在高压电网中占据主导地位的六氟化硫气体绝缘电力开关设备，正在被更安全、洁净的环保型开关设备所取代。如何突破六氟化硫替代技术，正成为全行业攻克的难题。

　　“六氟化硫在电力系统中80%用于开关设备。电网企业对六氟化硫气体的回收和排放提出了更严格的要求，慢慢的变多的电网企业愿意采购无六氟化硫的产品。”在5月23日举办的国际高压开关设备新型环保绝缘与灭弧技术论坛上，国际真空放电级绝缘会议国际科技委员会主席、四川大学教授贾申利表示。

　　六氟化硫(SF₆)是一种很严重的温室效应气体。与二氧化碳相比，它的全球增温潜势(GWP:GlobalWarmingPotential)为25200，虽然排放量不大，但自然寿命很长，约为1000到3200年，对环境影响很大。因此，《京都议定书》明令要求逐步减少使用并最终禁用这种气体。

　　凭借卓越的绝缘性能和灭弧性能，六氟化硫一直被大范围的应用于电力设备领域。六氟化硫气体灭弧绝缘电力开关设备，在高压电网中占据主导地位。

　　数据显示，截止2020年，国家电网公司10-1000kV电网用配电开关设备和变电开关设备的六氟化硫气体使用量，共计约31786吨。

　　由于高电压等级开关设备在制作的完整过程中需要用六氟化硫气体，而六氟化硫气体是一种限制排放的严重温室气体，研究和开发环保型开关设备，研究六氟化硫替代技术，成为目前行业的当务之急。

　　“发展环境友好型的六氟化硫替代技术，成为双碳战略下的重大需求。”贾申利表示。

　　资料显示，推进电力开关设备中减少或替代六氟化硫的技术，已被中国政府纳入非二氧化碳类温室气体减排的重要措施中。在国际上，各国政府也在限制六氟化硫的使用。例如，美国加州空气资源委员会已颁布了逐步禁止使用六氟化硫的法规;欧盟含氟气体法规最新修订中提到：“在有替代品的情况下，将禁止在产品和设备中使用含氟气体”。

　　中国西电集团首席科学家、中国电器工业协会高压开关分会理事长元复兴表示，“随着全球能源结构的转型和新能源的普及，高压开关设备作为新能源接入电力系统的关键设备，其市场需求呈现增长态势。高压开关正处于从成长期向成熟期的过渡，意味着行业将面临新一轮技术更新和产业升级。”

　　数据显示：2021年高压开关行业总产值同比增长4.71%，2022年同比增长17.64%，2023年同比增长4.5%。“十三五“期间，高压开关行业总产值预计会增长17.25%，年均增长3.45%。

　　另据《高压开关行业年鉴》不完全统计，2023年工业总产值2900亿元，比2022年增长4.5%;主营收入2870亿元，比2022年增加5%;高压总利润120亿元，同比增加6%;资产4500亿元，同比增加6.5%。

　　“低碳、环保、绿色产品研制力度加大，所有行业主导企业、骨干力量均投入大量人力物力，争取在新型电力系统设备转型中切一块蛋糕。”元复兴分析，“在新能源领域，环保开关设备、GIS、C-GIS发展势头强劲。充入高压力值的环保(天然)气体作为绝缘介质的中高压产品，未来会有一定市场。”

　　对此，中国电科院教授级高工王承玉表示，六氟化硫替代技术的研究大致上可以分为以下四个方向：

　　第一，使用六氟化硫混合气体。在六氟化硫混合气体研究中，六氟化硫/氮气研究成果最丰富，但六氟化硫/氮气不适于作大容量断路器的熄弧介质。该方法也无法完全解决六氟化硫气体应用带来的环境问题。

　　第二，使用真空介质。线kV领域开断技术已非常成熟，但受制于工艺和技术影响，在252kV及以上高压领域暂未得到普遍应用，其在高电压等级对非线性负载的开断性能尚需实际运行的验证。

　　第三，使用天然气体。天然气体如干燥空气、氮气、二氧化碳等在自然界已经存在，对环境无任何污染，容易制备，价格低，是目前中压开关设备绝缘介质的理想选择。

　　第四，使用合成环保气体。在新型合成环保气体方面，目前研究最多的是全氟异丁腈(简称C4)、全氟甲基异丙基酮(简称C5)，它们的介电强度与六氟化硫相当，环保特性优于六氟化硫。但灭弧性能不佳，开断电弧过程中容易降解，含量发生明显的变化，对长期开断性能有影响，存在容易液化的问题。所以要与其它常规气体混合使用。

