“六氟化硫在電力系統中80%用于開關設備。電網企業對六氟化硫氣體的回收和排放提出了更嚴格的要求，越來越多的電網企業愿意采購無六氟化硫的產品。”在5月23日舉辦的國際高壓開關設備新型環保絕緣與滅弧技術論壇上，國際真空放電級絕緣會議國際科技委員會主席、四川大學教授賈申利表示。
六氟化硫替代迫切
六氟化硫(SF₆)是一種非常嚴重的溫室效應氣體。與二氧化碳相比，它的全球增溫潛勢(GWP:GlobalWarmingPotential)為25200，雖然排放量不大，但自然壽命很長，約為1000到3200年，對環境影響很大。因此，《京都議定書》明令要求逐步減少使用并最終禁用這種氣體。
憑借卓越的絕緣性能和滅弧性能，六氟化硫一直被廣泛應用于電力設備領域。六氟化硫氣體滅弧絕緣電力開關設備，在高壓電網中占據主導地位。
數據顯示，截止2020年，國家電網公司10-1000kV電網用配電開關設備和變電開關設備的六氟化硫氣體使用量，共計約31786噸。
由于高電壓等級開關設備在制造過程中需要使用六氟化硫氣體，而六氟化硫氣體是一種限制排放的嚴重溫室氣體，研究和開發環保型開關設備，研究六氟化硫替代技術，成為目前行業的當務之急。
“發展環境友好型的六氟化硫替代技術，成為雙碳戰略下的重大需求。”賈申利表示。
資料顯示，推進電力開關設備中減少或替代六氟化硫的技術，已被中國政府納入非二氧化碳類溫室氣體減排的重要措施中。在國際上，各國政府也在限制六氟化硫的使用。例如，美國加州空氣資源委員會已頒布了逐步禁止使用六氟化硫的法規;歐盟含氟氣體法規最新修訂中提到：“在有替代品的情況下，將禁止在產品和設備中使用含氟氣體”。
中國西電集團首席科學家、中國電器工業協會高壓開關分會理事長元復興表示，“隨著全球能源結構的轉型和新能源的普及，高壓開關設備作為新能源接入電力系統的關鍵設備，其市場需求呈現增長態勢。高壓開關正處于從成長期向成熟期的過渡，意味著行業將面臨新一輪技術更新和產業升級。”
數據顯示：2021年高壓開關行業總產值同比增長4.71%，2022年同比增長17.64%，2023年同比增長4.5%。“十三五“期間，高壓開關行業總產值預計增長17.25%，年均增長3.45%。
另據《高壓開關行業年鑒》不完全統計，2023年工業總產值2900億元，比2022年增長4.5%;主營收入2870億元，比2022年增加5%;高壓利潤總額120億元，同比增加6%;資產4500億元，同比增加6.5%。
“低碳、環保、綠色產品研發力度加大，所有行業主導企業、骨干力量均投入大量人力物力，爭取在新型電力系統設備轉型中切一塊蛋糕。”元復興分析，“在新能源領域，環保開關設備、GIS、C-GIS發展勢頭強勁。充入高壓力值的環保(天然)氣體作為絕緣介質的中高壓產品，未來會有一定市場。”
誰來替代六氟化硫?
