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摘 要：本文首先介绍环保气体绝缘金属封闭开关设备中常用到的气体种类，包括N2/SF6混合气体、氮气和三氟碘甲烷，对比不同环保气体的各项性能。同时阐述了环保气体绝缘金属封闭开关设备的相关技术要点和发展趋势，以供参考。
关键词：气体绝缘金属封闭开关设备;环保气体;关键技术：发展趋势
1.概述
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，其大量应用于电网的配电系统中，直接关系到电网的可靠运行。SF6气体由于优良的绝缘性能，被广泛应用于气体绝缘金属封闭开关设备领域，但是SF6气体是一种很强的温室气体，N2/SF6混合气体、氮气和三氟碘甲烷等气体都作为SF6的替代气体被研究。
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等）为主要绝缘介质，使用真空灭弧室作为开灭弧元件，并将真空灭弧室及一次导电回路固封在环氧树脂壳体的不锈钢气箱中。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，2014年8月21日，ABB宣布开发出新型绝缘气体混合物用于替代SF6，在开关技术领域实现了突破。2020年7月由平高集团与西安交通大学联合自主设计开发的国内首台126kV无氟环保型气体绝缘金属封闭开关设备宣告研制成功。下面将传统的空气绝缘金属封闭开关设备与SF6气体绝缘金属封闭开关设备以及环保气体绝缘金属封闭开关设备的各项性进行对比，将其总结如下，如表1所示。
2.气体绝缘金属封闭开关用环保气体的种类
通过表1可以看出，傳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;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。下面分别对目前市场上环保气体绝缘金属封闭开关设备产品中的SF6混合气体、干燥空气、氮气绝缘开关设备进行技术特点的介绍。
2.1 N2/SF6混合气体
已经有研究表明在SF6中加入N2，CO2或空气等普通气体构成的二元混合气体展现出更多方面的优越性。即使在SF6气体很低的含量下，N2/SF6混合气体便具有良好的绝缘性能。综合技术、生态和环境可靠性等方面的考虑，10%～20%SF6气体含量的混合气体是较为优选的气体绝缘封闭金属开关的选配气体方案。为了达到纯SF6气体的绝缘强度，只需提高气体压力45%～70%，且SF6气体的用量和漏气率将减少约为70%～85%。但这种混合气体的击穿电压略低于具有同等绝缘强度的纯SF6气体。因而，即使是80%N2和20%SF6气体只能用作绝缘介质，而不能作为断路器中的灭弧介质，即N2/SF6混合气体可用于气体绝缘金属封闭开关中承担绝缘任务的所有部件，但是不能用于需要灭弧的气室。
2.2氮气（N2）
氮气绝缘金属封闭开关设备以氮气作为主要绝缘介质，利用真空灭弧室进行开断。氮气绝缘性能不如SF6气体，因此其体积相对较大。目前氮气的生产工艺是将压缩空气经过冷冻式干燥机进行干燥，通过精密过滤器组滤除较大的固体和液态颗粒及油份，然后进入活性炭吸附器，利用碳分子筛在不同压力下对氮和氧及其他气体的吸附量的不同，吸附除氮气之外的空气分子，从而获得纯度大于99% 的氮气，该项制作工艺在国内外已经成熟。氮气绝缘金属封闭开关设备，固体绝缘材料较少，减小局部放电的风险;同时，氮气为环保型气体，采用微正压力氮气绝缘，降低了气体泄漏的概率，且带电体均密封在气箱中，提高了环境适应能力，能够承受高海拔、严寒、潮湿、污秽等恶劣环境。但是同N2/SF6混合气体一样，氮气绝缘性能不如 SF6 气体、固体绝缘材料，导致氮气绝缘开关设备体积相对较大。
2.3三氟碘甲烷（CF3I）
三氟碘甲烷作为制冷剂，已在制冷行业中有所应用。其具有良好的导热性能，又具有较好的电负性，所以也是作为SF6替代气体的重要研究对象。日本某高校分别对比SF6气体和三氟碘甲烷开断不同大小的电流，计算出其电弧时间常数和电弧能量损失系数来判断气体的开断能力的好坏。最终他们得出结论是：三氟碘甲烷和SF6的电弧时间常数相接近，但三氟碘甲烷的损失系数为SF6的一半，因而三氟碘甲烷也是SF6气体的理想替代气体。但是对应用于实际产品的研究并没有大力推行，主要原因是因为三氟碘甲烷相对于SF6较低的沸点，为提高其沸点需添加其他气体，针对这一混合气体的组合方式也会成为较好的研究方向。
3.环保型气体绝缘金属封闭开关设备的技术关键点
首先是绝缘性能的优化，正如上节文字提到的，N2的绝缘性能仅为SF6气体的三分之一，因此要对开关设备的绝缘进行重新研制。为确保绝缘强度要加强研究罐体的焊接工艺及检漏补气技术;同时考虑优化电场设计，采用降低电场的元器件以使电场的分布尽量均匀。
其次是温升与散热问题，金属封闭开关的主回路产生的热量只能通过有限的对流、传导和辐射的方式进行散热，使开关设备的升温达到批量生产和安全使用的条件，但不同气体在相同的设计条件下，其温升裕度有很大的差别，同样条件下SF6与N2 或干燥空气相差10K以上。
最后是混合气体的回收问题，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。
4.发展前景
与传统SF6气体绝缘金属封闭开关相比，环保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先要解决绝缘强度、温升、和环保气体工业化生产等的问题;此外，开关设备的智能化将是发展的方向，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。积极研究上述两点问题，对我国的电力设备的发展具有重要意义。
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
[2]黎斌.SF6高压电气设计[M].北京：机械工业出版社
[3]李慧芬.SF6气体替代面临诸多挑战.高电压技术.
