A Review of Research Progress on Environment-Friendly High-Voltage Power Switchgear
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摘要: 六氟化硫（SF6）是一种强温室效应气体，其全球变暖潜能指数（GWP）为二氧化碳的23 900倍，且大气寿命为3 200 a，被广泛应用于高压开关设备。SF6的大量使用给温室效应问题带来了巨大的潜在威胁，限制其在电力开关设备中的使用是促进绿色电力工业发展的有效途径。近年来，国内外对基于去SF6技术的环保型开关设备开展了大量研究，本文对近年来国内外环保型开关设备的发展现状、趋势、关键技术进行了综述。环保型开关设备开关的发展是基于去SF6技术–环保替代气体绝缘开断和真空开断+环保气体绝缘的发展。总结对比了SF6替代气体C4F7N、C5F10O、全氟化碳类气体（c-C4F8、C3F8、CF4）、CF3I、HFO类气体的绝缘性能、开断性能及分解特性，介绍了现有环保气体绝缘开关设备产品现状及发展趋势。结果表明：环保气体中CF3I和c-C4F8多次放电后产生固体微粒影响其绝缘性能，全氟化碳类气体的弱介电强度制约了其研究进展；对比分析认为，C4F7N、C5F10O是一种前景广阔的气体替代方案，两者混合气体绝缘和开断性能基本满足设备需求，但其绝缘性能对设备内部电场的均匀程度较敏感，且分解过程不可逆产物复杂。目前，高压气体环保绝缘开关设备已发展至170 kV/50 kA，所用的环保混合气体共3类：C5F10O/O2/CO2、C4F7N/O2/CO2、C4F7N/CO2。对真空开断+洁净空气的关键技术进行了阐述，总结了大电流真空电弧磁场控制技术、真空灭弧室内外绝缘技术、真空断路器X射线泄漏及温升特性研究现状，并在此基础上总结了真空开断型环保电力开关设备现状及其未来发展趋势。结果表明：纵磁控制是一种有效的电弧调控手段，但对纵磁下的真空电弧研究主要集中于小间隙；分析认为纵磁控制将是真空开关向更高电压等级发展的一大难点，通过优化真空断路器的分闸曲线可以有效提高纵磁调控效益；真空开关向更高电压等级发展，真空灭弧室内、外绝缘面临巨大挑战，增大触头间隙和采用多断口是目前提高灭弧室内绝缘能力的主要途径，但存在真空绝缘“饱和”和均压困难的问题，环保气体加压和绝缘涂层能有效提高真空灭弧室外绝缘能力，这对开关设备的气密性、真空波纹管提出更高的要求；真空开关向更高电压等级发展，额定电流提升，对真空灭弧室散热和X射线屏蔽提出更高的要求，以往研究表明马蹄铁型纵磁触头具有较好的热通流能力。商用单断口真空灭弧室已经发展到了145 kV/40 kA，本文在现有产品的基础上总结了真空开断型环保电力开关设备的发展趋势；并基于目前的研究现状，总结了环保型高压电力开关设备向更高电压等级发展的进一步研究重点：不同故障条件下的环保气体分解特性及其分解产物与绝缘灭弧性能的作用关系，大直径、大开距真空电弧的磁控技术，真空开断型环保电力开关设备绝缘配合优化设计，大电流下真空灭弧室温升控制等亟待研究的内容，旨在为未来环保型电力高压开关设备的开发提供参考。
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关键词:
- SF6替代气体 /
- 真空开断 /
- 环保型电力高压开关设备
Abstract: Sulfur hexafluoride (SF6) is a potent greenhouse gas with a global warming potential index (GWP) of 23 900 times that of carbon dioxide and an atmospheric lifespan of 3 200 years. It is widely used in high-voltage switchgear. The widespread use of SF6 poses a huge potential threat to the greenhouse effect problem, and limiting its use in power switchgear is an effective way to promote the development of the green power industry. The current situation, trends, and critical technologies of environmentally friendly switchgear at home and abroad in recent years were reviewed in this article. The development of environmentally friendly switchgear switches is based on the development of SF6 removal technology-environmentally friendly alternative gas-insulated switching and vacuum breaking + environmentally friendly gas-insulated switching. The insulation performance, breaking performance, and decomposition characteristics of SF6-alternative gas C4F7N, C5F10O, perfluorocarbons (c-C4F8, C3F8, CF4), CF3I, and HFO were summarized and compared. The current status and development trend of existing environmentally friendly gas-insulated switchgear products was introduced. Through comparative analysis, it was recognized that C4F7N, C5F10O are promising alternative gas solutions. The critical technology of vacuum breaking + environmentally friendly gas-insulated was described. The results indicated that solid particles generated after multiple discharges of CF3I and c-C4F8 in environmentally friendly gases affect their insulation performance. The weak dielectric strength