环境保护与高压电器制造业发展趋势探讨

环境保护与高压电器制造业发展趋势探讨
《京都议定书》中规定的六种温室气体之一的六氟化硫(SF6)气体向大气的排放主要是通过电力输变电设备，尤其是高压开关设备、互感器、变压器和气体绝缘输电管道等产品都是在试验研究、生产制造、运输和运行以及检修过程中产生的。
SF6气体在高压电器产品的应用大约占SF6气体应用的80％，而SF6气体开关设备是当今高压开关领域的主导产品，也是超高压和特高压开关设备应用与发展的主要方向，所以，了解环境变化和保护趋势，控制SF6气体向大气的排放，研究SF6气体在电力开关设备中的应用对电力开关设备的发展有着重要意义。
大气环境保护的形势
1997年12月11日，149个国家和地区的代表通过了《京都议定书》规定了六种温室气体(GHG)，它们是：二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫。此议定书于2005年2月16日开始生效，它规定从2008到2012年期间，主要工业发达国家的温室气体排放量要在1990年的基础上平均减少5.2%，其中欧盟将6种温室气体的排放削减8%，美国削减7%，日本削减6%，加拿大削减6%，东欧各国削减5%～8%；新西兰、俄罗斯和乌克兰则不必削减，可将排放量稳定在1990年水平上；议定书同时允许爱尔兰、澳大利亚和挪威的排放量分别比1990年增加10％、8％、1％；发展中国家没有减排义务。
我国于1998年5月29日签署了《京都议定书》，2002年8月30日正式核准了《京都议定书》，虽然此中没有规定中国有减排义务，但专家预测，我国的C02排放总量很快就会超过美国成为世界第一位，到时候必然会受到履行《京都议定书》减排规定的约束。我国在“十一五”期间也已明确要履行《京都议定书》义务，所以SF6气体在其它电器如互感器、变压器、负荷开关、输电管道等方面的应用与发展，应当考虑SF6气体向大气的排放问题，研究更适应环境友好的企业经济发展方案。
SF6气体的特性
研究发现，在大气压均匀电场下SF6气体的绝缘强度是空气的3倍，虽然低于绝缘油和高真空状态，但是增加SF6气体压力时，其绝缘强度就会高过绝缘油和高真空状态。与空气对比研究还发现，在电弧放电情况下，相对空气中温度梯度小的粗电弧，SF6气体中整体温度较低，电弧主要集中在高温部位。因此，SF6气体中电弧切断后的冷却非常迅速，绝缘恢复能力优良，是空气的约100倍。
SF6气体对环境的影响
SF6气体的分子量是146，密度大约是空气的5倍。SF6气体在大气存活的寿命是3200年。所以，SF6气体是非常强烈的温室效应气体。它与其它五种温室效应气体对大气环境的影响见下表。
六种气体对大气温室效应的影响
序号 气体分子式 气体名称 GWP
1 CO2 二氧化碳 1
2 CH4 甲烷 21
3 N2O 氧化亚氮 310
4 HFCs 氢氟碳化物 140~11700
5 PFCs 全氟化碳 6500~9200
6 SF6 六氟化硫 23900
注：GWP：全球变暖趋势：单位重量温室气体排放在100年周期内对大气温室效应的影响，取GWP=1
从上表可以看出SF6气体对大气的温室效应是CO2的23900倍。
另外，SF6气体开关设备在开断电流的过程中，会产生电弧，在电弧的高温作用下会使SF6气体分解，同时也会使弧触头产生金属蒸汽，由于灭弧室内水分的存在也会被分解，分解后的物质会产生二次反应而形成HF、S02、SOF2、SOF4、SO2F4等有害物质。这些物质会腐蚀设备内部金属元件，如果这些物质排放到大气对人的身体会造成伤害和刺激。
SF6气体应用与发展
1953年，美国首先将SF6气体应用在115kV负荷开关设备中，1958年，西屋公司仿照压缩空气断路器制造了罐式220kV双压式SF6断路器。这种断路器的原理是通过SF6气体从压缩气罐(1.5MPa)流向低压气室(0.3MPa)而冷却开断电弧。用这种双压式结构同时又开发了瓷柱式SF6断路器。随后欧洲和日本对SF6气体开关设备制造技术的研究取得了极大的进步和发展。SF6断路器的出现，是电力系统高压线路开断方面从油断路器、压缩空气断路器技术开始的一系列技术进步的最新成果。它与油断路器、压缩空气断路器相比优点是单断口电压高，灭弧能力强、开断电流大，断路器重量轻，操作功率小、可靠性高、少维护，避免了油断路器的容易发生的喷火、喷油等不良现象，另外还有灭弧室结构多样化(变开距压气式、定开距压气式、自能式和混合式)等特点。
