固体绝缘环网柜取代SF6气体绝缘环网柜的探讨

【摘 要】随着配电网环网柜的使用越来越多，SF6环网柜因其具有全绝缘、全封闭等特点而得到广泛应用。但是，随着环网柜应用数量的不断增加，其发生SF6及其衍生物泄漏故障的情况也逐渐增多。本文通过对SF6及其衍生物泄漏后对环境的影响及SF6环网柜维护中存在一些问题的总结和分析，对比新型固体绝缘柜技术特点，对固体环网柜替代SF6环网柜的可能性进行分析，从而降低电网设备故障率，提高电网供电可靠性。

【摘要】固体绝缘环 网柜取代 SF6气体

环网柜是由一组高压开关设备安装在金属柜体内或做成拼装间隔式环网柜供电单元的电气设备，广泛用于中压电缆线路分段、联络及分接负荷。近几年来，随着中压配电网建设及入地改造的实施，城市中压配电网电缆化率越来越高，作为电缆线路重要供电设备的环网柜在城市中压配电网中发挥着重要作用。

我国电网中使用的环网柜按照绝缘方式主要分为三类：油绝缘、空气绝缘和SF6气体绝缘。而油绝缘环网柜随着国内城乡电网无油化改造的推进，已经基本被淘汰；空气绝缘环网柜由于供电单元只能用于开断容量小、不频繁操作的场合，而且对户外恶劣环境适应性较差，所以现在已较少使用。目前国网大规模使用的是SF6气体绝缘环网柜，但实现循环经济是未来发展的方向，所以电力设备无氟化是必然道路，随着固体绝缘技术的成功研发，使得广泛使用的SF6绝缘环网柜被固体绝缘环网柜所替代成为可能。

1 SF6气体绝缘环网柜介绍

1.1SF6气体绝缘环网柜使用情况

SF6气体绝缘环网柜主要采用SF6气体作为绝缘介质，将高压部分或高低压部分密封在一个充满SF6气体的气箱内，气箱内外存在0.3～0.5BAR的压力差，客观上使SF6气体外泄成为可能。

1.2 SF6及其化学反应衍生物的形成及危害

1.2.1 SF6及其化学反应衍生物的产生及性质

（1）SF6气体性质。纯净的SF6气体是一种无色、无嗅、基本无毒、不可燃的卤素化合物。在相同状态下约是空气相对密度的5倍。为便于运输和贮存，SF6气体通常以液态形式存在于钢瓶中。

SF6气体的化学性质非常稳定，在空气中不燃烧，不助燃，与水、强碱、氨、盐酸、硫酸等不反应；在低于150℃ 时，SF6气体呈化学惰性，极少熔于水，微熔于醇。对电气设备中常用的金属及其它有机材料不发生化学作用。然而，在大功率电弧、火花放电和电晕放电作用下，SF6气体能分解和游离出多种产物，主要是SF4和SF2，以及少量的S2、F2、S、F等。特别在是室内、地铁、大型剧场、机场、医院等设施内使用，对人体会产生非常不利的影响，并且非常不安全。另外，SF6气体是温室效应气体，散发到大气中后不能有效分解，对气候产生很大影响，污染空气，使空气污浊，严重影响人们的生存空间。

（2）SF6气体的毒性来源。从有关部门的试验及研究结果可知，SF6气体的毒性主要来自 5 个方面。

1）SF6产品不纯，出厂时含高毒性的低氟化硫、氟化氢等有毒气体。大家知道，目前化工行业制造 六氟化硫（SF6）气体的方法主要是采用单质硫磺与过量气态氟直接化合反应而成；即 S+3F2SF6+Q（放出热量）。在合成的粗品中含有多种杂质，其杂质的组成和含量因原材料的纯度、生产设备的材质、工艺条件等因素的影响而有很大差异，杂质总含量可达5%。其组成有硫氟化合物，如：S2F2、SF2、SF4、S2F1O 等；硫氟氧化合物如SOF2、SO2F2、SOF4、S2F10O 等以及原料中带入的杂质如HF、OF2、CF4、N2、O2等。为了净化粗品中的杂质，合成后的SF6气体还需要经过水洗、碱洗、热解（去除剧毒的十氟化物）、干燥、吸附、冷冻、蒸馏提纯等一系列净化处理过程才能得到纯度在 99.8% 以上的产品。然后再用压缩机加压，充入降温至-80 ℃ 左右的钢瓶中，以液态形式存在。在使用时减压放出，呈气态冲入电气设备中。

