环保型高压电力开关设备研究进展综述

摘要

六氟化硫（SF₆）是一种强温室效应气体，其全球变暖潜能指数（GWP）为二氧化碳的23 900倍，且大气寿命为3 200 a，被广泛应用于高压开关设备。SF₆的大量使用给温室效应问题带来了巨大的潜在威胁，限制其在电力开关设备中的使用是促进绿色电力工业发展的有效途径。近年来，国内外对基于去SF₆技术的环保型开关设备开展了大量研究，本文对近年来国内外环保型开关设备的发展现状、趋势、关键技术进行了综述。环保型开关设备开关的发展是基于去SF₆技术–环保替代气体绝缘开断和真空开断+环保气体绝缘的发展。总结对比了SF₆替代气体C₄F₇N、C₅F₁₀O、全氟化碳类气体（c-C₄F₈、C₃F₈、CF₄）、CF₃I、HFO类气体的绝缘性能、开断性能及分解特性，介绍了现有环保气体绝缘开关设备产品现状及发展趋势。结果表明：环保气体中CF₃I和c-C₄F₈多次放电后产生固体微粒影响其绝缘性能，全氟化碳类气体的弱介电强度制约了其研究进展；对比分析认为，C₄F₇N、C₅F₁₀O是一种前景广阔的气体替代方案，两者混合气体绝缘和开断性能基本满足设备需求，但其绝缘性能对设备内部电场的均匀程度较敏感，且分解过程不可逆产物复杂。目前，高压气体环保绝缘开关设备已发展至170 kV/50 kA，所用的环保混合气体共3类：C₅F₁₀O/O₂/CO₂、C₄F₇N/O₂/CO₂、C₄F₇N/CO₂。对真空开断+洁净空气的关键技术进行了阐述，总结了大电流真空电弧磁场控制技术、真空灭弧室内外绝缘技术、真空断路器X射线泄漏及温升特性研究现状，并在此基础上总结了真空开断型环保电力开关设备现状及其未来发展趋势。结果表明：纵磁控制是一种有效的电弧调控手段，但对纵磁下的真空电弧研究主要集中于小间隙；分析认为纵磁控制将是真空开关向更高电压等级发展的一大难点，通过优化真空断路器的分闸曲线可以有效提高纵磁调控效益；真空开关向更高电压等级发展，真空灭弧室内、外绝缘面临巨大挑战，增大触头间隙和采用多断口是目前提高灭弧室内绝缘能力的主要途径，但存在真空绝缘“饱和”和均压困难的问题，环保气体加压和绝缘涂层能有效提高真空灭弧室外绝缘能力，这对开关设备的气密性、真空波纹管提出更高的要求；真空开关向更高电压等级发展，额定电流提升，对真空灭弧室散热和X射线屏蔽提出更高的要求，以往研究表明马蹄铁型纵磁触头具有较好的热通流能力。商用单断口真空灭弧室已经发展到了145 kV/40 kA，本文在现有产品的基础上总结了真空开断型环保电力开关设备的发展趋势；并基于目前的研究现状，总结了环保型高压电力开关设备向更高电压等级发展的进一步研究重点：不同故障条件下的环保气体分解特性及其分解产物与绝缘灭弧性能的作用关系，大直径、大开距真空电弧的磁控技术，真空开断型环保电力开关设备绝缘配合优化设计，大电流下真空灭弧室温升控制等亟待研究的内容，旨在为未来环保型电力高压开关设备的开发提供参考。

关键词

SF₆替代气体 / 真空开断 / 环保型电力高压开关设备