[4李嗣明.智能配电网优化调度技术研究及应用[CW2020年配电网数字化智能化提 升专题交流会论文集.，202048-51. [5]杨阳.智能配电网的技术规划应用)集成电路应用，2020,3709)114115 [6]孔庆杜，李风光.智能配电网技术的配电网规划分析)通信电源技 术，2020,37(11)：275-277. [7孟中强，王辉智能配电网技术在配电网规划中的应用).电力设备管理，2020(05)33， 34 [8)]刘凯诚，钟鸣，曾平良，朱良管考虑分布式可再生电源和储能的智能配电网可靠性评 估综述.电测与仪表，2021,58(07)1-11. [9]虞文武，徐谦，王蕾，符早，王坤，朱然基于分布式架构的智能配电网信息系统及分布式 储能规划方法).中国科学：技术科学，2020,50(06)：811-818 [10]李彦杰.智能配电网技术在配电网规划中的具体应用).科技风，2020(08)：180. []席磊，张乐，黄悦华，陈曦徐艳春基于贪婪策略的多层自动发电控制).中国电机工 程学报，2020,40(16)：5204-5217. [12】魏铮，高丹丹，钟良.智能配电网优化调度技术与应用)中国新技术新产 品，2020(04)92-93. [3]薛菲.智能配电网技术在配电网规划中的具体应用探究).通讯世 界，2019,26(12)255-256. [14颜勇进.含分布式能源的智能配电网规划研究[U.电子世界，2018(20)88-89 [15]刘振亚.智能电网技术M.中国电力出版社，2016. 7 20/116
7 [4] 李嗣明. 智能配电网优化调度技术研究及应用[C]//.2020 年配电网数字化智能化提 升专题交流会论文集.,2020:48-51. [5] 杨阳.智能配电网的技术规划应用[J].集成电路应用,2020,37(09):114-115. [6] 孔庆杜 , 李风光 . 智 能 配 电 网 技 术 的 配 电 网 规 划 分 析 [J]. 通信电源技 术,2020,37(11):275-277. [7] 孟中强,王辉.智能配电网技术在配电网规划中的应用[J].电力设备管理,2020(05):33- 34. [8] 刘凯诚,钟鸣,曾平良,朱良管.考虑分布式可再生电源和储能的智能配电网可靠性评 估综述[J].电测与仪表,2021,58(07):1-11. [9] 虞文武,徐谦,王蕾,符早,王坤,朱然.基于分布式架构的智能配电网信息系统及分布式 储能规划方法[J].中国科学:技术科学,2020,50(06):811-818. [10] 李彦杰.智能配电网技术在配电网规划中的具体应用[J].科技风,2020(08):180. [11] 席磊,张乐,黄悦华,陈曦,徐艳春.基于贪婪策略的多层自动发电控制[J].中国电机工 程学报,2020,40(16):5204-5217. [12] 魏 铮 , 高丹丹 , 钟 良 . 智 能 配 电 网 优 化调 度 技 术 与 应 用 [J]. 中国新技术新产 品,2020(04):92-93. [13] 薛 菲 . 智 能 配 电 网 技 术 在 配 电 网 规 划 中 的 具 体 应 用 探 究 [J]. 通 讯 世 界,2019,26(12):255-256. [14] 颜勇进.含分布式能源的智能配电网规划研究[J].电子世界,2018(20):88-89. [15] 刘振亚. 智能电网技术[M]. 中国电力出版社, 2016. 20／116
