替代性環保氣體是否已準備好取代傳統系統？

簡介

對高壓開關設備中 SF6 的監管壓力已從遙遠的政策討論轉變為積極的採購限制--SF6 歐盟 F-Gas 法規¹ 逐步減少的時間表、英國的相應框架，以及中國、日本和韓國逐步收緊的 SF6 處理要求，都迫使 2025 年及之後的每個 GIS 開關設備採購決策都必須解決上一代變電站設計中不存在的問題：GIS 製造商提出的替代性環保氣體技術是否真的可以提供 SF6 絕緣 GIS 在數十載的輸配電變電站運行中所展示的絕緣性能、開關可靠性和 30 年使用壽命？這個問題在可再生能源電網連接專案（離岸風力集電變電站、公用事業規模的太陽能疏散變電站，以及將新的可再生能源發電與傳統輸電基礎設施連接的電網升級專案）中尤其尖銳，因為這些專案結合了嚴苛的環境條件、高可靠性要求，以及資產使用壽命長等特點，使得絕緣氣體的選擇成為一項決策，其後果遠遠超過調試日期。替代性生態瓦斯 - 氟腈基混合物 (g³)、氟酮基混合物 (g²)、乾淨空氣和乾燥空氣 - 在特定的 GIS 電壓等級和應用條件下可取代 SF6，但在其他條件下則尚未準備就緒，而導致錯誤選擇的工程錯誤是將生態瓦斯的就緒度視為二元的「是」或「否」問題，而非針對特定電壓等級、特定應用和標準驗證的評估，以將技術成熟度等級與專案需求相匹配。對於可再生能源專案開發人員、電網升級工程師，以及正處於 SF6 轉換階段的 GIS 採購經理而言，本指南提供了誠實、符合 IEC 標準的就緒度評估，而這些都是技術行銷資料所沒有的。.

目錄

• 在 GIS 開關裝置中，有哪些替代性環保氣體技術，其絕緣特性與 SF6 相比如何？
• 在不同的 GIS 電壓等級和應用條件下，每種環保瓦斯選項目前的技術就緒程度為何？
• 如何評估和指定用於可再生能源和電網升級專案的 Eco-Gas GIS？
• 使用中的 Eco-Gas 和 SF6 GIS 在安裝、維護和壽命終止方面有哪些差異？

在 GIS 開關裝置中，有哪些替代性環保氣體技術，其絕緣特性與 SF6 相比如何？

五十年來，SF6 在 GIS 絕緣領域中一直佔據主導地位，因為它結合了介電強度、熄弧能力、熱穩定性和化學惰性，是任何一種替代氣體都無法比擬的。已進入商業部署階段的環保氣體替代品各自犧牲了其中一個或多個特性，以換取大幅降低的成本。 全球暖化潛力² - 準確瞭解哪些屬性會被犧牲，以及犧牲的程度，是準備就緒評估的基礎。.

SF6 絕緣性能基線

SF6 在標準操作壓力 (0.4-0.5 MPa 絕對值) 下提供：

• 介電強度³: 0.1 MPa 時為 89 kV/mm - 約為相同壓力下空氣的 2.5 倍
• 熄弧能力：20°C 時的熱傳導率為 0.013 W/m-K；斷弧能力與壓力成正比
• 全球暖化潛力 (GWP)：100 年內 23,500× CO₂ (AR5) - 替換的監管驅動力
• 液化溫度：0.5 MPa 時為 -64°C - 在標準變電站環境下無液化風險

四種環保瓦斯技術系列

技術 1 - 氟腈基混合物 (g³: C4F7N + CO2 或 C4F7N + CO2 + O2)：
由 ABB/Hitachi Energy 以 g³ 品牌開發；其他製造商也可提供氟腈混合物：

• 介電強度：等效壓力下為 SF6 的 95-100% - 最接近的性能匹配
• GWP: < 1 (C4F7N 成分的 GWP = 2,100; 在 CO2 中稀釋為 < 1 混合物 GWP)
• 電弧淬火：在中等電壓下與 SF6 相當；在輸電電壓下能力降低
• 液化溫度：-25°C 至 -15°C 取決於混合物比例 - 在寒冷氣候下有液化風險
• 分解產物：C4F7N 在電弧能量下分解為 全氟異丁烯⁴ (PFIB) - 亞ppm濃度的急性毒性；需要與SF6相同的分解產品管理協議