SF6气体开关设备的不断发展，不同产品的结构类型，如罐式和瓷柱式SF6断路器、GIS、HGIS、复合式等．其中GIS、HGIS和复合式可以有各种各样的产品布置方式，这些特点使电力系统的用户在设计变电站时，可根据不同情况进行选择。1979年以来，我国开始引进或与国外合作开发72.5kV～550kVSF6高压开关设备，经过几十年的发展，SF6电器制造企业逐年增多。目前，国内企业可以制造中压(12kV)、高压(40.5kV～252kV)、超高压(363kV～550kV)和特高压(800kV-1100kV)SF6高压开关设备。
由于SF6气体有绝缘与灭弧的卓越性能，实现了电器装置的经济化、低维护化的操作且节省空间，SF6气体也开始向高压输变电设备中的互感器、输电管道和变压器等领域应用发展。目前，日本是生产SF6变压器最多的国家，三菱、东芝、日立、富士均能生产。
SF6变压器目前可以做到了500kV以及300MVA等级。我国内也有企业生产10kVSF6变压器，有的还与国外公司成立了合资企业，并具备了110kV及以上的SF6变压器制造能力。SF6气体除了在高压输变电设备中的断路器、GIS、负荷开关、互感器、变压器和气体输电管道中被应用以外，还有少部分的SF6气体被应用于运动鞋、潜水用呼吸器、医学领域、隔热隔音玻璃窗、铸造技术中用作保护气体、充气轮胎以及军事等非电器设备领域。
由于世界电力工业的发展，特别是中国近年来电力工业的持续快速发展，为了满足电力需求，不断的增加和改建电网建设，使得高压输变电设备的数量需求出现了前所未有的增长，加大了SF6气体的使用量，同时也增加了SF6气体向大气的排放量。可以看出SF6气体对电力建设的贡献越大，对大气温室效应的贡献也在增加。
SF6气体向大气排放途径
SF6气体向大气排放主要是通过电力输变电设备新产品耐压试验、容量开断试验、出厂试验、设备转移、运输、安装、运行、设备检修等。美国对1998～2002年期间加工生产和安装在高压断路器中的SF6气体的泄漏率进行了调查。其结果是10%的断路器可能存在泄漏。泄漏的原因是：73%发生在气体装置中，21%是由于套管的破旧和损坏，6%是由于气体容器泄露。
减少SF6气体排放措施和SF6电器发展趋势
高压电器产品的发展方向，尤其是SF6高压电器产品，应当是向减少SF6气体向大气排放的方向发展，具体的措施有：
1、提高技术装备的制造工艺水平，减少SF6电器设备的泄漏率。
2、推进SF6电器设备的小型化，缩小SF6电器设备的的体积，以减少SF6气体的使用量。为了大幅度地推进GIS的小型化及无SF6化，三菱机电公司以SF6气体和厚膜介质包覆电极的复合绝缘体系为对象，研究了高气压领域的绝缘特性。通过用厚膜介质包覆起来，可以实现抑制因金属电极的面积效应引起的击穿电场下降；可降低电极上气体空间的最大电场，实现设备的小型化。尽量采用集成化程度高，布置方式又灵活的复合电器或HGIS。
3、开发低气压的SF6开关设备和SF6混合气体的电器设备。
世界各国一直在研究SF6气体的替代物，多年来国外对各种混合气体（如SF6／N2、SF6／CO2、SF6／CF4）中的局放特征与绝缘击穿特征进行了研究，发现对于液化温度特别低、无毒稳定的N2气体，混入20％的SF6气体，在不均匀电场中局部放电开始电压(PDIV)和绝缘击穿电压(BDV)有上升的可能性，并且，还发现在高气体压力下，能得到与100%SF6气体大致相等的绝缘特性。于是SF6／N2被认为是SF6气体的首选替代物。目前，世界第一条N2／SF6混合气体绝缘高压线路在日内瓦建成。
ABB公司开发了LTB 72.5 kV一145kV GCB和HPL72.5—300B1型GCB既可以采用纯净的SF6气体，也可以采用SF6／N2混合气体。当采用SF6／N2混合气体时，在20℃额定气压0.7MPa(绝对)下，可以用于－50℃，而在纯净的SF6气体0.5MPa(绝对)时，只能用于-40℃。东芝公司也对N2／SF6混合气体断路器进行了研究。