案例正文： 电力开关装备绿色环保技术教学案例 摘要：为响应“碳中和”、“碳达峰”号召，本案例描述了针对高压电力开关装备中具有高 温室效应的SF6绝缘气的绿色环保减排控制技术方面的研究。本案例主要覆盖以下三 方面内容：一是了解和掌握S℉6气体绝缘开关装备在电力开关装备中的发展历程以及 实现绿色环保技术的研究热点和重点：二是开展以低温室效应气体代替传统的SF6气 体作为绝缘介质及电流开断介质的开关设备的研究：三是开展以大气压放电等离子体技 术为基础的SF6废气的降解处理研究，实现SF6废气的控制和减排，并提出适当的无 害化处理方法，以实现SF6的绿色降解。本案例目的在于将电力开关装备绿色环保技 术理论教育与实践紧密结合，开展实践教学，提升专业学位研究生自主创新能力与工程 素养，建立完普高效的能源动力专业学位研究生培养模式。 关键词：电力开关装备、SF6替代气体、SF6绝缘气体减排控制、实践教学 1背景 高压电力开关是电力系统控制和保护的重要设备，随着智能电网建设和环境保护需 求，电力开关设备逐步向智能化、绿色化、集成化方向发展。《中国制造2025》将绿色 环保型高效输变电设备列为发展重点之一。S℉6具有极为优良的灭弧和绝缘性能，同 时导热能力也相对较好，因此从上个世纪70年代开始，SF6便被广泛应用在各种电气 设备中，这些设备广泛应用于中、高压输变电技术领域，主要用作电气设备的绝缘和灭 弧介质，包括气体绝缘断路器、气体绝缘电流互感器、气体绝缘金属封闭开关设备 (GS)、负荷开关、气体绝缘环网柜(C-GS)、气体绝缘输电管道(GL)、气体绝 缘变压器(GT)等，如图1所示。联合国政府间气候变化专门委员会(PCC)的报告 指出，除镁金属工业(4%)、电子工业(8%)、SF6绝热应用相关行业(3%)以及 粒子加速器、光纤生产、生物医疗等方面(5%)之外，全球生产的SF6气体近80%应 用于电力工业。SF6是1997年《京都议定书》中规定的六种温室效应气体之一，其温室 效应潜在值(Global Warming Potential,.GWP)是COz的23900倍，而且在大气中十分稳 定，存活寿命为3200年，在国际上已被禁排、限用。2020年9月22日，在第75届联合国 大会一般性辩论上，习近平主席提出，中国的二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值， 努力争取2060年前实现碳中和。因此，加强SF6气体使用管控、减少SF6气体排放对于 21/116
案例正文： 电力开关装备绿色环保技术教学案例 摘要：为响应“碳中和”、“碳达峰”号召，本案例描述了针对高压电力开关装备中具有高 温室效应的 SF6 绝缘气的绿色环保减排控制技术方面的研究。本案例主要覆盖以下三 方面内容：一是了解和掌握 SF6 气体绝缘开关装备在电力开关装备中的发展历程以及 实现绿色环保技术的研究热点和重点；二是开展以低温室效应气体代替传统的 SF6 气 体作为绝缘介质及电流开断介质的开关设备的研究；三是开展以大气压放电等离子体技 术为基础的 SF6 废气的降解处理研究，实现 SF6 废气的控制和减排，并提出适当的无 害化处理方法，以实现 SF6 的绿色降解。本案例目的在于将电力开关装备绿色环保技 术理论教育与实践紧密结合，开展实践教学，提升专业学位研究生自主创新能力与工程 素养，建立完善高效的能源动力专业学位研究生培养模式。 关键词：电力开关装备、SF6 替代气体、SF6 绝缘气体减排控制、实践教学 1 背景 高压电力开关是电力系统控制和保护的重要设备，随着智能电网建设和环境保护需 求，电力开关设备逐步向智能化、绿色化、集成化方向发展。《中国制造2025》将绿色 环保型高效输变电设备列为发展重点之一。SF6 具有极为优良的灭弧和绝缘性能，同 时导热能力也相对较好，因此从上个世纪70 年代开始，SF6 便被广泛应用在各种电气 设备中，这些设备广泛应用于中、高压输变电技术领域，主要用作电气设备的绝缘和灭 弧介质，包括气体绝缘断路器、气体绝缘电流互感器、气体绝缘金属封闭开关设备 （GIS）、负荷开关、气体绝缘环网柜（C-GIS）、气体绝缘输电管道（GIL）、气体绝 缘变压器（GIT）等，如图1所示。