對此，中國電科院教授級高工王承玉表示，六氟化硫替代技術的研究主要分為以下四個方向：
第一，使用六氟化硫混合氣體。在六氟化硫混合氣體研究中，六氟化硫/氮氣研究成果最豐富，但六氟化硫/氮氣不適于作大容量斷路器的熄弧介質。該方法也無法徹底解決六氟化硫氣體應用帶來的環境問題。
第二，使用真空介質。真空介質應用于中壓和126kV領域開斷技術已經非常成熟，但受制于工藝和技術影響，在252kV及以上高壓領域暫未得到普遍應用，其在高電壓等級對非線性負載的開斷性能尚需實際運行的驗證。
第三，使用天然氣體。天然氣體如干燥空氣、氮氣、二氧化碳等在自然界已經存在，對環境無任何污染，容易制備，價格低廉，是目前中壓開關設備絕緣介質的理想選擇。
第四，使用合成環保氣體。在新型合成環保氣體方面，目前研究最多的是全氟異丁腈(簡稱C4)、全氟甲基異丙基酮(簡稱C5)，它們的介電強度與六氟化硫相當，環保特性優于六氟化硫。但滅弧性能不佳，開斷電弧過程中容易降解，含量發生變化，對長期開斷性能有影響，存在容易液化的問題。所以需要與其它常規氣體混合使用。
環保開關加碼布局
六氟化硫替代迫在眉睫，環保型開關設備需求持續增加。
記者獲悉，不少企業率先在環保型氣體絕緣開關設備(GIS)中發力布局。其中，西門子能源推出了8VM172.5kVGIS、8VN1145kVGIS、3AV1罐式斷路器，在研252kVGIS、420kVGIS等Blue系列產品;西高院研發了基于潔凈空氣絕緣真空開斷的環保型40.5kV和72.5kVGIS產品以及252kV單斷口真空開斷型環保GIS;西開、平高等業內骨干企業也相繼推出了環保型新產品。
這些產品采用真空滅弧室作為主要開斷單元、高壓力潔凈空氣作為絕緣介質的環保技術路線，提高了電壓等級，實現了遠距離大容量輸電，同時避免了六氟化硫氣體的大量使用。
據王承玉介紹，對于中壓開關設備，真空滅弧與干燥空氣技術已非常成熟，相關產品包括天然氣氣體絕緣開關柜、環網柜以及柱上斷路器，在企業已有大量運行經驗，應用前景廣闊。對于高壓開關設備，真空滅弧與干燥空氣技術、C4+二氧化碳+氧氣和二氧化碳+氧氣混合氣體技術并存。72.5kV-126kV產品，已經商業化產品投入運行。252kV及以上電壓等級開關設備，國內外均在加緊研制中。從2023年下半年起，國家電網公司已不再采購含六氟化硫氣體的配電開關設備。
在高壓開關設備中，國電公司已立項研究確定以30%的六氟化硫/70%氮氣，作為混合氣體，對現有126-550kV的GIS產品進行改進，已完成除斷路器單元外的其余所有單元的混合氣體改進，六氟化硫氣體的使用量減少50%以上。國網公司對此進行了10個站的GIS改造，已安全穩定運行5年以上。
“在高壓開關設備領域，當前六氟化硫混合氣體對現有GIS產品的改造和應用最成熟，穩妥。”王承玉說。
根據規劃，到2028年，國網GIS設備改造量將達到1萬間隔(等同于2028年預估新增間隔量)，實現六氟化硫氣體使用總量“零增長”。
替代六氟化硫，西門子能源股份公司電網科技集團選擇利用潔凈空氣，即采用真空滅弧技術結合空氣絕緣技術，以徹底消除溫室氣體排放。
據西門子能源股份公司資深技術專家Dr.StephanWethekam介紹，清潔空氣絕緣和真空開斷技術是成熟的、經得住考驗的技術，不會受到修訂的歐盟含氟氣體法規的任何限制，也不會受到PFAS限制的影響。
其中，潔凈空氣(氮氣+氧氣)絕緣，可實現零二氧化碳排放，零毒性，最簡單的氣體處理。真空開斷則能做到分解產物無毒，密封緊密，并實現零維護。
“無氟氣體替代技術和產品已上市。全球范圍內無氟氣體產品已廣泛可靠應用，最高可達420kV。絕大多數依賴于源自于自然的氣體，可確保電網安全。”Dr.StephanWethekam表示。
資料顯示，由西門子能源研發的Blue環保型GIS產品，當前全球已有超過4200臺BlueCB和GIS訂購量，超過2300臺已成功送電投運，相當于減少二氧化碳排放量500萬噸。
“我們從2020年開始嘗試將無氟氣體的BlueGIS設備引入中國市場。2020年與上海電氣集團合作，在汕頭提供了中國首個72.5kV的BlueGIS設備。此后幾年，我們在國家電網、南方電網和海上風電項目中獲得了200多個間隔的訂單，目前超過100臺已投入運行。例如，為國內首座110kV零碳變電站-無錫清舒站提供了145kVBlueGIS設備，為國家電投全球批量應用單機容量最大的海上風電項目提供了66kVBlueGIS設備。此外，為國網河南省電力公司提供的國內首臺145kV環保型柱式斷路器已穩定運行超過3年。”西門子能源有限公司電網科技集團總經理王肩雷表示。
“高壓開關產品不像農作物，無法迅速種植。推廣新產品也需要一個積累的過程，不能一蹴而就。”賈申利提醒。
“我認為現階段制造企業面臨的主要問題不是市場需求，而是產能問題。要增加產能，尤其是針對高壓環保型開關產品的產能。未來，如果國家出臺相關政策支持，市場將會出現快速爆發的增長趨勢。”賈申利預測，“建議國家有關部門，尤其是生態環保部，盡快制定減少甚至禁用某些物質的時間表。立法方面的迫切性，已經很明顯了。”
（來源：中國工業新聞網）
