福建中能電氣有限公司的研究人員陳晶華，在2019年第1期《電氣技術》雜志上撰文指出，SF6是種良的緣以及滅弧介質，廣泛被應用在柜式氣體緣金屬封閉開關設備中。但其是溫室效應氣體，而且在滅弧時會產生有毒氣體，因此需要開發和使用環保型氣體作為SF6的替代氣體。在中壓開關柜域，采用真空開斷技術和使用環保型氣體緣的技術日趨成熟。

本文分別對N2、CO2、干燥空氣等替代氣體進行對比分析，結果表明N2和干燥空氣可以作為緣介質應用在12kV中壓域的環保型充氣柜中。同時，本文還對環保型充氣柜的隔離斷口距離和對地距離的進行設計確定，并確定如何提高氣隙中的擊穿電壓。

柜式氣體緣金屬封閉開關設備（C-GIS）般被稱為充氣柜，其將真空斷路器、高低壓進出母線、三工位開關等高壓元件封閉在充有相對壓力為0～0.1MPa氣體的金屬殼體內。充氣柜有以下點： ①利用氣體緣，大地縮小了開關柜的體積和占地面積；②高壓元件被封閉在充滿緣氣體的氣箱內，不受外界環境影響。

充氣柜中的緣介質通常采用六氟化硫（SF6）氣體。SF6的點是耐電強度高、滅弧能力強、無害及化學性質穩定，是種良的緣及滅弧介質。SF6的缺點是溫室效應嚴重，全球變暖潛能值是23900，而且SF6的化學性質穩定，可在大氣中存在3200年以上，排放到大氣中基本不會自然分解。

但在過去數十年中，全進行了大量的探索和研究，還沒有發現或發明種氣體能在緣強度、滅弧性能及化學穩定性等方面完全替代SF6。但在12～40.5kV的中壓域，由于可以采用真空開斷，所以僅需找到種能在耐電強度，化學穩定性等方面能替代SF6的緣氣體即可。

本文通過中壓環保型氣體緣開關設備的設計，對緣氣體的特性進行對比，提出制作干燥空氣的方法，提出提高氣體氣隙中擊穿電壓的方法，設計了12kV干燥空氣緣環網柜。

1 緣氣體的選擇

不考慮開斷性能的話，N2、CO2和干燥空氣可作為SF6替代氣體。通過查找有關資料，CO2緣性能低，且是溫室氣體。N2和干燥空氣的緣性能都約為SF6的1/3。

表1對SF6、N2及干燥空氣的特性進行對比。N2及干燥空氣為非溫室效應氣體，沸點低，正常使用時不用考慮其液化問題，可在高寒地區使用。干燥空氣的導熱性能較好，N2的比熱較高。

N2是空氣的主要成份，化學性質穩定?？諝庵蠳2含量過高，會引起缺氧窒息。因此在采用N2緣時，應使用通風及防護設備。采用干燥空氣緣則不必使用通風及防護設備。

研究表明，與SF6和N2相比，干燥空氣的耐壓對金屬微粒相對不敏感，故在生產過程或使用過程中產生的金屬微粒對于干燥空氣緣的開關設備危害較小。

綜上所述，干燥空氣作為緣介質，具有以下點：①綠色環保；②導熱性好；③設備生產及維護過程中可以不使用通風及防護設備；④在生產過程或使用過程中，產生的金屬微粒對于干燥空氣緣的開關設備危害較小。

2 干燥空氣的制作

緣用干燥空氣需符合ISO 8573-1或GB/T 13277.1《般用壓縮空氣 第部分：污染物和質量等級》中規定的質量等級2級標準?？赏ㄟ^干燥空氣發生裝置，過濾掉大氣中的雜質及水分，得到符合標準規定的干燥空氣。

也可通過人工合成干燥空氣，采用工業用高純N2和工業用高純O2來合成干燥空氣。人工合成的干燥空氣中含78%N2、21%O2及1%He，1%He為示蹤氣體，根據道爾頓分壓定律可知，均勻混合的干燥空氣，只要控制組分氣體的分壓力就可實現。

