据预测2030年，电力需求约达到11万亿千瓦时，在当前水平基础上增长54%，年均增长约4%；而全球电力生产的碳排放约占全部排放的42%，在中国这一比例达到51%；清洁能源发电势在必行。要实现2030年前碳达峰目标，中国仍须新增大约650GW光伏、600GW陆上风电、60GW海上风电、113GW水电和66GW核电装机；风电和光伏装机预测都将以每年50~60GW速度增长，其中海上风电是增速最快的领域。
4. 海上风电开关设备的发展方向
（3）环保型产品
全球变暖趋势明显，加大风能发电就是要减少化石原料发电，因此变压器、开关柜也都需要环保，变压器采用干式变压器，或者环保油变压器，提升效率，对于开关柜，不使用SF6气体绝缘也是必须的。排放1吨SF6相当于排放23500吨CO2。C-GIS开关柜的数量多用气量大，采用环保气体减排效果明显。SF6气体的绝缘能力约是干燥空气、氮气等环保气体的2.3倍，因此如何实现开关柜即紧凑又环保是一个挑战。环保型气体绝缘开关柜主要技术参数，见表2。
表2 环保型气体绝缘开关柜主要技术参数
环保型气体绝缘开关柜可采取的主要解决方案如下：
a）增加相间/对地电气间隙，增加开关柜宽度、深度等总体尺寸，SF6开关柜600mm宽时相间距一般为170mm，1250A三工位开关主回路导体的最外边缘尺寸大约90mm，相间气体净距约为80mm。简单来说，采用空气作绝缘介质意味着相间电气间隙由SF6的80mm增加到184mm, 相间距也将达到275mm，开关柜的宽度将超过1000mm，与空气绝缘的通用型开关柜1200mm的柜宽相比较没有优势；即使内部都采用均匀电场设计，全部采用圆滑外表面，以保证在小的电气间隙下，在绝缘耐受强度减弱的情况下依然满足绝缘要求，这种设计机加工成本高，经济性差，而且不能保证和SF6充气柜相同的尺寸，也需要放大相间及对地距离，增加开关柜外形尺寸。
b）采用高绝缘强度的混合气体，如3M公司开发的C4、C5、C6等与CO2的混合气体。C4和CO2的混合气体g3，为10%的C4和90%的CO2混合气体，绝缘强度达到SF6的88%，基本上不用更改开关柜外形尺寸，即可满足绝缘要求。但C4仍然是温室效应气体，10%的C4和90%的CO2混合气体的GWP系数是792，还是不能满足环保要求。Airplus 气体是C5和CO2的混合气体，GWP系数是0.5，可真正实现环保充气柜，但气体成本较高。
c）增加充气压力，不论是汤逊理论还是流注理论，都是以碰撞电离引起的电子崩作为基础的，因此，平均自由行程是气体放电中的一个重要参数，气体中的电子平均自由行程与单位体积内的气体分子数N成反比例关系，当单位体积内的气体分子数越多时，电子平均自由行程越小，在场强作用下，在相继两次碰撞间累计的动能就小，与气体分子发生碰撞产生电离更加困难，电离过程减弱。因此采用增加气体压力的方法能较大地提高气体的绝缘能力。充气压力由SF6气体相对压力0.03MPa升至干燥空气0.17MPa，可满足绝缘要求。来自美国和欧洲的研究表明，干燥空气将成为中压的主要绝缘介质，但绝对压力需要增加到0.28MPa，而客户需要微正压运行，提高安全性并延长正常运行时间，更低的泄漏或故障风险，意味着开关柜在整个生命周期内都具备高效的性能。微正压设计，万一发生泄漏的情况下，可以一直使用到维修为止，而压力大，一旦压力降低，绝缘性能显著降低，安全隐患大。
d）采用固体绝缘等复合绝缘作为辅助绝缘，为解决N2 和干燥空气绝缘强度较低的问题，国内很多公司采用在环保气体绝缘基础上应用固体绝缘技术来提升绝缘特性。固体绝缘材料(如环氧树脂、硅橡胶)的耐电强度可达20kV/mm，在电场强度集中的位置引入固体绝缘材料来达到降低气体中最大电场强度的目的，这是减少氮气绝缘环网柜相间及对地距离提高绝缘性能的重要措施。但不是盲目的使用环氧树脂绝缘浇注作为解决方案，环氧树脂浇注需要绝缘层厚度大，增加成本，增大局部放电的概率等。采取恰当的绝缘材料对高电场区域的电极表面进行包覆能有效提高其耐电强度，有利于电力设备的小型化设计，如采用粉末涂料对铜件涂敷，粉末涂料是用单一的合成树脂或者在树脂中加入固化剂、改性剂、颜料和填料，经热熔混合后冷却，将固体块粉碎成粉末过筛而成的热固性涂料。粉末涂料可以用热喷涂、热浸涂、静电喷涂、静电流化床喷涂或其他一些工艺涂敷于金属表面起着绝缘、防腐等作用。粉末涂敷可以用于形状复杂铜零件，耐电强度、耐热很优秀。理论上，它的电场击穿强度大于52kV/mm，许用电场强度为30～35kV/mm。铜母排的外表面涂敷的粉末涂层，它的厚度大于等于２mm。试验表明将两根2mm厚粉末涂敷的铜母排十字交叉，相互之间的净空气距离为30mm，将其中一根接地，另外一根加高压，可以耐受工频电压50kV/1min。通用电气环保气体开关设备某专利的介绍中，有关击穿场强与母线涂层厚度的关系见图4。密封型中压或高压设备，在密封外壳中设置有覆盖变厚度固体介电层的电气部件和气体介质，气体介质用于提供电绝缘和 / 或用于消除所述外壳中可能出现的电弧，气体介质包括与稀释气体混合的七氟异丁腈。在该专利的描述中，固体介电层厚度是电场的利用因数 η 的函数。所谓利用因数 η为平均电场(U/d) 与最大电场 Emax之比 (η ＝ U/(Emax*d))。对于利用因数大于 0.5尤其是大于 0.6 时，所述固体介电层厚度小于 1mm，甚至小于 500μm，或甚至为介于 60μm 至100μm 范围内的薄层。被选择用以制作所述薄的固体介电层材料的相对介电常数介于 2～4 ，甚至介于 2.5～3.5 之间。所述材料选自聚四氟乙烯、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、乙烯 - 单氯三氟乙烯、帕利灵 NTM、NuflonTM、HALARTM和HALAR CTM。使用这些薄涂层，即可以满足绝缘要求，又可以使利用因数最优，实现均匀电场。
图4 母线绝缘涂层电场分布
5. 结语
海上风电资源丰富，海上风电开关设备作为电能采集、传输、升压、并网的重要设备，需要高可靠性产品，产品需要满足严酷的运行环境要求，并通过相关的试验。同时，随着海上风电的快速增长，单机容量的快速增长，更高系统电压、安装位置更靠近电源、智能环保型产品是发展方向，需要开关行业同仁在配套开关设备的研发上共同努力，设计出真正满足海上风电应用的开关设备，如小型化、高可靠的72.5kV的机舱内安装的绿色环保集线开关设备和应用于海上升压站用的环保型开关设备。