of perfluorocarbon gas restricts its research progress. Comparative analysis showed that C4F7N and C5F10O promise gas alternatives, and the insulation and breaking performance of C4F7N and C5F10O mixed gases meet the equipment requirements. However, their insulation performance is sensitive to the uniformity of the internal electric field in the equipment, and the irreversible decomposition process produces complex products. At present, high-voltage gas environmentally friendly insulated switchgear has developed to 170 kV/50 kA, using three types of environmentally friendly mixed gases: C5F10O/O2/CO2, C4F7N/O2/CO2, and C4F7N/CO2. The critical technology of vacuum breaking + environmentally friendly gas-insulated was described. The current research status of high current vacuum arc magnetic field control technology, vacuum arc extinguishing indoor and outdoor insulation technology, vacuum interrupter X-ray leakage and temperature rise characteristics was summarized. Based on this, the current situation and future development trend of vacuum-breaking type environmentally friendly electric switching equipment were summarized. The results indicated that longitudinal magnetic control is an effective method of arc control. However, research on vacuum arcs under longitudinal magnetic fields mainly focuses on small gaps. Analysis suggested that a significant challenge will be developing longitudinal magnetic control for vacuum switches to higher voltage levels. By optimizing the opening curve of vacuum circuit breakers, the efficiency of longitudinal magnetic control can be effectively improved; The development of vacuum switches towards higher voltage levels poses a considerable challenge to vacuum interrupters’ indoor and outdoor insulation. Increasing the contact gap and adopting multiple breaks are currently the main ways to improve the insulation capacity of the arc extinguishing chamber. However, there are problems with vacuum insulation saturation and difficulty in voltage sharing. Environmental friendly gas pressurization and insulation coating can effectively improve the outdoor insulation capacity of vacuum arc extinguishing, which puts forward higher requirements for the airtightness and vacuum bellows of switchgear. The development of vacuum switches towards higher voltage levels and the increased rated current have put forward higher requirements for heat dissipation and X-ray shielding in vacuum interrupters. Previous studies have shown horseshoe-type longitudinal magnetic contacts have good thermal flow capacity. The commercial single break vacuum arc extinguishing chamber has developed to 145 kV/40 kA, and the development trend of vacuum breaking environmentally friendly power switchgear has been summarized based on existing products. Based on the current research status, further research focuses on the development of environmentally friendly high-voltage power switchgear towards higher voltage levels were summarized, including the decomposition characteristics of environmentally