技術 2 - 氟酮基混合物 (g²：C5F10O + 空氣或 C5F10O + N2)：
由 3M/ABB 以 g² 品牌開發；氟酮 (Novec 4710) 與乾燥空氣或氮氣混合：

• 介電強度：等效壓力下為 SF6 的 70-80% - 需要更高的工作壓力或更大的外殼
• GWP: < 1 (C5F10O GWP = 1; 混合物 GWP < 1)
• 熄弧：有限 - 主要適用於負載切換，而非輸電電壓下的大電流故障中斷
• 液化溫度：標準操作壓力下 -10°C 至 0°C - 在溫帶和寒冷氣候下有顯著液化風險

技術 3 - 乾淨空氣（壓縮乾燥空氣，CDA）：
壓縮乾燥空氣，絕對壓力 0.5-0.8 MPa：

• 介電強度：在同等壓力下為 SF6 的 35-40% - 需要顯著更大的外殼或更高的壓力
• GWP: 零
• 熄弧：僅限於中電壓下的負載斷路切換；不適用於大電流下的斷路器故障中斷
• 液化溫度：不適用 - 在任何操作溫度下均無液化風險

技術 4 - 乾燥空氣 / N2 混合物：
氮氧混合物或高壓純氮：

• 介電強度：SF6 的 30-38% - 最大外殼尺寸罰則
• GWP: 零
• 熄弧：僅適用於斷開器和接地開關應用 - 不適用於斷路器故障中斷

環保瓦斯效能比較表

財產	SF6	g³ (氟腈)	g²（氟酮）	清新空氣	乾燥 N2
介電強度 vs SF6	100%	95-100%	70-80%	35-40%	30-38%
GWP (100 年)	23,500	< 1	< 1	0	0
CB 故障中斷	完整	完整 (MV) / 部分 (HV)	有限責任	沒有	沒有
液化風險	無	中度 (< -15°C)	高 (< 0°C)	無	無
有毒分解物	是	有 (PFIB)	最低限度	無	無
外殼尺寸 vs SF6	1.0×	1.0-1.1×	1.2-1.4×	1.8-2.2×	2.0-2.5×
商業可用性	成熟	MV：成熟；HV：有限	MV: 有限	MV: 可用	MV: 可用

在不同的 GIS 電壓等級和應用條件下，每種環保瓦斯選項目前的技術就緒程度為何？

整個環保瓦斯系列的技術就緒度並不一樣 - 它會因電壓等級、應用類型以及所評估的特定產品的 IEC 標準認證狀態而異。以下的就緒度評估反映了截至 2025-2026 年的商業部署和 IEC 認證狀況。.

電壓等級的就緒度

12 kV 和 24 kV 中壓 GIS：
在這個電壓等級中，生態氣體 GIS 已經達到真正的商業成熟度 - 多家製造商提供 12 kV 和 24 kV 的 g³ 和潔淨空氣 GIS，並具備全套的氣體濾網。 IEC 62271-200⁵ 類型測試認證、現場安裝數量超過 5,000 台，以及在歐洲和亞洲公用事業應用中長達 5-10 年的服務歷史：

• g³ 氟腈 GIS，電壓為 12-24 kV：準備就緒 - 完整的 IEC 認證、成熟的供應鏈、經過驗證的現場性能
• 12-24 kV 的無塵 GIS：準備就緒，但需要注意外殼尺寸 - 80-120% 的佔地面積比 SF6 GIS 大；可接受用於有空間餘量的新建變電站；在現有的 SF6 GIS 房間進行改裝則有問題
• g² 氟酮 GIS，12-24 kV：條件就緒 - 限於環境溫度不低於 -5°C 的氣候；液化風險要求在溫帶氣候下進行外殼加熱

40.5 kV GIS：
40.5 kV 的商業部署較不成熟 - 主要製造商已推出具有 IEC 62271-200 認證的 g³ 產品，但與 12-24 kV 相比，現場安裝人數較少，服務歷史也較短：

• g³ 氟腈 GIS，40.5 kV：條件就緒 - IEC 認證；有限的現場使用人數；指定使用製造商的延長保固和性能保證
• 40.5 kV 的潔淨空氣 GIS：準備情況有限 - 外殼尺寸限制 (2× SF6) 使新建築應用面臨挑戰；改裝應用一般不可行

110 kV 及以上：
在輸電電壓下，環保瓦斯 GIS 的就緒度大幅下降 - 110 kV 及以上電壓的故障電流中斷所需的熄弧需求，超過氟酮及乾淨空氣技術目前的能力，而 g³ 氟腈在輸電電壓下仍處於現場試驗階段，而非商業部署階段：