除在上面的合成过程中产生的杂质外，另外，在气体的充装过程中还可能混入少量的空气、水分、和矿物油等杂质，这些杂质均带有或会产生一定的毒性物质。因此，为保证SF6产品的纯度和质量，对出厂的SF6产品国际电工委员会（IEC）及许多国家均制定了质量标准，并要求生产厂家在供货时提供生物试验无毒证明书。

2）电气设备内的SF6气体在高温电弧发生作用时而产生的某些有毒产物。例如： SF6 气体在电弧中的分解和与氧的反应：

2SF6+O22SOF2+8F（氟化亚硫酰）

2SF6+O22SOF4+4F（四氟化硫酰）

SF6SF4+2F（四氟化硫）

SF6S+6F（硫）

2SOF4+O22SO2F2+4F（氟化硫酰）

3）电气设备内的SF6气体及分解物与电极（CU-W合金）及金属材料（AL、CU）反应而生成某些有毒产物。例如： SF6气体及分解物与电极或其它材料反应：

3SF6+WWF6（气态）+3SF4

3F+ALALF3（固态粉末）

3SOF2+AL2O32ALF3（固态粉末）+3SO2

SF6+CUCUF2（固态粉末）+ SF6

4SF6+W+CU2S2F2（气态）+3WF6（气态）+CUF2（固态粉末）

4）电气设备内的SF6气体分解物与其内的水分发生化学反应而生成某些有毒产物。例如：SF6气体分解物与水的继发性反应：

SF4+H2OSOF2+2HF（氢氟酸）

SOF4+H2OSO2F2+2HF（氢氟酸）

SOF2+H2OSO2+2HF（二氧化硫）

SO2F2+2H2OH2SO4+2HF（硫酸）

5）电气设备内的SF6气体及分解物与绝缘材料反应而生成某些有毒产物。如与含有硅成分的环氧酚醛玻璃丝布板（棒、管）等绝缘件；或以石英砂、玻璃作填料的环氧树脂浇注件、模压件以及瓷瓶、硅橡胶、硅脂等起化学作用，生成SIF4、SI（CH3）2F2等产物（见表一）。

