1.2 環境友好型電器

在以往開關電力設備的發展過程中，關心的核心問題是設備的保護與控制能力問題，在此基礎上也一定程度上考慮設備對周邊環境的影響。例如空氣斷路器發展中的噪聲問題，油斷路器發展中的易燃、易爆問題，真空斷路器操作過電壓問題等。隨著綠色可持續發展理念的不斷深入人心，在電力裝備研究發展中越來越多地關注產品全生命周期的環境友好問題，這些對電力設備制造提出了更高的要求。在制造原材料的選擇上，除了必須滿足電、熱、機械等性能要求，還必須將材料在全生命周期中的回收利用問題加以考慮，在裝備的運行過程中不應造成各種環境危害。城市變電站的設計要求與環境融為一體，且美觀、隱蔽。隨著全球對碳排放和溫室效應的關注程度提高，電力設備中的SF₆氣體替代問題成為越來越緊迫的任務。

從電力設備的電氣絕緣和電弧熄滅角度看，SF₆氣體仍是人們迄今為止發現和制造出的最優良的電工材料之一。由于SF₆氣體的應用，開關設備的開斷性能大為提高，結構體積大幅度減小。目前在高電壓領域以SF₆氣體作為絕緣介質的電力設備占據絕對的主導地位，例如GIS和氣體絕緣開關柜等。應當毫不夸張地說，SF₆氣體的發明和利用給電力設備的發展帶來了革命性的變革。任何事物都具有兩面性，SF₆氣體也有低溫環境下易液化的弱點，它的電弧分解產物具有劇毒性。但是SF₆氣體最致命的問題在于它的強溫室效應，這個問題在當今全球變暖成為可持續發展的最大威脅情況下，越來越成為關注的焦點。SF₆是一種溫室效應極強的氣體，它的溫室效應系數為23900（即每千克SF₆的溫室效應相當于23900kg二氧化碳）。更為嚴重的是，SF₆氣體是一種極為穩定的氣體，在自然環境中它的壽命長達3200年，也就是說如果將SF₆氣體排入大氣，要經過3200年才能夠自然分解一半。由于SF₆氣體的這種特殊性，它在大氣中的存在和危害是累積性的和長遠的，必須加以嚴格限制使用。國際公約已經做出限制使用SF₆的規定，一些發達國家還出臺了一系列嚴格的管控法規，盡量減少SF₆使用中的泄漏，并對廢棄的SF₆進行回收。還有國家對SF₆征收高額的碳排放稅。

關于尋求替代SF₆氣體技術的努力近30年來一直沒有停止過，最理想的結果是人們可以發現與SF₆的電氣性能同樣優越而無環境問題的氣體，這樣現行的所有使用SF₆氣體的電力設備只需更換新型氣體就可以徹底解決問題。十分遺憾的是，雖然開展了大量的研究工作，但是至今為止也一直找不到這樣的替代氣體。由于SF₆氣體的用途主要是絕緣和滅弧兩大功能，所以分別從這兩方面入手研究。目前在單純絕緣氣體方面取得了一些進展，有多種新型絕緣氣體被報道，但十分遺憾的是這些氣體仍然存在許多缺陷，例如低溫液化問題、價格問題等，而且它們并非完全意義上的環境友好氣體，而是也有一定的溫室效應。本書第9章集中對這方面的研究進展進行了介紹。

在熄弧開斷方面，真空開斷技術是十分有希望的SF₆替代技術。真空斷路器的技術特點是環境友好、耐高寒，并且具有長電壽命和可免維護的優點，在中壓領域（40.5kV及以下）已經完全替代了SF₆技術，占據了斷路器市場的主要份額（>95%）。但由于真空開斷技術的自身特點，進一步提高單個滅弧室的開斷電壓、開斷電流和額定工作電流的困難很大。近年以來通過不斷努力，126kV單斷口真空斷路器已經研制成功，252kV單斷口真空斷路器的研究工作在加緊進行中。通過多斷口串聯技術實現363～550kV等更高電壓等級的真空斷路器技術也在加速推進過程中。本書第4章對這些研究進展進行了介紹。

環境友好型電器的發展還涉及其他各種電工材料，例如對環境無危害、易于降解的環氧樹脂和絕緣漆等。在環境友好型開關設備的設計中，更加注重全生命周期的運行和管理，同時注重設備退出服役后的材料回收和循環利用等。

另外，低溫超導技術應用于電力開關設備在環境友好方面也有很大的發展空間。通常超導材料需放置于低溫環境中，液氮是第二代高溫超導帶材的主要低溫冷卻媒質。液氮自身對環境沒有破壞作用，屬于環境友好型材料，價格極其低廉，同時液氮還具有極佳的絕緣性能，其絕緣耐壓水平和SF₆是相當的，也具有一定的熄滅電弧的能力。因此，如果和超導限流技術結合應用，液氮具有充當環境友好型絕緣材料的巨大潛力。