中國(guó)承諾將在2030年前實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰，并在2060年實(shí)現(xiàn)碳中和。開關(guān)設(shè)備作為電力從產(chǎn)生到應(yīng)用的核心產(chǎn)品，數(shù)量龐大，作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要做成部分，開關(guān)設(shè)備及其上下游配套產(chǎn)業(yè)占國(guó)民生產(chǎn)比重大，開關(guān)設(shè)備的生產(chǎn)、應(yīng)用、運(yùn)維到最終的報(bào)廢等各個(gè)環(huán)節(jié)都需要消耗大量資源。在“雙碳”背景下，開關(guān)設(shè)備的不僅要更、廣泛的服務(wù)于綠色清潔能源的生產(chǎn)、環(huán)保設(shè)備的使用，還需要實(shí)現(xiàn)開關(guān)設(shè)備自身的全壽命周期低碳、環(huán)保。推進(jìn)環(huán)境友好型產(chǎn)品、緊湊可靠型產(chǎn)品、智能感知型產(chǎn)品的研發(fā)、應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要舉措。

環(huán)境友好型產(chǎn)品，顧名思義是開關(guān)設(shè)備在全壽命周期都能夠做到節(jié)能、環(huán)保，使用無毒無害、可降解環(huán)保材料，材料用量少，運(yùn)行損耗低，產(chǎn)品壽命結(jié)束后材料可回收再利用。

開關(guān)設(shè)備生產(chǎn)過程中，需要使用絕緣材料、金屬材料、噴涂材料等，同時(shí)生產(chǎn)過程中需要澆注、機(jī)械加工、表面處理、裝配等工藝、工序，消耗電、水等能源，如固體絕緣開關(guān)柜、斷路器固封極柱等采用大量環(huán)氧樹脂，而環(huán)氧樹脂中生產(chǎn)過程中有以下問題：

（1）產(chǎn)品澆注過程需要采用有毒有害的脫模劑等材料；

（2）固化時(shí)間長(zhǎng)，生產(chǎn)效率低，能耗大。

使用熱塑性工程塑料材料具有重量輕、強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)。由于生產(chǎn)效率高，單位產(chǎn)品碳排放當(dāng)量相對(duì)就小，ABB開關(guān)柜工程塑料環(huán)保解決方案，熱塑性絕緣件的生產(chǎn)過程有效降低能耗，可減少 50% 以上的二氧化碳排放量，以一個(gè)由14臺(tái)iUniGear開關(guān)設(shè)備組成的典型變電站為例，在30年的壽命周期內(nèi)，其節(jié)約的能耗相當(dāng)于150噸二氧化碳的排放量。

施耐德電氣發(fā)布了具有行業(yè)前瞻性的綠色產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)志-Green Premium，不僅要求產(chǎn)品不使用有毒有害物質(zhì)，而且能源使用率及碳排放當(dāng)量方面有嚴(yán)格的要求，產(chǎn)品從生產(chǎn)到降解階段的全壽命周期環(huán)境影響信息都可以查詢，符合ISO 14020 《環(huán)境標(biāo)志和聲明通用原則》、ISO14021《環(huán)境標(biāo)志和聲明自我環(huán)境聲明（II型環(huán)境標(biāo)志）》，符合歐盟RoHs（電子電氣產(chǎn)品有毒有害物質(zhì)的限制）、REACH（化學(xué)品的注冊(cè)，評(píng)估，授權(quán)和限制）以及中國(guó)法律法規(guī)的要求，并提供PEP（產(chǎn)品環(huán)境概貌）和EoLI（壽命終結(jié)處理說明書）等環(huán)境信息。

施耐德EasyPact EXE真空斷路器，見圖1，就是-Green PremiumTM認(rèn)證產(chǎn)品，額定電壓17.5 kV，開斷電流31.5 kA，額定電流大到2500A，EasyPact EXE中使用的材料、絕緣體和導(dǎo)體均經(jīng)過識(shí)別，可以輕松地分離和回收，符合新環(huán)境法規(guī)要求，生態(tài)標(biāo)簽Green Premium。極柱安裝采用絕緣支撐開放式結(jié)構(gòu)， 支撐和絕緣屏蔽功能分開，增強(qiáng)尼龍材質(zhì)作為極柱支撐，受力點(diǎn)加強(qiáng)設(shè)計(jì)，薄壁相間絕緣屏蔽，不受力，總體材料使用少，每相極柱絕緣材料用量?jī)H為3.1公斤，而固封極柱環(huán)氧材料的使用量達(dá)7公斤，同時(shí)尼龍材質(zhì)可回收循環(huán)使用；面板和機(jī)構(gòu)支撐板采用工程塑料ABS材質(zhì)模壓板取代金屬，重量輕，金屬用量少，同樣ABS可以回收再利用，消耗資源少。

VS1和EXE斷路器材料重量組成，見圖2。VS1斷路器總重量148kg，而EXE斷路器總重量只有126kg，EXE斷路器在銅、鋼材等使用上都比較少，最重要的是VS1斷路器使用了28kg的環(huán)氧及輔助材料，而EXE僅使用了17kg的可回收利用的尼龍材料，環(huán)保性顯而易見。