SF6气体的电弧分解物及反应生成物的生理特性见表1。

序号 化学成分 化学性质 生理学特性

1 S2F2氟化硫 常温下为无色气体，具有很强的毒性 常温下为无色气体，具有很强的毒性，遇水后生成 HF ，对呼吸系统有类似光气的破坏性作用

2 SF4 无色气体，有类似 SO2的刺激性臭味，毒性与光气相当 对肺有侵害作用，动物肺部吸入该气体后会出现呼吸困难的现象。

3 S2F10 常温常压下为无色易挥发液体，系剧毒物质，毒性约为 SOF2的300倍。 主要侵袭肺住址，引起肺出血和肺水肿。白鼠的致死浓度为1×10（V/V）。

4 SOF2 无色剧毒气体 侵袭肺部，引起肺组织急性水肿，影响气体交换，使肺部缺氧充血而导致窒息性死亡，它有强烈的恶心臭味。白鼠和兔子的致死浓度为10×10-6和50×10-6（V/V）

5 SO2 有刺激性气体

6 HF氟化氢 无色气体或液体，具有强烈的刺激性臭味，极易溶解于水，形成氢氟酸 对一般材料具有较强的腐蚀性。 HF 对皮肤、粘膜有强烈的刺激作用，并能引起肺水肿、肺炎等。

7 SIF4 有刺激性， 从食物中摄取后对呼吸有危险

8 WF6 有刺激性

9 SO2F2氟化硫酰 挛性化合物，无色无臭 在较高浓度下对肺组织有刺激作用，引起肺泡出血。

10 SF2二氟化硫 沸点35℃，极不稳定，受热后更加活泼，易水解生成 S、 O2、HF等 其毒性与HF相当

11 AIF3三氟化铝 白色粉末状，通常吸附了大量的有毒气态分解产物，故应被视为具有强烈腐蚀性和毒性的物质。 ALF3 粉尘可刺激皮肤引起皮疹，对呼吸系统及肺部均有侵袭作用

12 S2F10O十氟化二硫一氧 剧毒物质 对肺组织强烈侵袭作用

表1

1.2.2对人及动物的危害

从医学的角度来讲，各种分解物气体及生成物对人体的影响程度不光取决于其毒性的大小，还与吸入到人体内量的大小和每个人的身体素质有关。作为客观地判断依据，日本将每一种动物物质的允许浓度设定为五级。即：A――最低致命浓度； B――半致命浓度（50%为死亡浓度）；C――短时间停留极限，通常为15分钟；D――出现毒性反应的最低浓度；E――为每天8小时，一周40小时的正常劳动时间，大多数人在此浓度下工作，均不会对健康有不良影响。

早在1979 年，上海第一医学院和上海市化工局职业病防治研究所就对长期从事或接触SF6气体的人群进行了调查及动物试验。

在对生产和使用SF6气体的两家企业的工人进行职业流行病学调查中，对年龄、性别、劳动强度、专业工龄、是否吸烟等相近的工人，进行分组对照、比较，对工人们的健康情况未发现有明显的损害。但从统计的症状发生率来看，表现出乏力、记忆力差、咽痛、胸闷的人数较多。

在对动物（雌性大、小鼠）进行分组急性静式染毒试验、亚急性静式染毒试验中，分别将白鼠放在不同浓度的SF6新气体或（与电弧接触过的）开断器的气体分组箱里。其结果是急性静式染毒试验未发现异常，而亚急性静式染毒试验则发现一只大鼠的肺毛细血管在电子显微镜下有轻度亚微结构改变。是否就是由SF6气体引起的，因试验的动物数量有限，还难以定论。

1.2.3对环境的危害

近百年来，地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化。这种全球性的气候变暖是由自然的气候波动和人类活动所增强的温室效应共同引起的。减少温室气体排放、减缓气候变化是《联合国气候变化公约》和《京都议定书》的主要目标，而我国在减少温室气体排放方面所面临的国际压力越来越大。

温室效应是指大气中的二氧化碳等气体能透过太阳短波辐射，使地球表面升温。同时阻挡地球表面向宇宙空间发射长波辐射，从而使大气增温。由于二氧化碳等气体的这一作用与 “温室”的作用类似，故称之为“温室效应”，二氧化碳等气体被称为“温室气体”。目前，发现人类活动排放的温室气体有六种，它们是二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳合物、全氟化碳、六氟化硫，这当中氟化物就有三种。其中CO2对温室效应影响最大，占60%，而SF6气体的影响仅占0.1%，但SF6气体分子对温室效应具有潜在的危害，这是因为SF6气体一个分子对温室效应的影响为CO2分子的25000倍，同时，排放在大气中的SF6气体寿命特长，约3400年。现今，每年排放到大气中的CO2气体约210亿，而每年排放到大气中的SF6气体相当于1.25亿吨CO2气体。

现在全球每年生产的大8500吨SF6气体中，约有一半以上用于电力工业。而在电力工业中，高压开关设备约占用气量的80%以上。其中中压开关的用气量约占1/10；主要是在126～252 KV的高压、330～800kV的超高压领域，特别是126V～252kV～550kV的断路器（GCB）、SF6封闭组合电气（GIS）、充气柜（C-GIS）、SF6气体绝缘管道母线（GIL）中。因此，合理、正确的使用管理SF6气体，减少排放量已到了非整治不可的地步。

