據(jù)預(yù)測2030年，電力需求約達到11萬億千瓦時，在當(dāng)前水平基礎(chǔ)上增長54%，年均增長約4%；而全球電力生產(chǎn)的碳排放約占全部排放的42%，在中國這一比例達到51%；清潔能源發(fā)電勢在必行。要實現(xiàn)2030年前碳達峰目標(biāo)，中國仍須新增大約650GW光伏、600GW陸上風(fēng)電、60GW海上風(fēng)電、113GW水電和66GW核電裝機；風(fēng)電和光伏裝機預(yù)測都將以每年50~60GW速度增長，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、氮氣等環(huán)保氣體的2.3倍，因此如何實現(xiàn)開關(guān)柜即緊湊又環(huán)保是一個挑戰(zhàn)。環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)柜主要技術(shù)參數(shù)，見表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。簡單來說，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, 相間距也將達到275mm，開關(guān)柜的寬度將超過1000mm，與空氣絕緣的通用型開關(guān)柜1200mm的柜寬相比較沒有優(yōu)勢；即使內(nèi)部都采用均勻電場設(shè)計，全部采用圓滑外表面，以保證在小的電氣間隙下，在絕緣耐受強度減弱的情況下依然滿足絕緣要求，這種設(shè)計機加工成本高，經(jīng)濟性差，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地距離，增加開關(guān)柜外形尺寸。

b）采用高絕緣強度的混合氣體，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，絕緣強度達到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，電子平均自由行程越小，在場強作用下，在相繼兩次碰撞間累計的動能就小，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氣體相對壓力0.03MPa升至干燥空氣0.17MPa，可滿足絕緣要求。來自美國和歐洲的研究表明，干燥空氣將成為中壓的主要絕緣介質(zhì)，但絕對壓力需要增加到0.28MPa，而客戶需要微正壓運行，提高安全性并延長正常運行時間，更低的泄漏或故障風(fēng)險，意味著開關(guān)柜在整個生命周期內(nèi)都具備高效的性能。微正壓設(shè)計，萬一發(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 和干燥空氣絕緣強度較低的問題，國內(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)的耐電強度可達20kV/mm，在電場強度集中的位置引入固體絕緣材料來達到降低氣體中最大電場強度的目的，這是減少氮氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜相間及對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^緣材料對高電場區(qū)域的電極表面進行包覆能有效提高其耐電強度，有利于電力設(shè)備的小型化設(shè)計，如采用粉末涂料對銅件涂敷，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，耐電強度、耐熱很優(yōu)秀。理論上，它的電場擊穿強度大于52kV/mm，許用電場強度為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)擊穿場強與母線涂層厚度的關(guān)系見圖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的利用因數(shù) η 的函數(shù)。所謂利用因數(shù) η為平均電場(U/d) 與最大電場 Emax之比 (η ＝ U/(Emax*d))。對于利用因數(shù)大于 0.5尤其是大于 0.6 時，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)，實現(xiàn)均勻電場。

圖4   母線絕緣涂層電場分布

5. 結(jié)語

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)酷的運行環(huán)境要求，并通過相關(guān)的試驗。同時，隨著海上風(fēng)電的快速增長，單機容量的快速增長，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。