1.2 环境友好型电器

在以往开关电力设备的发展过程中，关心的核心问题是设备的保护与控制能力问题，在此基础上也一定程度上考虑设备对周边环境的影响。例如空气断路器发展中的噪声问题，油断路器发展中的易燃、易爆问题，真空断路器操作过电压问题等。随着绿色可持续发展理念的不断深入人心，在电力装备研究发展中越来越多地关注产品全生命周期的环境友好问题，这些对电力设备制造提出了更高的要求。在制造原材料的选择上，除了必须满足电、热、机械等性能要求，还必须将材料在全生命周期中的回收利用问题加以考虑，在装备的运行过程中不应造成各种环境危害。城市变电站的设计要求与环境融为一体，且美观、隐蔽。随着全球对碳排放和温室效应的关注程度提高，电力设备中的SF₆气体替代问题成为越来越紧迫的任务。

从电力设备的电气绝缘和电弧熄灭角度看，SF₆气体仍是人们迄今为止发现和制造出的最优良的电工材料之一。由于SF₆气体的应用，开关设备的开断性能大为提高，结构体积大幅度减小。目前在高电压领域以SF₆气体作为绝缘介质的电力设备占据绝对的主导地位，例如GIS和气体绝缘开关柜等。应当毫不夸张地说，SF₆气体的发明和利用给电力设备的发展带来了革命性的变革。任何事物都具有两面性，SF₆气体也有低温环境下易液化的弱点，它的电弧分解产物具有剧毒性。但是SF₆气体最致命的问题在于它的强温室效应，这个问题在当今全球变暖成为可持续发展的最大威胁情况下，越来越成为关注的焦点。SF₆是一种温室效应极强的气体，它的温室效应系数为23900（即每千克SF₆的温室效应相当于23900kg二氧化碳）。更为严重的是，SF₆气体是一种极为稳定的气体，在自然环境中它的寿命长达3200年，也就是说如果将SF₆气体排入大气，要经过3200年才能够自然分解一半。由于SF₆气体的这种特殊性，它在大气中的存在和危害是累积性的和长远的，必须加以严格限制使用。国际公约已经做出限制使用SF₆的规定，一些发达国家还出台了一系列严格的管控法规，尽量减少SF₆使用中的泄漏，并对废弃的SF₆进行回收。还有国家对SF₆征收高额的碳排放税。

关于寻求替代SF₆气体技术的努力近30年来一直没有停止过，最理想的结果是人们可以发现与SF₆的电气性能同样优越而无环境问题的气体，这样现行的所有使用SF₆气体的电力设备只需更换新型气体就可以彻底解决问题。十分遗憾的是，虽然开展了大量的研究工作，但是至今为止也一直找不到这样的替代气体。由于SF₆气体的用途主要是绝缘和灭弧两大功能，所以分别从这两方面入手研究。目前在单纯绝缘气体方面取得了一些进展，有多种新型绝缘气体被报道，但十分遗憾的是这些气体仍然存在许多缺陷，例如低温液化问题、价格问题等，而且它们并非完全意义上的环境友好气体，而是也有一定的温室效应。本书第9章集中对这方面的研究进展进行了介绍。

在熄弧开断方面，真空开断技术是十分有希望的SF₆替代技术。真空断路器的技术特点是环境友好、耐高寒，并且具有长电寿命和可免维护的优点，在中压领域（40.5kV及以下）已经完全替代了SF₆技术，占据了断路器市场的主要份额（>95%）。但由于真空开断技术的自身特点，进一步提高单个灭弧室的开断电压、开断电流和额定工作电流的困难很大。近年以来通过不断努力，126kV单断口真空断路器已经研制成功，252kV单断口真空断路器的研究工作在加紧进行中。通过多断口串联技术实现363～550kV等更高电压等级的真空断路器技术也在加速推进过程中。本书第4章对这些研究进展进行了介绍。

环境友好型电器的发展还涉及其他各种电工材料，例如对环境无危害、易于降解的环氧树脂和绝缘漆等。在环境友好型开关设备的设计中，更加注重全生命周期的运行和管理，同时注重设备退出服役后的材料回收和循环利用等。

另外，低温超导技术应用于电力开关设备在环境友好方面也有很大的发展空间。通常超导材料需放置于低温环境中，液氮是第二代高温超导带材的主要低温冷却媒质。液氮自身对环境没有破坏作用，属于环境友好型材料，价格极其低廉，同时液氮还具有极佳的绝缘性能，其绝缘耐压水平和SF₆是相当的，也具有一定的熄灭电弧的能力。因此，如果和超导限流技术结合应用，液氮具有充当环境友好型绝缘材料的巨大潜力。