1.3 SF6气体绝缘环网柜投运后维护成本

截至北京市电力公司在运环网柜约15.8万台，经粗略统计SF6明显泄漏的环网柜约占环网柜总量的1‰，不明显泄漏的环网柜更是不计其数，正是因为SF6环网柜这种特性造成了设备在运行过程中必须通过定期和不定期的检测，才能够保证设备的安全运行。一旦发现气箱压力减小，特别是气箱内的压力低于安全值范围内，就必须停电，对设备进行维修和充气，并且要对维修和充过气的设备进行检测，合格后才能重新送电，据不完全统计国内主流开关柜厂家对SF6气体开关柜充气维护费用在3000-8000元/组不等，且由于SF6气体开关柜多采用“共箱”方式，停电时需将整组（一般为3-6组开关）开关柜全部停电才能进行充气维护，因此停电范围增大，导致供电可靠性指标降低，开关操作工作量成倍增加，人力、物力成本较高。

综上所述，SF6气体绝缘环网柜已经无法适应供电企业对电气设备满足免维护的要求和现代社会日益增长的环保需求。

2固体绝缘环网柜介绍

2.1固体绝缘环网柜特点

固体绝缘环网柜，是采用固体绝缘材料作为主绝缘介质的环网柜，将真空灭弧室及其导电连接、隔离开关、接地开关、主母线等主导电回路单一或组合后用固体绝缘介质包覆封装为一个或几个具有一定功能，并可再次组合和扩展的具备全绝缘、全密封性能的模块，人可触及的表面涂覆有导电或半导电屏蔽层并可直接可靠接地的环网柜。

固体绝缘环网柜从原理结构上完全取消了SF6气体以及相应的气箱零部件，彻底解决了由于气箱内部开关短路时因压力上升而引起爆炸所造成的事故，完全避免了SF6气体分解、泄漏而造成的有害气体的排放，真正成为社会所需要的环境友好型开关产品。

目前国内外均有多家企业在研究开发固体绝缘环网柜，有的已通过型式试验，并在各地挂网运行数年。从市场上的固体绝缘环网柜可以看出，目前，固体绝缘环网柜的结构主要有以下几种：

（1）只有主回路真空断路器的固体绝缘开关，如美国G&W公司。

（2）真空断路器+空气绝缘的三工位隔离、接地开关，如伊顿电气、沈阳昊诚、北京双杰等。

其中，伊顿电气和沈阳昊诚采用的一次方案是：上隔离、上接地+真空断路器，且隔离、接地采用的是螺旋直动式结构；北京双杰采用的是真空断路器+下隔离、下接地，且隔离、接地采用的是旋转刀闸式结构

（3）真空断路器+真空三工位隔离、接地开关，如ABB、日本日立等。

本文以北京双杰电气的固体绝缘环网柜为例，研究其替代传统SF6环网柜的可能性。

2.2北京双杰电气固体绝缘环网柜

北京双杰电气具有自主自主知识和技术产权及多项国际国内专利的固体绝缘环网柜采用了众多技术手段，包括：真空灭弧技术；弹簧储能操作机构和永磁操作机构技术；硅橡胶绝缘技术；环氧树脂浇铸技术等。

2.2.1两个关键性问题解决方案

（1）散热。10KV开关产品发热源主要存在于触头与母线接触面。空气绝缘产品以空气为媒介，依靠气体对流起到散热效果。实际上，空气是热的不良导体，环氧树脂与硅橡胶的热传导性远远高于空气。固体绝缘开关产品用环氧树脂与硅橡胶将带电体包覆，热量首先传导到环氧树脂与硅橡胶，将点散热稀释为面散热，远远增大散热面积，有效增强了散热效果 。

（2）绝缘。依据国标要求，12KV额定电压设备的相间及相对地的最小空气间距为125MM（见图1）。

图1 图2

空气绝缘，需考虑应用场所空气质量及污秽程度固体绝缘，适应各种工况固体绝缘环网柜彻底解决了环网柜公认的难题：即A、B、C三相母线在一平面上时，不同回路间的母线连接问题。这种三维立体母线穿越技术通过硅橡胶良好的绝缘性能，使得母排间的绝缘距离不再成为令设计人员头疼的问题，而且，这种穿越技术方法简单，标准化、规范化程度高，完全满足以GB3906 、GB/T 11022 、GB50053-94 等标准（见图2），大量推广应用前景光明。

