據(jù)預(yù)測(cè)2030年，電力需求約達(dá)到11萬(wàn)億千瓦時(shí)，在當(dāng)前水平基礎(chǔ)上增長(zhǎng)54%，年均增長(zhǎng)約4%；而全球電力生產(chǎn)的碳排放約占全部排放的42%，在中國(guó)這一比例達(dá)到51%；清潔能源發(fā)電勢(shì)在必行。要實(shí)現(xiàn)2030年前碳達(dá)峰目標(biāo)，中國(guó)仍須新增大約650GW光伏、600GW陸上風(fēng)電、60GW海上風(fēng)電、113GW水電和66GW核電裝機(jī)；風(fēng)電和光伏裝機(jī)預(yù)測(cè)都將以每年50~60GW速度增長(zhǎng)，其中海上風(fēng)電是增速最快的領(lǐng)域。

4. 海上風(fēng)電開關(guān)設(shè)備的發(fā)展方向

（3）環(huán)保型產(chǎn)品

全球變暖趨勢(shì)明顯，加大風(fēng)能發(fā)電就是要減少化石原料發(fā)電，因此變壓器、開關(guān)柜也都需要環(huán)保，變壓器采用干式變壓器，或者環(huán)保油變壓器，提升效率，對(duì)于開關(guān)柜，不使用SF6氣體絕緣也是必須的。排放1噸SF₆相當(dāng)于排放23500噸CO₂。C-GIS開關(guān)柜的數(shù)量多用氣量大，采用環(huán)保氣體減排效果明顯。SF6氣體的絕緣能力約是干燥空氣、氮?dú)獾拳h(huán)保氣體的2.3倍，因此如何實(shí)現(xiàn)開關(guān)柜即緊湊又環(huán)保是一個(gè)挑戰(zhàn)。環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)柜主要技術(shù)參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2  環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)柜主要技術(shù)參數(shù)

環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)柜可采取的主要解決方案如下：

a）增加相間/對(duì)地電氣間隙，增加開關(guān)柜寬度、深度等總體尺寸，SF₆開關(guān)柜600mm寬時(shí)相間距一般為170mm，1250A三工位開關(guān)主回路導(dǎo)體的最外邊緣尺寸大約90mm，相間氣體凈距約為80mm。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，采用空氣作絕緣介質(zhì)意味著相間電氣間隙由SF₆的80mm增加到184mm, 相間距也將達(dá)到275mm，開關(guān)柜的寬度將超過(guò)1000mm，與空氣絕緣的通用型開關(guān)柜1200mm的柜寬相比較沒(méi)有優(yōu)勢(shì)；即使內(nèi)部都采用均勻電場(chǎng)設(shè)計(jì)，全部采用圓滑外表面，以保證在小的電氣間隙下，在絕緣耐受強(qiáng)度減弱的情況下依然滿足絕緣要求，這種設(shè)計(jì)機(jī)加工成本高，經(jīng)濟(jì)性差，而且不能保證和SF₆充氣柜相同的尺寸，也需要放大相間及對(duì)地距離，增加開關(guān)柜外形尺寸。

b）采用高絕緣強(qiáng)度的混合氣體，如3M公司開發(fā)的C4、C5、C6等與CO₂的混合氣體。C4和CO₂的混合氣體g³，為10%的C4和90%的CO₂混合氣體，絕緣強(qiáng)度達(dá)到SF₆的88%，基本上不用更改開關(guān)柜外形尺寸，即可滿足絕緣要求。但C4仍然是溫室效應(yīng)氣體，10%的C4和90%的CO₂混合氣體的GWP系數(shù)是792，還是不能滿足環(huán)保要求。Airplus 氣體是C5和CO₂的混合氣體，GWP系數(shù)是0.5，可真正實(shí)現(xiàn)環(huán)保充氣柜，但氣體成本較高。

c）增加充氣壓力，不論是湯遜理論還是流注理論，都是以碰撞電離引起的電子崩作為基礎(chǔ)的，因此，平均自由行程是氣體放電中的一個(gè)重要參數(shù)，氣體中的電子平均自由行程與單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)N成反比例關(guān)系，當(dāng)單位體積內(nèi)的氣體分子數(shù)越多時(shí)，電子平均自由行程越小，在場(chǎng)強(qiáng)作用下，在相繼兩次碰撞間累計(jì)的動(dòng)能就小，與氣體分子發(fā)生碰撞產(chǎn)生電離更加困難，電離過(guò)程減弱。因此采用增加氣體壓力的方法能較大地提高氣體的絕緣能力。充氣壓力由SF₆氣體相對(duì)壓力0.03MPa升至干燥空氣0.17MPa，可滿足絕緣要求。來(lái)自美國(guó)和歐洲的研究表明，干燥空氣將成為中壓的主要絕緣介質(zhì)，但絕對(duì)壓力需要增加到0.28MPa，而客戶需要微正壓運(yùn)行，提高安全性并延長(zhǎng)正常運(yùn)行時(shí)間，更低的泄漏或故障風(fēng)險(xiǎn)，意味著開關(guān)柜在整個(gè)生命周期內(nèi)都具備高效的性能。微正壓設(shè)計(jì)，萬(wàn)一發(fā)生泄漏的情況下，可以一直使用到維修為止，而壓力大，一旦壓力降低，絕緣性能顯著降低，安全隱患大。