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的报告 指出，除镁金属工业（4%）、电子工业（8%）、SF6 绝热应用相关行业（3%）以及 粒子加速器、光纤生产、生物医疗等方面（5%）之外，全球生产的SF6 气体近80%应 用于电力工业。SF6是1997年《京都议定书》中规定的六种温室效应气体之一，其温室 效应潜在值（Global Warming Potential, GWP）是CO2的23900倍，而且在大气中十分稳 定，存活寿命为3200年，在国际上已被禁排、限用。2020年9月22日，在第75届联合国 大会一般性辩论上，习近平主席提出，中国的二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值， 努力争取2060年前实现碳中和。因此，加强SF6气体使用管控、减少SF6 气体排放对于 21／116
支撑我国达成温室气体减排目标，早日实现“碳达峰、碳中和具有重要意义。 图1SF6被广泛应用于多种电气设备 我国作为世界大国，将不断加强S℉6使用和排放管控，最大限度地推动“碳达峰， 碳中和”的实现。本案例主要内容包括了解和认知SF6气体绝缘开关装备在电力开关装 备中的发展历程，并掌握以S℉6绝缘气为基础的电力开关装备在整个生命周期中实现 绿色环保技术的研究热点和重点，掌握以低温室效应气体代替传统的SF6气体作为绝 缘介质及电流开断介质的开关设备的研究，开展以大气压放电等离子体技术为基础的 SF6废气的降解处理研究，实现SF6废气的控制和减排。 2S6气体绝缘开关装备在电力开关装备中的发展历程以及实现绿色环保技术的研究 热点和重点 S℉6自20世纪初(1900年)在实验室（法国巴黎大学）初次合成后，研究发现其具 有良好的电气性能，逐步开始工业生产。历经试验研究和在小型电气设备上的应用，20 世纪60年代后，开始应用于大容量电气设备，继而出现了全封闭组合电器。在许多发 达国家，SF6电气设备已基本取代传统的充油及空气电气设备，并不断应用于高电压、 大容量和高参数设备。近年除在高压断路器、GS外己应用于SF6变压器，同时以PASS 为代表的多功能组合电器亦应运而生。 我国对SF6电气设备的认识始于20世纪60年代，70年代初第一台国产设备投运， 第一组GS引进，此后不同电压等级设备相继得到鉴定和使用，到改革开放的80年代， 大量的SF6电气设备引进和研制成功，不断地促进了SF6电气设备在我国的迅速发展。 至目前，高压断路器几乎全部使用SF6替代绝缘油和空气介质：GS在许多省网己经投 运：SF6变压器也在一些城网改造中得以引进：其他如互感器、套管等也得到大量更 22/116
支撑我国达成温室气体减排目标，早日实现“碳达峰、碳中和”具有重要意义。 图 1 SF6 被广泛应用于多种电气设备 我国作为世界大国，将不断加强 SF6 使用和排放管控，最大限度地推动“碳达峰， 碳中和”的实现。本案例主要内容包括了解和认知 SF6 气体绝缘开关装备在电力开关装 备中的发展历程，并掌握以 SF6 绝缘气为基础的电力开关装备在整个生命周期中实现 绿色环保技术的研究热点和重点，掌握以低温室效应气体代替传统的 SF6 气体作为绝 缘介质及电流开断介质的开关设备的研究，开展以大气压放电等离子体技术为基础的 SF6 废气的降解处理研究，实现 SF6 废气的控制和减排。 2 SF6 气体绝缘开关装备在电力开关装备中的发展历程以及实现绿色环保技术的研究 热点和重点 SF6 自 20 世纪初(1900 年)在实验室（法国巴黎大学）初次合成后，研究发现其具 有良好的电气性能，逐步开始工业生产。历经试验研究和在小型电气设备上的应用，20 世纪 60 年代后，开始应用于大容量电气设备，继而出现了全封闭组合电器。在许多发 达国家，SF6 电气设备已基本取代传统的充油及空气电气设备，并不断应用于高电压、 大容量和高参数设备。近年除在高压断路器、GIS 外已应用于 SF6 变压器，同时以 PASS 为代表的多功能组合电器亦应运而生。 我国对 SF6 电气设备的认识始于 20 世纪 60 年代，70 年代初第一台国产设备投运， 第一组 GIS 引进，此后不同电压等级设备相继得到鉴定和使用，到改革开放的 80 年代， 大量的 SF6 电气设备引进和研制成功，不断地促进了 SF6 电气设备在我国的迅速发展。 至目前，高压断路器几乎全部使用 SF6 替代绝缘油和空气介质；GIS 在许多省网已经投 运；SF6 变压器也在一些城网改造中得以引进；其他如互感器、套管等也得到大量更 22／116