需要充灌78%N2+21%O2+1%He，充灌后混合氣體壓力為0.3MPa。計算如下：

1）負壓+正壓=0.1MPa+0.3MPa=0.4MPa。

2）N2應充氣0.4MPa×78%=0.312MPa，減去負壓的0.1MPa，等于0.212MPa，也就是說，將N2充到0.212MP即可。

3）O2應充氣0.4MPa×21%=0.084MPa，加上N2的0.212MPa等于0.296MPa。也就是說，將O2充到0.296MP即可。

4）He繼續充灌到0.3MPa，完成充灌。

可見，干燥空氣制備方便，經濟性好。

3 干燥空氣下對地距離及隔離斷口距離

單純以空氣作為緣介質的金屬封閉開關設備，當額定電壓為12kV時，相間和相對地的小空氣間隙為125mm。若能夠通過凝露試驗，則小空氣間隙可適當小于上述規定的距離。因此，在用干燥空氣緣的開關設備中可適當減少小空氣間隙。

提高氣體氣隙中擊穿電壓有兩種方法：①改善氣隙中的電場分布，均勻電場；②設法削弱和抑制干燥空氣中的電離過程。

改善電場分布的方法有3種：①改善電形狀；②利用空間電荷；③不均勻電場中增加屏障。

電間電場不均勻系數越低，氣隙的大電場強度也就越小。因此，可以通過改善電形狀的方法來減小氣隙中的大電場強度，以改善電場分布，提高氣隙的擊穿電壓，如圖1所示，出線母線選用圓形母線，相對同等截面的銅排，電場不均勻系數更低，從而減小大電場強度。

如圖2所示，動觸頭采用R角銅排，邊緣導圓角，消除表面尖角。開關上的鈑金件，均需消除表面毛刺及表面尖角。

氣箱內表面焊渣和帶電體表面尖角均會導致電場集中，故均需清除。在不均勻電場中，放入緣板，在定條件下可以顯著提高間隙的擊穿電壓。緣板能攔住與電暈電同號的空間電荷，這樣就能使電暈電與緣板之間的空間電場減小，使得氣隙電場分布均勻。如圖3所示，本充氣柜在相間及相對地間的氣隙間加入緣板，可顯著的縮小相間及相對地的緣距離，從而縮小氣箱深度。

削弱和抑制干燥空氣中的電離過程的方法有3種：①高氣壓的采用；②高真空的采用；③高電氣強度氣體的采用。高氣壓及高真空對氣箱強度要求高，且容易發生泄漏。常用的、能工業化應用的高強度氣體就是SF6，其他替代氣體（PFC氣體、CF3I氣體）仍未工業化。

綜上所述，在本充氣柜的設計中，提高氣體氣隙中擊穿電壓主要采用的方法為改進電形狀、不均勻電場中增加屏障。

另外，需控制氣箱內干燥空氣的微水含量，水分過高，容易發生凝露，導致局部電場集中，緣件表面發生沿面閃絡，故氣箱內緣件需烘干，消除水分對沿面緣的影響。

通過上述措施，經過反復緣實驗，在零表壓下，得到的小空氣間隙為：圓形母線相間、相對地80mm；隔離斷口105mm，可以保證相間及相對地的工頻耐壓可以達到42kV/min，雷電沖擊可以達到75kV。隔離斷口工頻耐壓可以達到48kV/min，雷電沖擊可以達到85kV。

結論

本文介紹了中壓環保型氣體緣開關設備的設計及相關問題，總結如下：

1）通過對N2、CO2，干燥空氣等替代氣體進行對比分析，得出結論，即干燥空氣具有較好的緣性能和導熱性能，設備生產及維護過程中可以不使用通風及防護設備，是理想的環保型氣體緣介質。

2）本文介紹了干燥空氣的制作方法，可通過干燥空氣發生裝置或用工業用N2和O2按比例合成。

3）在10kV環保型充氣柜設計中，在微正壓（相對壓力0.01MPa）干燥空氣下，提高氣體氣隙中擊穿電壓的兩種方法是，改進電形狀和不均勻電場中增加屏障。