2.2.2适用范围广

固体绝缘环网柜属于全工况产品，开关本体防护等级IP67，可有效避免由于粉尘、凝露、污秽、腐蚀性杂质的侵蚀造成的回路故障，开关柜可运行在海拔高达5500米，环境温度-50℃的恶劣环境中，相比SF6环网柜具有更突出的抗恶劣环境的能力，在严寒、高原、潮湿、强风沙等恶劣环境下，适应性更强。

2.2.3经济性

固体绝缘环网柜价格与合资品牌SF6环网柜价格相当，但明显低于合资品牌中置柜。

固体绝缘环网柜开断容量为1250A-31.5kA，与传统中置柜开断容量相当，远大于SF6环网柜开断容量（630A-20kA）（图3）。而且固体绝缘环网柜柜体远小于常规开关柜，节省安装成本及宝贵的占地面积。

图3固体绝缘环网柜与常见其他类型开关柜体积对比

固体绝缘环网柜投运后，由于不存在漏气等问题，所以无需发生后期养护费用及由于申请停电而间接发生的人工费用。

2.2.3环保性

SF6是二战核爆产物，温室气体，在电弧电晕的作用下产生剧毒的低氟化合物，而且会引起绝缘材料的损坏。固体绝缘环网柜采用环氧树脂作为主绝缘介质，摒弃SF6气体，摆脱压力容器的地域限制，运行中不产生任何有害物质，是响应国家乃至国际上发展绿色经济、绿色社会的倡导的优秀产品。

2.3发展趋势

2010年6月国家电网公司科技部、生技部、物资部委托中国电力科学研究院开展固体绝缘环网柜技术的调查和研究。

2011年8月国家电网公司科技部下发第1285号文件即关于《国家电网公司第一批重点推广新技术目录》的通知，固体绝缘环网柜技术被列入推广应用类新技术。并指出从技术可靠性和环保要求更加严格的发展趋势看，固体绝缘环网柜具有全面取代SF6气体绝缘环网柜的趋势。推广应用计划为：2011-2012年，公司新建和改造项目中固体绝缘环网柜的使用量不低于新增总量的5%；2015年后，新建和改造项目中固体绝缘环网柜的使用量不低于新增总量的25%。责任部门为生产技术部、物资部。

2012年3月2日国家电网公司企业标准Q/GDW730-2012《12kV固体绝缘环网柜技术条件》，对12kV固体绝缘环网柜的各项功能和技术指标提出了详细的要求，并从即日起开始实施。

3结语

作为顺应社会、时展的新一代环保型中压电气设备，固体绝缘环网柜从其设计原理和结构特点来看，是一种安全、环境友好型的新型环网柜，并且特别适合在高海拔、高温差、污秽潮湿的场所使用，它必将在我国坚强的中压智能电网中扮演重要的角色。

但与此同时，作为一种新兴的电气设备，它还有着不成熟不可靠的地方，需要我们电力行业的同仁们在实际应用中不断研究、探索和验证。

注释：

[1]标准大气压，25℃环境导热系数：空气0.023W/m・k；环氧树脂0.4-0.63W/m・k；硅橡胶0.27W/m・k.

[2]GB3906《3.6kV-40.5kV交流金属封闭开关设备和控制设备》.

[3]GB/T 11022《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》.

[4]GB50053-94《10kV及以下变电所设计规范》.

参考文献：

[1] 翟鹏飞.固体绝缘环网柜的认识和思考.福建中能电气股份有限公司.

[2]关于《国家电网公司第一批重点推广新技术目录》的通知，国家电网科【2011】1285号.

[3]固体绝缘环网柜技术研究冀北电力有限公司张家口供电公司，北京双杰电气股份有限公司.

[5]Smart智能配电解决方案北京双杰电气股份有限公司.

[6]SF6绝缘环网柜和紧凑型开关柜产品目录，施耐德电气.

[7]SF6绝缘环网柜和紧凑型开关柜产品说明，北京ABB高压开关设备有限公司.

[8]GAE型六氟化硫绝缘可扩展环网开关柜 欧玛嘉宝安瑞吉（北京）电气设备有限公司.

[9]SVI固体绝缘开关柜，北京双杰电气股份有限公司.