虽然N2／SF6混合气体已进入到实用化阶段，但从目前的地球环境角度来看，它并不是理想的替代气体。C02及N2作为天然气体，被视作为今后最有希望替代SF6的气体．但由于它们的绝缘性能不及SF6气体，这些气体的绝缘强度只为SF6气体的1/3。西欧法国EDF公司、ABB、西门子公司对N2进行了研究。研讨中明确必须在2.0MPa以上的高压力下使用，故一直没有能够实用化。与N2进CO2及在开断性能方面占有优势，日本除N2以外，又积极开展有关纯CO2气体在高气体压力领域的绝缘特性的研究。目前有公司开发了72kV、31.5kA级CO2气体断路器样机。
4、在设备制造和设备检修期间采用先进的SF6气体回收装置，通过各种过滤器的回收，以去除SF6气体中的水分、油份、尘埃、分解生成物等成分．实现SF6气体再生利用。
东芝公司已研制出一种名为iGREEN(与环境友好的混合气体的综合再利用)的设备，它能吸收和分离混合气体中的氮气，将高纯度的SF6收入液化罐中，其效率超过99％。德国DILO公司的DILO装置可以通过回收、净化和储存使用过的SF6气体实现再生利用。德国Solvay Fluor GmbHSF6气体制造公司提出了回收方案，利用率达到98.5％。据国家电力信息网2007年6月报道，“截至2007年5月，国家电网公司在电气设备六氟化硫气体现场回收、净化处理再利用研究中取得重要进展，新一代六氟化硫气体回收和处理系统已研制成功，各项功能指标达到设计技术要求，并投入实际应用”。
5、在中压(12kV-40.5kV)领域，采用非SF6电器和真空开关设备，在高压(40.5kV～252kV)领域到特高压(800kV-1100kV)领域，大力发展真空断路器(VCB)，提高技术装备，降低VCB的制造成本，实现真空开关设备在高压领域的大量使甩积极开展真空断路器(VCB)的高电压化的研究工作，达到VCB的高电压化和超高压化。
目前，欧洲和日本都在开展高电压化真空断路器的研发工作，作为单断口真空灭弧室(V1)的额定电压，期望达到110kV～145kV，多断口时能达到245kV～500kV等级。同时，必须满足31.5kV～40kA级的开断容量和4000A～6000A通电能力。
美国GE公司1980年开发了额定电压84kV，额定开断电流40kA单断口真空断路器和168kV、40kA双断口真空断路器。
日本开发出了以高压(0.5MPa)空气为绝缘，完全不使用SF6气体的72kV GIS样机，配备了可以在l0.55MPa的气体压力下进行10000次操作的真空断路器，实现了样机外形与原来高气压SF6气体GIS相同的尺寸。额定参数是：额定电72kV，额定电流1200A，额定开断电流25kA，满足了IEC标准。
从真空断路器的发展势头分析来看，日本预测VCB技术的应用在不久的将来可能成为电力系统保护装置的首选产品。
6、保护大气环境，树立减排意识。
日本是使用SF6气体较多的国家，为了履行《京都议定书》对SF6气体的减排义务，日本电气企业联合会、日本电机工业会为实现该目标采取了积极行动。日本削减SF6气体的措施是，确立了检查时抑制排放、更换SF6气体绝缘设备时抑制排放、再生利用体系，采取了提高SF6气体管理体系行动。
德国的高压开关设备制造业也非常发达．每年使用SF6气体约1000t。为了达到减少SF6气体的排放目标，2005年10月19日，电力运行行业和电力设备制造行业协会及Solvay Fluor GmbH(SF6气体制造)公司与德国环境、自然保护及核反应堆安全联邦部就进一步规定的自行承担义务已达成一致。
7、开展清洁发展机制(CDM)，实现对SF6气体的减排。
CDM是《京都议定书》中第十二条规定的为了减排温室气体而采取的三种机制之一，它是在发达国家和发展中国家间进行开展的项目。发展中国家开展CDM项目可以获取国外发达国家的技术和资金的支持，同时，发达国家可以降低减排温室气体的所需费用，需达到双赢的目的。中国已于2002年8月30日正式核准了《京都议定书》，并确定国家发展和改革委员会作为中国的国家清洁发展机制主管机构，可以有资格开展具体的清洁发展机制项目合作，2004年6月发布了《中国清洁发展机制项目暂行管理办法》，规定了项目申报和许可程序。