换与应用，甚至电容器、避雷器和管道母线等设备亦在应用。目前，新建或改造的220 kV及以上电压等级变电站基本全部采用SF6开关设备。据不完全统计，到1997年底， 全国电力系统220kV及以上电压等级SF6断路器和GIS己装运4880台，占全部运行 断路器10143台的48%。其中500kV共575台，GIS127间隔，全部为SF6开关设备： 330kV共280台，GIS25间隔，SF6开关设备占96.89%：220kV断路器4025台，G1S 260间隔，SF6开关设备占43.38%。截止到2000年前，全国电力系统220kV及以上 电压等级断路器共12162台。其中，100%的500kV开关设备729台和接近100%的 330kV开关设备359台为SF6断路器和GIS:而在220kV电压等级，SF6断路器和 G1S己占装运开关设备的50%~60%。如果按220kVSF6断路器和GS占同电压等级 装运开关设备的50%估计，则SF6开关设备在220kV及以上开关设备中所占的比例在 两年中增长了大约6.5%。近期正负800kV的直流输变电和1000kV的特高压示范工程 上均使用了SF6设备。 为建立高效、节能、环保的全球能源物联网，中国大力发展电力行业并提出构建特 高压网络，特高压工程现已成为中国创造的一张名片。作为电力系统中的关键环节，大 多数高压电气设备采用SF6作为绝缘介质。对国内SF6主要生产厂家的产能进行统计， 2018年，国内的SF6年生产能力为18000t。随着中国经济转型和产业升级的不断推进， 六氟化硫使用量呈现出持续增长的态势。2018年，国内主要电气设备的SF6使用量已 超过7000t 2020年9月22日，习近平主席在第75届联合国大会正式宣布，中国将力争2030 年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。六氟化硫(S℉6)温室效应最强，其温室效应 潜在值GWP是C02的23500倍，且在大气中寿命约3200年。联合国气候变化公约缔 约方早在1997年签订的《京都议定书》(Kyoto Protocol)中，就将SF6气体列为六种 限制性使用的温室气体之一。 世界多个国家和地区己深刻认识到S6温室效应问题的严重性，并对SF6产生的 等效碳排放量的控制提出要求。欧盟计划在2030年将SF6排放量缩减到2014年的2/3， 为完成这一目标，欧盟于2014年更新的N0.517/2014欧盟法规规定：欧洲委员需于2020 年前，对中压设备中SF6替代情况进行评估，并于2022年前评估包括高压设备在内的 其他设备上SF6的替代情况。此外，为督促企业进行SF6的减排工作，多国政府开始 对SF6另外征税。西班牙政府于2015年对SF6征收66kg的税收，加拿大魁北克也将 23/116