关键词：气体绝缘金属封闭开关设备;环保气体;关键技术：发展趋势
1.概述
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，其大量应用于电网的配电系统中，直接关系到电网的可靠运行。SF6气体由于优良的绝缘性能，被广泛应用于气体绝缘金属封闭开关设备领域，但是SF6气体是一种很强的温室气体，N2/SF6混合气体、氮气和三氟碘甲烷等气体都作为SF6的替代气体被研究。
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等）为主要绝缘介质，使用真空灭弧室作为开灭弧元件，并将真空灭弧室及一次导电回路固封在环氧树脂壳体的不锈钢气箱中。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，2014年8月21日，ABB宣布开发出新型绝缘气体混合物用于替代SF6，在开关技术领域实现了突破。2020年7月由平高集团与西安交通大学联合自主设计开发的国内首台126kV无氟环保型气体绝缘金属封闭开关设备宣告研制成功。下面将传统的空气绝缘金属封闭开关设备与SF6气体绝缘金属封闭开关设备以及环保气体绝缘金属封闭开关设备的各项性进行对比，将其总结如下，如表1所示。
2.气体绝缘金属封闭开关用环保气体的种类
通过表1可以看出，傳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;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。下面分别对目前市场上环保气体绝缘金属封闭开关设备产品中的SF6混合气体、干燥空气、氮气绝缘开关设备进行技术特点的介绍。
2.1 N2/SF6混合气体
已经有研究表明在SF6中加入N2，CO2或空气等普通气体构成的二元混合气体展现出更多方面的优越性。即使在SF6气体很低的含量下，N2/SF6混合气体便具有良好的绝缘性能。综合技术、生态和环境可靠性等方面的考虑，10%～20%SF6气体含量的混合气体是较为优选的气体绝缘封闭金属开关的选配气体方案。为了达到纯SF6气体的绝缘强度，只需提高气体压力45%～70%，且SF6气体的用量和漏气率将减少约为70%～85%。但这种混合气体的击穿电压略低于具有同等绝缘强度的纯SF6气体。因而，即使是80%N2和20%SF6气体只能用作绝缘介质，而不能作为断路器中的灭弧介质，即N2/SF6混合气体可用于气体绝缘金属封闭开关中承担绝缘任务的所有部件，但是不能用于需要灭弧的气室。
2.2氮气（N2）
氮气绝缘金属封闭开关设备以氮气作为主要绝缘介质，利用真空灭弧室进行开断。氮气绝缘性能不如SF6气体，因此其体积相对较大。目前氮气的生产工艺是将压缩空气经过冷冻式干燥机进行干燥，通过精密过滤器组滤除较大的固体和液态颗粒及油份，然后进入活性炭吸附器，利用碳分子筛在不同压力下对氮和氧及其他气体的吸附量的不同，吸附除氮气之外的空气分子，从而获得纯度大于99% 的氮气，该项制作工艺在国内外已经成熟。氮气绝缘金属封闭开关设备，固体绝缘材料较少，减小局部放电的风险;同时，氮气为环保型气体，采用微正压力氮气绝缘，降低了气体泄漏的概率，且带电体均密封在气箱中，提高了环境适应能力，能够承受高海拔、严寒、潮湿、污秽等恶劣环境。但是同N2/SF6混合气体一样，氮气绝缘性能不如 SF6 气体、固体绝缘材料，导致氮气绝缘开关设备体积相对较大。
2.3三氟碘甲烷（CF3I）
三氟碘甲烷作为制冷剂，已在制冷行业中有所应用。其具有良好的导热性能，又具有较好的电负性，所以也是作为SF6替代气体的重要研究对象。日本某高校分别对比SF6气体和三氟碘甲烷开断不同大小的电流，计算出其电弧时间常数和电弧能量损失系数来判断气体的开断能力的好坏。最终他们得出结论是：三氟碘甲烷和SF6的电弧时间常数相接近，但三氟碘甲烷的损失系数为SF6的一半，因而三氟碘甲烷也是SF6气体的理想替代气体。但是对应用于实际产品的研究并没有大力推行，主要原因是因为三氟碘甲烷相对于SF6较低的沸点，为提高其沸点需添加其他气体，针对这一混合气体的组合方式也会成为较好的研究方向。
3.环保型气体绝缘金属封闭开关设备的技术关键点
首先是绝缘性能的优化，正如上节文字提到的，N2的绝缘性能仅为SF6气体的三分之一，因此要对开关设备的绝缘进行重新研制。为确保绝缘强度要加强研究罐体的焊接工艺及检漏补气技术;同时考虑优化电场设计，采用降低电场的元器件以使电场的分布尽量均匀。
其次是温升与散热问题，金属封闭开关的主回路产生的热量只能通过有限的对流、传导和辐射的方式进行散热，使开关设备的升温达到批量生产和安全使用的条件，但不同气体在相同的设计条件下，其温升裕度有很大的差别，同样条件下SF6与N2 或干燥空气相差10K以上。
最后是混合气体的回收问题，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。
4.发展前景
与传统SF6气体绝缘金属封闭开关相比，环保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先要解决绝缘强度、温升、和环保气体工业化生产等的问题;此外，开关设备的智能化将是发展的方向，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。积极研究上述两点问题，对我国的电力设备的发展具有重要意义。
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
[2]黎斌.SF6高压电气设计[M].北京：机械工业出版社
[3]李慧芬.SF6气体替代面临诸多挑战.高电压技术.