_203《气体绝缘金属封闭开关设备》标准中已经明确将年漏气率从1%减少到0.5%，这虽然对GIS的密封设计、气密性外壳材料选择都提出了更高的标准，带来了成本的额外支出，但有利于环保的要求。不仅如此，CAPIEL（欧盟工业电力开关设备制造商协会协调委员会）的有关SF_6气体的清单目录方法中要求所有的零件计算SF_6气体真正的散失。该方法的目的就是测量SF_6气体的散失，特别是开关设备操作引起的散失。CAPIEL还开发了一种综合的方法，包括电力领域各方面对SF_6气体的使用，从获得气体一刻起一直到设备寿命期满为止。目前，全世界的制造商已经接受并达到了这样的漏气率，这将使每年的自然漏气排放减少一半左右。
（2）加强气体的全过程管理
SF_6气体在开关设备中的使用，不同于其他温室效应气体，如CO2和甲烷等，它在使用期限内基本处在全密封状态下，合理的管理可保证气体的泄漏降到很低的程度。如欧洲的CAPIEL机构定义了链式管理原则，包含SF_6气体的全部使用链，即从SF_6气体的制造、在开关设备中的应用、在电网中的操作、它的使用及维护，直至开关设备寿命期满SF_6气体的回收或销毁。它还定义了“拥有者”和“拥有者转移”的原则来保证在SF_6气体处理的任何阶段都有明确的责任。该清单目录方法正在按公历年为基础比较SF_6气体的输入量和输出量。事实上，它是一种以合理的准确度确定散失量的可操作的方法。日本的电协院也制定了电力用SF_6气体的使用基准。在这个使用基准里严格规定了工程各个阶段的气体回收措施，如图1所示。为尽量减少排放，提出应将回收气体的最终压力控制在0.015MPa以下，设备服役终了销毁时的回收压力控制在0.005MPa以下。这些法规的形成，加强了气体在工程全过程中的管理，确保了最低的气体排放量。
我国目前尚无相关的法规出台，但不少电力公司已从经济的角度建立了SF_6气体再利用体系。比较突出的是安徽省电力公司，通过建立SF_6气体回收再利用系统，采取分散回收、集中处理、统一检测和合理利用的管理模式，取得了可观的经济效益和环保效益。
2.2 开关设备设计中尽量减少SF_6气体的使用量
为满足环保、小型化的要求，开关设备在设计中也逐渐将减少SF_6气体的使用量作为优化设计的手段。
（1）充SF_6气体的容积尽可能小
比较典型的例子是GIS产品小型化设计。以126kVGIS产品为例，它经历了从三相分相式到三相共箱式，再到更紧凑的共箱式3个阶段，在产品不断小型化的同时，气体用量也不断减少。如紧凑型共箱式GIS用气量比传统型GIS节省约20%。另外，从中压C—GIS的发展历程看，也经历了整体结构从三相分筒式到三相共筒式，再到方箱式的结构变化。这种变化不仅使设备的集成和小型化程度大大提高，同时也使气体使用量大大减少。
（2）在开关设备中充入混合气体
目前经常用到的混合气体主要是SF_6/N2和SF_6/CF4。SF_6/N2的充入比例一般选取在80：20，绝缘性能基本不变，但开断性能有所下降。国内有些断路器，如LW36—126型断路器就做过混合气体的开断试验，额定短路容量从40kA下降到31.5kA，顺利完成开断任务。国外有些公司的产品有采用SF_6/CF4的混合气体，最高比例达到50：50，但多使用在没有电弧的隔离开关隔室或母线隔室，从而达到减少气体用量，增大低温地区适用范围的目的。
（3）减少作为灭弧功能的SF_6气体的使用量
目前，126一145kV的真空断路器已经开发并得到应用，有些产品已在国内运行。一些国外科研机构还在研制将真空灭弧室和隔离断口放在同一个瓷柱内的“隔离断路器”的研制，内充具有很低压力的SF_6气体。该种复合电器的设计，不仅提高了集成度，同时也大大减少了气体用量。
2.3 加强对SF_6气体替代品的研究
对于SF_6气体替代品的研究和开发已经经历了很长时间。作为替代气体，其选定的基本原则有：①初选基准。无毒性、液化温度低、化学性能稳定。②环境基准。臭氧层破坏指数（ODP）为零、地球温度变化系数（GWP）小、大气中的寿命短。③绝缘性能基准。临界电场高、局部放电后不产生导电性分解生成物。④开断性能基准。电弧稳定性能良好、热开断性能良好、不产生导电性分解生成物、音速小。⑤经济性能基准。价格便宜、供给充足。到目前为止，基于以上原则的替代品尚未出现。
同时，开关设备也在研究非SF_6气体的绝缘特性，实现或部分实现中压C—GIS无SF_6化。目前已有24kV充氮气的产品在运行，36kV的产品已在工厂内试制，应是技术发展方向之一。在高壓领域，也已出现72.5kV等级的充入C02气体的GlS。C02作为绝缘和开断介质。高压限流器的研制也将不断促进开关设备的无SF_6化。
3、结语
我国虽然是发展中国家，却是SF_6气体用量最大的国家之一。建议我国的相关部门尽快制定相应的法规或条例，特别是制定关于气体回收方面的强制要求，做好统一回收程序、残存压力标准、充放气装置阀门的标准化等细致的技术工作，在取得好的环保效益时，同时达到好的经济效益。
参考文献
[1] 袁亮.高压电器中SF_6气体分解物的检测与研究[D].长春：长春理工大学，2009.