换与应用，甚至电容器、避雷器和管道母线等设备亦在应用。目前，新建或改造的 220 kV 及以上电压等级变电站基本全部采用 SF6 开关设备。据不完全统计，到 1997 年底， 全国电力系统 220 kV 及以上电压等级 SF6 断路器和 GIS 已装运 4 880 台，占全部运行 断路器 10 143 台的 48%。其中 500 kV 共 575 台，GIS127 间隔，全部为 SF6 开关设备； 330 kV 共 280 台，GIS 25 间隔，SF6 开关设备占 96.89%；220 kV 断路器 4 025 台，GIS 260 间隔，SF6 开关设备占 43.38%。截止到 2000 年前，全国电力系统 220 kV 及以上 电压等级断路器共 12 162 台。其中，100% 的 500 kV 开关设备 729 台和接近 100%的 330 kV 开关设备 359 台为 SF6 断路器和 GIS；而在 220 kV 电压等级，SF6 断路器和 GIS 已占装运开关设备的 50%～60%。如果按 220 kV SF6 断路器和 GIS 占同电压等级 装运开关设备的 50%估计，则 SF6 开关设备在 220 kV 及以上开关设备中所占的比例在 两年中增长了大约 6.5%。近期正负 800 kV 的直流输变电和 1000 kV 的特高压示范工程 上均使用了 SF6 设备。 为建立高效、节能、环保的全球能源物联网，中国大力发展电力行业并提出构建特 高压网络，特高压工程现已成为中国创造的一张名片。作为电力系统中的关键环节，大 多数高压电气设备采用 SF6 作为绝缘介质。对国内 SF6 主要生产厂家的产能进行统计， 2018 年，国内的 SF6 年生产能力为 18000t。随着中国经济转型和产业升级的不断推进， 六氟化硫使用量呈现出持续增长的态势。2018 年，国内主要电气设备的 SF6 使用量已 超过 7000 t。 2020 年 9 月 22 日，习近平主席在第 75 届联合国大会正式宣布，中国将力争 2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和。六氟化硫（SF6）温室效应最强，其温室效应 潜在值 GWP 是 CO2 的 23500 倍，且在大气中寿命约 3200 年。联合国气候变化公约缔 约方早在 1997 年签订的《京都议定书》（Kyoto Protocol）中，就将 SF6 气体列为六种 限制性使用的温室气体之一。 世界多个国家和地区已深刻认识到 SF6 温室效应问题的严重性，并对 SF6 产生的 等效碳排放量的控制提出要求。欧盟计划在 2030 年将 SF6 排放量缩减到 2014 年的 2/3， 为完成这一目标，欧盟于 2014 年更新的 No.517/2014 欧盟法规规定：欧洲委员需于 2020 年前，对中压设备中 SF6 替代情况进行评估，并于 2022 年前评估包括高压设备在内的 其他设备上 SF6 的替代情况。此外，为督促企业进行 SF6 的减排工作，多国政府开始 对 SF6 另外征税。西班牙政府于 2015 年对 SF6 征收€66/kg 的税收，加拿大魁北克也将 23／116
SF6排放税调整至$239g。我国作为世界大国，将不断加强SF6使用和排放管控，最 大限度地推动“碳达峰，碳中和”的实现。 目前针对SF6控制排放的措施主要有三方面：开发SF6替代气体、提高SF6的回 收利用率和降解处理$F6气体。现有的回收净化技术存在着装置价格昂贵、数量少、 利用率低的问题，回收提纯后的气体也难以达到S℉6新气的绝缘标准。因此，在积极 减少SF6使用量及着重寻找SF6替代气体的同时，加强SF6废气的降解处理也是亟待 解决的热点问题。 3开展以低温室效应气体代替传统的SF6气体作为绝缘介质及电流开断介质的开关设 备的研究 从20世纪70年代各国学者便开始寻找环境友好型气体，探究不同气体和绝缘性能 并分析替代SF6的可行性。目前主要研究的替代气体有三类：常规气体（空气、N2和 CO2)、SF6混合气体和强电负性气体及其混合气体。 1)常规气体 常规气体主要为干燥空气、八N2、CO2以及相应的混合气体，由于常规气体理化性质 比较稳定，制备成本较低，液化温度远低于SF6,且有较低的温室效应，应用于气体绝 缘设备中的前景受到较大关注。日本日立公司研究发现气压为0.5MP阳空气的绝缘强度 大于纯N和CO2,并指出0.6MPa下空气的绝缘强度为SFN2(SF6体积分数为5%) 的95%。