據預測2030年，電力需求約達到11萬億千瓦時，在當前水平基礎上增長54%，年均增長約4%；而全球電力生產的碳排放約占全部排放的42%，在中國這一比例達到51%；清潔能源發電勢在必行。要實現2030年前碳達峰目標，中國仍須新增大約650GW光伏、600GW陸上風電、60GW海上風電、113GW水電和66GW核電裝機；風電和光伏裝機預測都將以每年50~60GW速度增長，其中海上風電是增速最快的領域。
4. 海上風電開關設備的發展方向
（3）環保型產品
全球變暖趨勢明顯，加大風能發電就是要減少化石原料發電，因此變壓器、開關柜也都需要環保，變壓器采用干式變壓器，或者環保油變壓器，提升效率，對于開關柜，不使用SF6氣體絕緣也是必須的。排放1噸SF6相當于排放23500噸CO2。C-GIS開關柜的數量多用氣量大，采用環保氣體減排效果明顯。SF6氣體的絕緣能力約是干燥空氣、氮氣等環保氣體的2.3倍，因此如何實現開關柜即緊湊又環保是一個挑戰。環保型氣體絕緣開關柜主要技術參數，見表2。
表2 環保型氣體絕緣開關柜主要技術參數
環保型氣體絕緣開關柜可采取的主要解決方案如下：
a）增加相間/對地電氣間隙，增加開關柜寬度、深度等總體尺寸，SF6開關柜600mm寬時相間距一般為170mm，1250A三工位開關主回路導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，開關柜的寬度將超過1000mm，與空氣絕緣的通用型開關柜1200mm的柜寬相比較沒有優勢；即使內部都采用均勻電場設計，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，這種設計機加工成本高，經濟性差，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，增加開關柜外形尺寸。
b）采用高絕緣強度的混合氣體，如3M公司開發的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柜外形尺寸，即可滿足絕緣要求。但C4仍然是溫室效應氣體，10%的C4和90%的CO2混合氣體的GWP系數是792，還是不能滿足環保要求。Airplus 氣體是C5和CO2的混合氣體，GWP系數是0.5，可真正實現環保充氣柜，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的，因此，平均自由行程是氣體放電中的一個重要參數，氣體中的電子平均自由行程與單位體積內的氣體分子數N成反比例關系，當單位體積內的氣體分子數越多時，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，與氣體分子發生碰撞產生電離更加困難，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，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險，意味著開關柜在整個生命周期內都具備高效的性能。微正壓設計，萬一發生泄漏的情況下，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，國內很多公司采用在環保氣體絕緣基礎上應用固體絕緣技術來提升絕緣特性。固體絕緣材料(如環氧樹脂、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網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氧樹脂絕緣澆注作為解決方案，環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。采取恰當的絕緣材料對高電場區域的電極表面進行包覆能有效提高其耐電強度，有利于電力設備的小型化設計，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雜銅零件，耐電強度、耐熱很優秀。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。通用電氣環保氣體開關設備某專利的介紹中，有關擊穿場強與母線涂層厚度的關系見圖4。密封型中壓或高壓設備，在密封外殼中設置有覆蓋變厚度固體介電層的電氣部件和氣體介質，氣體介質用于提供電絕緣和 / 或用于消除所述外殼中可能出現的電弧，氣體介質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 η 的函數。所謂利用因數 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，又可以使利用因數最優，實現均勻電場。
圖4 母線絕緣涂層電場分布
5. 結語
海上風電資源豐富，海上風電開關設備作為電能采集、傳輸、升壓、并網的重要設備，需要高可靠性產品，產品需要滿足嚴酷的運行環境要求，并通過相關的試驗。同時，隨著海上風電的快速增長，單機容量的快速增長，更高系統電壓、安裝位置更靠近電源、智能環保型產品是發展方向，需要開關行業同仁在配套開關設備的研發上共同努力，設計出真正滿足海上風電應用的開關設備，如小型化、高可靠的72.5kV的機艙內安裝的綠色環保集線開關設備和應用于海上升壓站用的環保型開關設備。
