减小SF_6气体在高压开关设备中的用量

摘要：本文中从SF6开关设备概述、全球变暖与温室气体分析、SF6气体的温室效应与减小SF6在高压开关设备中的用量四方面，进行了分析，以供参考。

关键词： SF_6气体；高压开关设备；用量分析

中图分类号：TM643 文献标识码： A

一、SF6开关设备概述

SF6开关是以SF6气体作为灭弧及绝缘介质的开关设备，该类开关设备的显著特点是运行维护的工作量相对较少，但运行的安全可靠性要明显的优于采用其他的物质作为灭弧及绝缘介质的开关，较高的安全性与可靠性的形成原因多取决于开关设备的结构性能及SF6。这类气体介质的优势性能SF6开关均处于较为封闭的运行状态下，可减少外界环境条件对内部结构运行性能的影响：绝缘性能较为稳定可靠，因为纯净的SF6气体是化学性能较为稳定的非金属氟化物，化学结构造成该种气体在1500l：的气温下依然具备较高的稳定性，具备高压击穿的性能优点：SF6开关的检修周期较长，该类开关的不检修开合次数、累积开合电流等性能指标均较高；SF6开关的导电回路的稳定性及可靠性较高，导电回路几何尺寸较大程度上取决于绝缘灭弧的介质特性及绝缘灭弧室结构，而SF6开关的电流密度相对较小，这使得导电裕度相对较大。

二、全球变暖与温室气体分析

在地球上，大部分太阳的辐射光穿过地球大气到达地表面。大部分的辐射光被地表面吸收，使地球表面变暖。另一方面，CO2等温室气体会吸收红外线的大部分波长区域，并再次辐射出，使地球变暖的情况更为严重。一般来说，CO2气体对大部分波长的红外线吸收率都很高，但唯独对8～12μm波长范围内的红外线吸收率很小。这一范围波长的红外线穿透率很高，被称为“大气之窗”。同样是温室气体的SF6，它的吸收光谱却正好和8～12μm波长范围吻合，因此，SF6气体会吸收8～12μm波长范围内的红外线，并再次辐射出，同样会加剧地球变暖的情况。主要的温室气体是CO2、CH4、N2O、HFCs、PFCs和SF6。其中：温室效应最显著的是CO2，约占60%；SF6最不显著，占0.1%。因此，防止全球变暖，特别是要减小CO2的排放量，当然对SF6也应该给予足够的重视。这些温室气体就像一张张开的塑料膜罩在大地上，阳光可透过“膜”照入大地，但大地的热量却被“膜”所

隔绝，散不到大气中。因此，温室气体越多，气候变暖问题就越严重。联合国政府间气候变化委员会曾报告指出：如果全球气温上升幅度超过1.5K，那么全球20%～30%的动植物将面临灭绝之灾；如果气温上升幅度超过3.5K，那么全球40%～70%的动植物将可能灭绝。目前，地球上温室气体的排放总量为430亿t，其中CO2高达235亿t，

SF6也有2000t。虽然SF6排放总量相对其他温室气体而言不大，但它的全球变暖系数（GWP）却是CO2的23900倍，在大气中存在的年限也高达2300a。

三、SF6气体的温室效应

SF6气体具有优异的绝缘和灭弧性能，总量的80%被用于高压开关设备中。另一方面，在《京都议定书》中，SF6被确定为六种受限制的温室气体之一。CO2的全球变暖系数为1，CH4为21，N2O为310，HFCs为140～11700，PFCs为6500～9200，SF6为23900。这就是说，1kgSF6所产生的温室效应相当于23.9tCO2所产生的温室效应。