日本名古屋大学研究了CO2混合N2、O2、H和空气的电流开断能力，研究 发现30%CO2混合O2或H击穿后残余电弧的电导下降更快，开断能力明显提高。日 本AE电力公司研究了空气和N2在棒板电极下的局部放电和击穿特性，两者的局部放 电起始电压几乎相同但空气的击穿电压大于纯，)。法国图卢兹大学的Yous等计算 了CO2、N2和O2及其混合气体的电子崩参数，比较了CO2混合N2和O2的临界场强， 为分析绝缘特性提供了理论基础，东京电力公司对CO2和N进行了大量的实验研究， 探究非标准雷电冲击电压下的击穿特性和伏秒特性，分析替代SF6应用于GS中的可能 性5.。ABB公司的PC.Stoller等研究了CO2在断路器中的灭弧能力，并与空气和SF6 进行比较，CO2的灭弧能力优于空气，有可能替代SF6,但需要优化断路器的结构。 挪威科技大学的N.S.Aanensen等测试了空气对440A、630A和880A电流的开断能力， 分析了触头和喷嘴尺寸以及空气流速对开断能力的影响网。 常规气体虽然性质稳定，在部分中低压设备中作为绝缘介质可以替代$F6,但是气 24/116
SF6 排放税调整至$239/kg。我国作为世界大国，将不断加强 SF6 使用和排放管控，最 大限度地推动“碳达峰，碳中和”的实现。 目前针对 SF6 控制排放的措施主要有三方面：开发 SF6 替代气体、提高 SF6 的回 收利用率和降解处理 SF6 气体。现有的回收净化技术存在着装置价格昂贵、数量少、 利用率低的问题，回收提纯后的气体也难以达到 SF6 新气的绝缘标准。因此，在积极 减少 SF6 使用量及着重寻找 SF6 替代气体的同时，加强 SF6 废气的降解处理也是亟待 解决的热点问题。 3 开展以低温室效应气体代替传统的 SF6 气体作为绝缘介质及电流开断介质的开关设 备的研究 从 20 世纪 70 年代各国学者便开始寻找环境友好型气体，探究不同气体和绝缘性能 并分析替代 SF6 的可行性。目前主要研究的替代气体有三类：常规气体（空气、N2 和 CO2）、SF6 混合气体和强电负性气体及其混合气体。 1) 常规气体 常规气体主要为干燥空气、N2、CO2 以及相应的混合气体，由于常规气体理化性质 比较稳定，制备成本较低，液化温度远低于 SF6，且有较低的温室效应，应用于气体绝 缘设备中的前景受到较大关注。日本日立公司研究发现气压为 0.5 MPa 空气的绝缘强度 大于纯 N2 和 CO2，并指出 0.6 MPa 下空气的绝缘强度为 SF6/N2（SF6 体积分数为 5 %） 的 95 %[1]。日本名古屋大学研究了 CO2 混合 N2、O2、He 和空气的电流开断能力，研究 发现 30%CO2 混合 O2或 He 击穿后残余电弧的电导下降更快，开断能力明显提高[2]。日 本 AE 电力公司研究了空气和 N2 在棒-板电极下的局部放电和击穿特性，两者的局部放 电起始电压几乎相同但空气的击穿电压大于纯 N2 [3]。法国图卢兹大学的 Yousfi 等计算 了 CO2、N2 和 O2 及其混合气体的电子崩参数，比较了 CO2 混合 N2[和 O2 的临界场强， 为分析绝缘特性提供了理论基础[4]。东京电力公司对 CO2 和 N2[进行了大量的实验研究， 探究非标准雷电冲击电压下的击穿特性和伏秒特性，分析替代 SF6 应用于 GIS 中的可能 性[5,6]。ABB 公司的 P.C.Stoller 等研究了 CO2在断路器中的灭弧能力，并与空气和 SF6 进行比较，CO2 的灭弧能力优于空气，有可能替代 SF6，但需要优化断路器的结构[7]。 挪威科技大学的 N.S.Aanensen 等测试了空气对 440 A、630 A 和 880 A 电流的开断能力， 分析了触头和喷嘴尺寸以及空气流速对开断能力的影响[8]。 常规气体虽然性质稳定，在部分中低压设备中作为绝缘介质可以替代 SF6，但是气 24／116