• g³ at 110 kV+：尚未準備好標準規格 - 現場試驗正在進行中；截至 2025 年，110 kV 全故障中斷負載尚未獲得 IEC 62271-1 類型測試認證
• 110 kV+ 下的所有其他生態氣體：尚未就緒 - 基本熄弧限制

依應用條件的就緒度

客戶案例：中國福建一個海上風力發電併網項目的開發商與 Bepto 聯繫，評估為 300 MW 海上風力發電場提供服務的 35 kV 集電變站的環保氣體 GIS。該項目的規格要求 GIS 絕緣氣體的 GWP < 10，以滿足項目對融資財團的 ESG 承諾。Bepto 的應用工程團隊評估了現場條件 - 環境溫度範圍 -5°C 至 +38°C、鹽霧環境、需要 IEC 62271-200 完整型式測試認證 - 並建議使用 35 kV 的 g³ 氟腈 GIS，並針對 -5°C 的最低溫度條件指定外殼抗凝加熱。指定 g³ 混合物的液化溫度 (工作壓力下為 -18°C)，提供了高於現場最低溫度的足夠餘量。該專案指定並採購了 g³ GIS；調試完成後未發生氣體相關問題。GWP 合規性已記錄在 ESG 融資報告中。.

應用	g³ 準備就緒	g² 準備就緒	清潔空氣準備
室內都市變電站 (12-24 kV)	準備就緒	有條件	準備就（空間許可）
戶外變電站，溫帶氣候	有條件（需要加熱）	不推薦	準備就緒
離岸 / 海岸 (鹽霧)	備有密封外殼	不推薦	準備就緒
寒冷氣候 (< -20°C 環境溫度)	不推薦	不推薦	準備就緒
可再生能源集電器 (35 kV)	有條件	不推薦	有限責任
傳輸變電站 (110 kV+)	尚未準備好	尚未準備好	尚未準備好

如何評估和指定用於可再生能源和電網升級專案的 Eco-Gas GIS？

步驟 1：定義法規和 ESG 要求

• 確認專案管轄區內適用的 SF6 法規 - 歐盟 F-Gas 法規逐步減少的時間表、國家等同法規或專案特定的 ESG 要求
• 確定最大允許 GWP - 歐盟 F-Gas 法規規定，自 2030 年起，在有替代品的電壓等級中，禁止使用 SF6 的新 GIS；ESG 融資要求通常規定 GWP < 10 或 GWP < 1
• 在專案規格中記錄法規要求 - 這是驅使選擇環保瓦斯的不可商榷的限制條件

步驟 2：針對液變風險評估工地氣候條件

• 根據氣象記錄確定安裝地點的最低環境溫度 - 使用 50 年一遇的最低溫度，而非平均冬季最低溫度
• 在指定的操作壓力下，比較現場最低溫度與各候選生態氣體的液化溫度
• 對於 g³氟腈：要求製造商確認特定混合比在指定操作壓力下的液化溫度 - 混合比會影響液化溫度 ±8°C

步驟 3：驗證 IEC 標準認證

要求提交評估的每個環保氣體 GIS 產品都必須通過以下認證：

• IEC 62271-200 型式測試證書 - 確認包括環保氣體絕緣系統在內的完整開關裝置組裝性能
• IEC 62271-1 介電體耐壓測試在指定電壓等級下，使用最低工作壓力的環保氣體 - 確認在最惡劣氣體條件下的介電體性能
• IEC 62271-100 斷路器隔間的短路電流中斷測試 - 確認 eco-gas 的故障中斷能力

步驟 4：評估製造商的現場人數和服務歷史

第二個客戶案例：中國浙江一家電網升級 EPC 承包商的採購經理與 Bepto 聯繫，以評估三份相互競爭的 10 kV 城市配電變電站升級環保氣 GIS 提案。其中兩個方案提供 g³ 氟腈 GIS；一個方案提供清潔空氣 GIS。Bepto 的評估發現，其中一份 g³ 提案缺乏特定混合比例的 IEC 62271-200 型式測試認證 - 製造商認證了不同的混合比例，並將該認證推斷至提案產品。潔淨空氣提案需要一個比現有 SF6 GIS 房間更大的 95% 開關機房 - 實際上不符合改裝專案的限制。第二個 g³ 提案具有完整的 IEC 62271-200 認證，在中國公用事業服務中有超過 800 台的實際使用量，以及 5 年的性能保證。Bepto 推薦並提供了經過認證的 g³ GIS；該項目如期投入使用。.