SF6气体排入大气后存在的年限也非常长。一般根据大气中的OH活性炭反应特性来评价气体在大气中的存在年限。因为SF6的氟化物和OH活性炭几乎无反应，所以SF6是一种在大气中存在年限长，且非常稳定的气体。根据测算，SF6在大气中存在的年限达到2300a，而CO2为200a。高压开关设备的电压等级不同，用气量也大不相同。如果将高压细分为中压（12kV～40kV）、高压（72kV～252kV）、超高压（330kV～800kV）、特高压（1100kV）四个等级，那么中压开关设备的SF6用气量仅占总用气量的10%，且电压等级越高，用气量就越大。例如：12kVSF6断路器，SF6用气量约为1kg；40.5kVSF6断路器，SF6用气量约为3kg；72kV及以上SF6断路器，SF6用气量高达数千克、数百千克甚至数吨。再如：252kVSF6断路器，瓷柱式的SF6用气量约为30kg，罐式的SF6用气量则高达180kg。可见，SF6的用气量还与断路器结构有关。特别是金属封闭式组合电器，其SF6用气量更大。

四、减小SF6在高压开关设备中的用量

如前所述，SF6是极强的温室气体，因此，减小SF6在高压开关设备，特别是高压、超高压、特高压开关设备中的用量，至为重要。减小SF6用量，主要从改进SF6断路器和组合电器结构做起。对SF6断路器而言，主要是减少断路器的断口数。如图1所示，日本在过去的30多年中不断减少550kV超高压断路器断口数，进而降低了SF6用气量。1976年，550kV断路器采用四断口，单台断路器需充入2000kgSF6；1982年，550kV断路器由四断口减少为双断口，单台断路器充入SF6量为1050kg，较四断口降低了47%；1993年，550kV断路器改进为单断口，单台断路器充入SF6量减少为720kg，较四断口降低了64%。断口数的减少，大大简化了断路器的结构，使产品小型化和轻量化，更重要的是，减小了SF6用气量。

图1日本550kV断路器结构改进示意图

断路器结构的改进，不但减小了SF6的用气量，还减小了SF6的排放量。1995年，日本全年SF6的排放量为700t，到了2005年降低为70t。日本从产品组装生产到运行维护，都严格控制SF6的排放量，并按照日本气体处理行动计划执行。根据相关数据报告，正常运行的断路器，每年的SF6排放量小于断路器内SF6的0.1%；当断路器达到维修阶段时SF6排放量可控制在3%；当断路器达到更换阶段时，SF6排放量也可控制在1%以下。现如今，日本普遍采用结构改进后的断路器和封闭式组合电器。将550kV单断口断路器用于封闭式组合电器，将大大减少组合电器零件，使设备小型化、轻量化，更能减小SF6用气量。图2所示为550kV封闭式组合电器中断路器的单断口垂直布置与传统双断口水平布置的比较。使用垂直布置的单断口断路器后，封闭式组合电器占地面积大大减小，从340m2减小为236m2。与此同时，SF6用气量也大大减小。

图2日本550kV封闭式组合电器中断路器单断口垂直布置与双断口水平布置比较

在较低电压等级领域，封闭式组合电器从分相式发展到三相共箱式、复合式、新型复合式，也使SF6用气量大为降低。以日本66kV/170kV封闭式组合电器为例，分相式设备SF6用气量为250kg；三相共箱式设备用气量为225kg，减少了10%；复合式设备用气量为150kg，与分相式相比减少了40%；新型复合式设备用气量进一步降低至100kg，与分相式相比减少了60%。与此同时，设备的占地面积也逐渐减小。

结束语：

SF6气体是目前发现的六种温室气体之一，它的温室效应是CO2的23800倍，是《京都议定书》禁止排放气体之一。在高压电器制造行业使用着大量的SF6气体，由于管理不当导致SF6气体及在高温电弧作用下产生的有毒分解物排放到大气中，给人们赖以生存的环境带来污染和破坏，同时给电器设备的正常运行和人们身体健康带来不利影响，因此在今后须做好SF6气体的管理，减少对环境的污染，应将少开发和生产SF6气体的电器设备作为高压电器制造行业的发展方向。

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