(1) 環(huán)保氣體替代SF6氣體作為絕緣介質(zhì)是開關(guān)柜的必然趨勢(shì)，而如何替代卻是眾說紛紜，如上所述，固體絕緣生產(chǎn)過程中能耗巨大，不利于環(huán)境保護(hù)。比較而言，應(yīng)用環(huán)保氣體加真空滅弧更環(huán)保，對(duì)于高電壓、大電流應(yīng)用是替代SF6氣體的有效途徑。對(duì)于中壓環(huán)網(wǎng)柜的應(yīng)用，如果某種替代氣體可以開斷有功負(fù)載，滿足原來SF6氣體的全部性能要求則是好方案。如有廠家采用壓氣式負(fù)荷開關(guān)柜內(nèi)充入3M 4710 (C4F7N)與二氧化碳、少量氧氣的混合氣體后，能夠成功開斷、關(guān)合12kV 650A有功負(fù)載電流10次，即E1級(jí)要求，試驗(yàn)過程中開關(guān)的燃弧時(shí)間未有明顯變化，試驗(yàn)后C4和O2氣體比例略微減少。該試驗(yàn)中混合氣體比例為：CO2  35%， C4 55%, O2 10%，柜內(nèi)使用C4混合氣體和使用SF6氣體的成本、溫室效應(yīng)指數(shù)對(duì)比見表1。

計(jì)算得出，該方案相比較SF6氣體成本增加大約2367元，這是基于現(xiàn)階段C4氣體用量少，較為昂貴的情況下，當(dāng)C4氣體大量使用和國(guó)產(chǎn)化后，價(jià)格會(huì)大幅降低，相比較隔離開關(guān)+真空斷路器方案兩套開關(guān)、兩套機(jī)構(gòu)，成本還是有優(yōu)勢(shì)的；而GWP指數(shù)是2045，相比較SF6降低了91.3%，減少碳排放效果明顯。

（2） 開關(guān)設(shè)備運(yùn)行過程中的高能耗也是不容忽視的，開關(guān)柜內(nèi)部導(dǎo)電回路、元器件都有一定的電阻值，通過電流時(shí)發(fā)熱，變頻器、熔斷器等發(fā)熱也很大，開關(guān)設(shè)備應(yīng)減少導(dǎo)電回路長(zhǎng)度，降低回路電阻從而減少發(fā)熱功率損耗。以側(cè)裝開關(guān)柜為例，1250A開關(guān)柜回路電阻只有80μΩ，中置柜每相電阻一般為 120μΩ，導(dǎo)電回路發(fā)熱損耗小，每臺(tái)開關(guān)柜發(fā)熱功率損耗減少近200W， 而大電流開關(guān)柜可以減少更多的發(fā)熱損耗。

采用固封極柱、導(dǎo)電回路密封方案，觸頭回路溫度不宜散發(fā)，設(shè)備能耗大，長(zhǎng)期運(yùn)行還存在局放加大、老化等風(fēng)險(xiǎn)高。不同類型環(huán)網(wǎng)柜的碳當(dāng)量相對(duì)參考值見圖3。

從圖3碳當(dāng)量的比較可以看出，固體絕緣環(huán)網(wǎng)柜雖然不使用SF6氣體，但產(chǎn)品在生產(chǎn)、后期報(bào)廢后的處理即全壽命周期的碳排放并沒有減少，而C4替代氣體雖然是溫室效應(yīng)氣體，但產(chǎn)品不需要真空滅弧及其操動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，總體的全壽命周期的碳排放并不多；而未來如果能夠開發(fā)出新型環(huán)保氣體負(fù)荷開關(guān)，就可以進(jìn)一步減少碳排放，因此中壓環(huán)網(wǎng)柜發(fā)展的方向之一就是環(huán)保氣體滅弧的研究，而不是簡(jiǎn)單的重復(fù)，真空滅弧的優(yōu)勢(shì)在于高電壓、大電流開斷，可以在高壓SF6替代上大有作為。

產(chǎn)品報(bào)廢過程的降解

開關(guān)柜壽命結(jié)束后的處理也是需要關(guān)注的，使用大量環(huán)氧樹脂的設(shè)備報(bào)廢后，環(huán)氧樹脂和金屬等材料不易被剝離，環(huán)氧樹脂材料不能分解，90%的熱固性材料采用填埋方式處理，占用土地，造成資源浪費(fèi)。評(píng)估顯示，西歐每年塑料制品的消費(fèi)量達(dá)四千萬噸，其中熱固性塑料占百分之二十。這種大規(guī)模的塑料消費(fèi)不可避免地產(chǎn)生大量垃圾，每年約為 2200 萬噸，再利用率不足 40 %。環(huán)氧樹脂具有優(yōu)異的絕緣性能、電氣性能，適當(dāng)應(yīng)用到關(guān)鍵部件的絕緣是必要的，而過度的依賴環(huán)氧樹脂應(yīng)用必然造成環(huán)境的破壞、資源的浪費(fèi)。

寫在最后

中壓開關(guān)設(shè)備數(shù)量大，產(chǎn)品使用大量的有色金屬、環(huán)氧樹脂材料以及SF6溫室效應(yīng)氣體等，這些都不利于減少碳排放，不利于早日實(shí)現(xiàn) “雙碳”目標(biāo)。本文從中壓開關(guān)設(shè)備生產(chǎn)、應(yīng)用、運(yùn)維到報(bào)廢處理的各個(gè)環(huán)節(jié)，介紹了開關(guān)設(shè)備減小碳足跡的發(fā)展方向。