d）采用固體絕緣等復(fù)合絕緣作為輔助絕緣，為解決N₂ 和干燥空氣絕緣強(qiáng)度較低的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)很多公司采用在環(huán)保氣體絕緣基礎(chǔ)上應(yīng)用固體絕緣技術(shù)來(lái)提升絕緣特性。固體絕緣材料(如環(huán)氧樹脂、硅橡膠)的耐電強(qiáng)度可達(dá)20kV/mm，在電場(chǎng)強(qiáng)度集中的位置引入固體絕緣材料來(lái)達(dá)到降低氣體中最大電場(chǎng)強(qiáng)度的目的，這是減少氮?dú)饨^緣環(huán)網(wǎng)柜相間及對(duì)地距離提高絕緣性能的重要措施。但不是盲目的使用環(huán)氧樹脂絕緣澆注作為解決方案，環(huán)氧樹脂澆注需要絕緣層厚度大，增加成本，增大局部放電的概率等。采取恰當(dāng)?shù)慕^緣材料對(duì)高電場(chǎng)區(qū)域的電極表面進(jìn)行包覆能有效提高其耐電強(qiáng)度，有利于電力設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)，如采用粉末涂料對(duì)銅件涂敷，粉末涂料是用單一的合成樹脂或者在樹脂中加入固化劑、改性劑、顏料和填料，經(jīng)熱熔混合后冷卻，將固體塊粉碎成粉末過(guò)篩而成的熱固性涂料。粉末涂料可以用熱噴涂、熱浸涂、靜電噴涂、靜電流化床噴涂或其他一些工藝涂敷于金屬表面起著絕緣、防腐等作用。粉末涂敷可以用于形狀復(fù)雜銅零件，耐電強(qiáng)度、耐熱很優(yōu)秀。理論上，它的電場(chǎng)擊穿強(qiáng)度大于52kV/mm，許用電場(chǎng)強(qiáng)度為30～35kV/mm。銅母排的外表面涂敷的粉末涂層，它的厚度大于等于２mm。試驗(yàn)表明將兩根2mm厚粉末涂敷的銅母排十字交叉，相互之間的凈空氣距離為30mm，將其中一根接地，另外一根加高壓，可以耐受工頻電壓50kV/1min。通用電氣環(huán)保氣體開關(guān)設(shè)備某專利的介紹中，有關(guān)擊穿場(chǎng)強(qiáng)與母線涂層厚度的關(guān)系見(jiàn)圖4。密封型中壓或高壓設(shè)備，在密封外殼中設(shè)置有覆蓋變厚度固體介電層的電氣部件和氣體介質(zhì)，氣體介質(zhì)用于提供電絕緣和 / 或用于消除所述外殼中可能出現(xiàn)的電弧，氣體介質(zhì)包括與稀釋氣體混合的七氟異丁腈。在該專利的描述中，固體介電層厚度是電場(chǎng)的利用因數(shù) η 的函數(shù)。所謂利用因數(shù) η為平均電場(chǎng)(U/d) 與最大電場(chǎng) Emax之比 (η ＝ U/(Emax*d))。對(duì)于利用因數(shù)大于 0.5尤其是大于 0.6 時(shí)，所述固體介電層厚度小于 1mm，甚至小于 500μm，或甚至為介于 60μm 至100μm 范圍內(nèi)的薄層。被選擇用以制作所述薄的固體介電層材料的相對(duì)介電常數(shù)介于 2～4 ，甚至介于 2.5～3.5 之間。所述材料選自聚四氟乙烯、聚酰亞胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、乙烯 - 單氯三氟乙烯、帕利靈 NTM、NuflonTM、HALARTM和HALAR CTM。使用這些薄涂層，即可以滿足絕緣要求，又可以使利用因數(shù)最優(yōu)，實(shí)現(xiàn)均勻電場(chǎng)。

圖4   母線絕緣涂層電場(chǎng)分布

5. 結(jié)語(yǔ)

海上風(fēng)電資源豐富，海上風(fēng)電開關(guān)設(shè)備作為電能采集、傳輸、升壓、并網(wǎng)的重要設(shè)備，需要高可靠性產(chǎn)品，產(chǎn)品需要滿足嚴(yán)酷的運(yùn)行環(huán)境要求，并通過(guò)相關(guān)的試驗(yàn)。同時(shí)，隨著海上風(fēng)電的快速增長(zhǎng)，單機(jī)容量的快速增長(zhǎng)，更高系統(tǒng)電壓、安裝位置更靠近電源、智能環(huán)保型產(chǎn)品是發(fā)展方向，需要開關(guān)行業(yè)同仁在配套開關(guān)設(shè)備的研發(fā)上共同努力，設(shè)計(jì)出真正滿足海上風(fēng)電應(yīng)用的開關(guān)設(shè)備，如小型化、高可靠的72.5kV的機(jī)艙內(nèi)安裝的綠色環(huán)保集線開關(guān)設(shè)備和應(yīng)用于海上升壓站用的環(huán)保型開關(guān)設(shè)備。