　　记者获悉，不少企业率先在环保型气体绝缘开关设备(GIS)中发力布局。其中，西门子能源推出了8VM172.5kVGIS、8VN1145kVGIS、3AV1罐式断路器，在研252kVGIS、420kVGIS等Blue系列新产品;西高院研发了基于洁净空气绝缘线kV单断口真空开断型环保GIS;西开、平高等业内骨干企业也相继推出了环保型新产品。

　　这些产品采用真空灭弧室作为主要开断单元、高压力洁净空气作为绝缘介质的环保技术路线，提高了电压等级，实现了远距离大容量输电，同时避免了六氟化硫气体的大量使用。

　　据王承玉介绍，对于中压开关设备，真空灭弧与干燥空气技术已非常成熟，相关这类的产品包括天然气气体绝缘开关柜、环网柜以及柱上断路器，在企业已有大量运行经验，应用前景广阔。对于高压开关设备，真空灭弧与干燥空气技术、C4+二氧化碳+氧气和二氧化碳+氧气混合气体技术并存。72.5kV-126kV产品，已经商业化产品投入运行。252kV及以上电压等级开关设备，国内外均在加紧研制中。从2023年下半年起，国家电网公司已不再采购含六氟化硫气体的配电开关设备。

　　在高压开关设备中，国电公司已立项研究确定以30%的六氟化硫/70%氮气，作为混合气体，对现有126-550kV的GIS产品做改进，已完成除断路器单元外的其余所有单元的混合气体改进，六氟化硫气体的使用量减少50%以上。国网公司对此进行了10个站的GIS改造，已安全稳定运行5年以上。

　　“在高压开关设备领域，当前六氟化硫混合气体对现有GIS产品的改造和应用最成熟，稳妥。”王承玉说。

　　根据规划，到2028年，国网GIS设备改造量将达到1万间隔(等同于2028年预估新增间隔量)，实现六氟化硫气体使用总量“零增长”。

　　替代六氟化硫，西门子能源股份公司电网科技集团选择利用洁净空气，即采用真空灭弧技术结合空气绝缘技术，以彻底消除温室气体排放。

　　据西门子能源股份公司资深技术专家Dr.StephanWethekam介绍，清洁空气绝缘和真空开断技术是成熟的、经得住考验的技术，不可能会受到修订的欧盟含氟气体法规的任何限制，也不会受到PFAS限制的影响。

　　其中，洁净空气(氮气+氧气)绝缘，可实现零二氧化碳排放，零毒性，最简单的气体处理。真空开断则能做到分解产物无毒，密封紧密，并实现零维护。

　　“无氟气体替代技术和产品已上市。全世界内无氟气体产品已广泛可靠应用，最高可达420kV。绝大多数依赖于源自于自然的气体，可确保电网安全。”Dr.StephanWethekam表示。

　　资料显示，由西门子能源研发的Blue环保型GIS产品，当前全球已有超过4200台BlueCB和GIS订购量，超过2300台已成功送电投运，相当于减少二氧化碳排放量500万吨。

　　“我们从2020年开始尝试将无氟气体的BlueGIS设备引入中国市场。2020年与上海电气集团合作，在汕头提供了中国首个72.5kV的BlueGIS设备。此后几年，我们在国家电网、南方电网和海上风电项目中获得了200多个间隔的订单，目前超过100台已投入运行。例如，为国内首座110kV零碳变电站-无锡清舒站提供了145kVBlueGIS设备，为国家电投全球批量应用单机容量最大的海上风电项目提供了66kVBlueGIS设备。此外，为国网河南省电力公司提供的国内首台145kV环保型柱式断路器已稳定运行超过3年。”西门子能源有限公司电网科技集团总经理王肩雷表示。

　　“高压开关产品不像农作物，无法迅速种植。推广新产品也需要一个积累的过程，不能一蹴而就。”贾申利提醒。

　　“我认为现阶段制造企业面临的主体问题不是市场需求，而是产能问题。要增加产能，尤其是针对高压环保型开关产品的产能。未来，如果国家出台有关政策支持，市场将会出现快速爆发的增长趋势。”贾申利预测，“建议国家相关部门，尤其是生态环保部，尽快制定减少甚至禁用某些物质的时间表。立法方面的迫切性，已经很明显了。”（作者：余娜）