1 引言

　　气体绝缘金属封闭开关设备(C-GIS)采用SF6气体作为开关设备的绝缘介质，将母线、断路器、隔离开关等电气部件集中密闭在充满SF6气体的气室中。SF6气体凭借良好的电气绝缘和灭弧特性在电力行业应用十分广泛，电力行业的使用量占其总产量80%以上，然而SF6气体温室效应潜在值(GWP)高达CO2的23900倍，且分解物大多为有毒气体。1997年《京都议定书》将SF6等六种气体列为需全球限制使用的温室效应气体，并提出2020年基本限制SF6气体使用[1]。目前C-GIS已成为必不可少的输配电组合单元，由于泄露、回收处理不当等原因，C-GIS的使用不可避免的伴随着SF6气体的排放。随着人们对环境保护问题的日益重视，减少或杜绝SF6气体使用已经刻不容缓。40.5kV电压等级C-GIS产品基数大，对介质绝缘强度要求相对较低，进行该电压等级环保型气体绝缘金属封闭开关设备的关键技术研究可迅速降低SF6气体的总用量，具有较好的社会与经济意义。

　　目前相关高校和企业正在积极开展环保型C-GIS的研制。上海交通大学研制了40.5kV无SF6气体的开关柜样机，样机采用低气压氮气替代SF6气体，样机额定电流1250A、额定电压40.5kV，尺寸800mm*l650mm*2400mm，与市场上同等级的SF6气体绝缘开关柜相比体积增加了33%[2]。沈阳华利电器集团也于2014年开始了中压环保型气体绝缘开关设备的研究工作，其研制的开关柜柜宽与目前市场上的SF6 C-GIS基本相同，但其充气压力较高，气室密封和安全问题需要特别关注[3]。

　　本文基于国家电网公司重点科技项目《智能开断技术研究及产品研制》子课题的任务要求，理论计算几种潜在SF6替代气体绝缘强度，基于计算结果选定替代气体;建立开关柜气室三维模型，并运用有限元分析软件进行电场、温度场、气流场数值计算并分析开关柜电场分布、通流特性等，找出场强集中与散热效果较差的部位;在保持与企业现有SF6开关柜尺寸相同、零件大部分通用前提下进一步优化开关柜气室结构，改善其电场分布;最后搭建气室简易工装进行耐压和温升试验验证仿真结果的可靠性。

　　2 拟替代气体的绝缘强度计算

　　目前有潜力替代SF6气体的有：N2、CO2、干燥空气、CF3I、c-C4F8、C3F8、C2F6等气体及其混合气体[4]，考虑应用电压等级、经济性、气密性，主要对充气压力不高于0.15MPa时的N2、CO2、干燥空气及其与SF6的混合气体进行讨论。

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