使用中的 Eco-Gas 和 SF6 GIS 在安裝、維護和壽命終止方面有哪些差異？

安裝差異

• 氣體充填程序：g³ 和 g² 環保混合氣需要專用的氣體處理設備 - SF6 回收裝置不能用於環保氣體；在項目安裝計劃中指定與環保氣體相容的充填設備
• 混合比率驗證：g³ 和 g² 是混合氣體 - 使用製造商指定的氣體分析儀驗證填充後的混合比率；不正確的混合比率會影響介電性能和液化溫度。
• 外殼加熱： g³ 和 g² 安裝在最低環境溫度與液化溫度相差 15°C 之內的氣候條件下，需要使用防結露加熱器 - 在安裝設計中指定加熱器容量、恆溫器設定點和電源供應

保養差異

維護活動	SF6 GIS	g³ Eco-Gas GIS	清潔空氣 GIS
年度氣體密度檢查	密度繼電器 - 標準	密度繼電器 - 已校準的環保氣體	壓力錶 - 標準
維護前的氣體回收	SF6 回收裝置	專用的生態氣體回收裝置	排入大氣（零 GWP）
分解產品管理	IEC 62271-303 完整通訊協定	與 SF6 相似 - PFIB 危害	不需要
氣體品質分析	IEC 60480	製造商特定的協議	不需要
法規報告	年度 SF6 審計	減少 - GWP < 1	不需要

要消除的常見規格錯誤

• 錯誤 1 - 在未進行氣候評估的情況下指定環保瓦斯 GIS：在寒冷氣候下，g³ 和 g² 的液化風險是一種終止服務的故障模式 - 在未根據現場最低溫度確認液化溫度餘量的情況下，切勿進行指定
• 錯誤 2 - 接受從不同混合比例推斷出來的環保氣體認證：IEC 型式測試認證是針對特定的混合比例 - 要求提供確切混合比例的證書
• 錯誤 3 - 假設環保氣體可消除所有分解產物危害：g³ 氟腈在電弧能量下會分解為 PFIB - SF6 所需的有毒分解產物管理協議同樣適用於 g³；清潔空氣是唯一可完全消除此危害的環保氣體。
• 錯誤 4 - 指定 110 kV 的環保瓦斯 GIS，但未經確認故障中斷類型測試：截至 2025 年，尚無環保瓦斯在 110 kV 下取得完整的 IEC 62271-100 故障中斷類型測試認證 - 在未取得此認證的情況下，在輸電電壓下指定環保瓦斯，會產生專案無法承受的合約和技術風險。

總結

在大多數應用條件下，替代性生態瓦斯可在 12 kV 和 24 kV 的 GIS 開關設備中取代 SF6；在適度氣候的 35-40.5 kV 範圍內，只要有適當的規範紀律，替代性生態瓦斯可有條件地取代 SF6；在 110 kV 及以上的電壓範圍內，替代性生態瓦斯尚未準備好執行完全故障中斷任務。可再生能源與電網升級專案將在未來十年內投入使用最多的 GIS 開關設備，這些開關設備主要位於 12-40.5 kV 的電壓範圍內，在這個電壓範圍內，生態瓦斯的就緒狀態是真實存在的 - 但只有在規格強制執行 IEC 62271-200 型式測試認證，以確保混合比例、經氣候驗證的液化溫度餘量，以及製造商的現場實際數據，以區別真正就緒的技術與渴望上市的技術。在確認 IEC 認證的電壓等級下指定生態瓦斯 GIS，根據您所在地點 50 年一遇的最低溫度驗證液化溫度裕度，要求 g³ 安裝的分解產品管理協議，並要求至少 500 台裝置在類似服務條件下的現場使用量證據 - 因為為您的可再生能源專案服務的生態瓦斯轉換是建立在經驗證的性能上，而不是建立在使未經驗證的聲稱具有商業吸引力的法規迫切性上。.

關於替代性環保瓦斯 GIS 開關裝置的常見問題

1. 隨時掌握歐盟對含氟溫室氣體的最新法規要求。. ↩

2. 存取政府間氣候變遷專門委員會有關全球暖化潛力基準的官方資料。. ↩

3. 審閱比較 g3 氣體混合物介電性能的技術資料和學術論文。. ↩

4. 瞭解與氣體分解產品相關的安全規範和毒理數據。. ↩

5. 參考工廠組裝金屬封閉開關裝置和控制裝置的國際標準。. ↩