friendly gases under different fault conditions and the relationship between their decomposition products and insulation arc extinguishing performance, magnetic control technology for large diameter and large distance vacuum arcs, optimization design of insulation coordination for vacuum breaking environmentally friendly power switchgear, and control of vacuum arc extinguishing room temperature rise under high current, intended to provide a reference for the future development of SF6-free eco-friendly power switchgear. -
“双碳”目标的提出给电力系统带来了若干挑战[1]，其中电力设备的绿色升级是迫切需要解决的问题之一。六氟化硫（SF6）是一种自1947年开始在市场上销售的人造气体，其因不易燃、化学性质稳定、安全、无毒、热稳定好、具有优良的介电强度和灭弧能力[2]而被广泛应用于高压开关设备（如空气绝缘开关设备（AIS）、气体绝缘开关设备（GIS））。然而，《京都议定书》指出，SF6具有强温室效应，大气寿命为3 200 a[3]，且其全球变暖潜能指数（GWP）为二氧化碳的23 900倍。SF6的全球大气含量从1994年的3.67 ppt（万亿分之一）增加到2020年的10.41 ppt，由SF6引起的全球温度增加约为0.004 ℃[4]。相关数据表明，中国电力工业的SF6需求量为10 000 t[5]。为解决电力工业发展与大气环境保护之间的矛盾，助力国家“双碳”目标的实现，限制SF6在电力设备中的使用是一条重要途径。
以往的研究中，对无SF6电力开关设备的研究主要分为两个方向：SF6替代气体电力开关设备和真空开断+环保绝缘气体电力开关设备。20世纪70年代末，人们已经开始研究SF6的替代气体[6]，但并不是由环境因素驱动的，而是由SF6特有弱点驱动的，比如绝缘强度对颗粒的敏感性、SF6的成本，以及高压SF6在非常低的环境温度下的有限适用性，但仍然含有一定量的SF6（与N2、CF4和CF2Cl2混合）。近年来，c-C4F8、C4F7N（全氟异丁腈）、C6F12O（全氟己酮）、C5F10O（全氟戊酮）、CF3I等气体与CO2的混合气体，以及与CO2与O2的混合物被研究用于替代SF6。这些新型环保气体因其良好的环保和绝缘性能而受到广泛关注，并在替代SF6气体应用于高压设备上表现出较大的潜力。由于上述气体的液化温度较高，必须与CO2、N2或干燥空气混合作为缓冲气体，以满足设备的最低操作温度。理想情况下，一种先进的环保气体绝缘介质应具有优良的绝缘或灭弧性能、良好的电/热稳定性、材料相容性和生物安全性。目前，在环保气体的绝缘和灭弧特性方面的研究已经取得了很大的进展，证实了C4F7N、C5F10O和C6F12O混合气体具有应用潜力。除了灭弧和绝缘用SF6替代气体的技术外，真空开断技术为电力开关设备去SF6提供了新途径，72.5 kV及以上电压等级的真空断路器快速发展，逐步向开断高电压、大电流方向发展。平高、京东方、Meidensha、Mitsubishi、Toshiba、Simens等国内外输配电制造商在真空断路器研制方面取得了巨大进展。平高集团与西安交通大学合作开发了126 kV/2 500 A/40 kA环保型GIS；Simens公司成功研制了145 kV/40 kA环保型GIS系统；Toshiba和Mitsubishi公司也将真空断路器电压等级提升至84 kV以上；但仍有许多重要问题需要解决。
针对环保型电力高压开关设备的研究主要集中于以环保气体作为绝缘和灭弧介质的环保气体绝缘高压开关设备及真空开断＋环保气体的真空开断型环保电力开关设备，本文总结讨论了两种设备的关键技术和难点。
1. 环保气体绝缘高压开关设备
SF6在电力开关设备中承担着灭弧和绝缘的功能，环保气体绝缘开关设备主要是以低温室效应气体替代SF6气体作为绝缘介质和开断介质的开关设备，C4F7N、C5F10O的混合气体（二氧化碳、氧气）是针对中高压电力设备应用的主要替代气体。研究人员也对全氟化碳类气体（c-C4F8、C3F8、CF4）[7-9]、CF3I、HFO类气体[10-12]等开展了研究，但目前没有已知的商业产品。作为SF6的替代气体，需具备低全球变暖潜能指数、高绝缘强度、良好的灭弧性能、易于获取等特点[13]。表1为上述几种环保气体的基本特性[14]。由于新型环保气体的液化温度较低，因此，目前需与其他气体混合才能用于开关设备；环保气体绝缘开关设备的发展主要基于对环保替代气体的绝缘性能、开断性能及分解特性的研究。
表 1 环保气体基本特性Table 1 Basic features of environmental gases气体 相对绝缘强度 液化温度/℃ GWP SF6 1.00 –64.0 23 900 C5F10O 1.20 26.9 1 C4F7N 2.00 –4.7 2 100 c-C4F8 1.30～1.40 –8.0 8 700 CF3I 1.20～1.30 –22.5 <5 HFO-1366 1.33 8.0 18 1.1 环保气体关键技术
1.1.1 环保气体的开断性能
气体断路器开断电流的过程中不可避免地会形成电弧，必须在规定的时间内熄灭电弧。气体介质在电弧开断过程中通常经历3个典型的周期：电弧期、热恢复期和介电恢复期。以往研究表明，电力开关在开断电流时的开断性能可以由以下参数推断：瞬态压力、di/dt的开断能力、弧后电流和重燃时间、电弧电阻、电弧电压和电弧击穿及重击穿介质恢复。近期，对用于环保电力设备中的替代气体大电流开断特性的研究主要集中在C4F7N和C5F10O。
Mantilla等[15]比较了C5F10O/O2/CO2（5%/10%/85%）与SF6气体的压力累计特性，发现与SF6相比，替代气体的瞬态压力在冲程的80%处趋于平缓，SF6的瞬态压力在整个行程中几乎呈线性增长。Stoller等[16] 对纯CO2的开断性能进行了仿真与实验研究，探究了纯CO2在不同测试条件下的压力累计特性。Hermosillo等[17]研究表明，C4F7N/CO2产生的瞬态压力更大（比SF6多30%），仅仅通过压力的积累不足以判别气体的开断性能。Mantilla等[15]研究了SF6、CO2 和C5F10O混合物的热开断能力，发现所用气体的热开断性能与delta 瞬态压气压力升高直接相关。
开关设备的热开断能力可以通过电流时间导数（di/dt）反映。Mantilla等[15]研究了SF6、CO2和 C5F10O混合气体的热开断能力，发现SF6的di/dt开断能力最高，其次是C5F10O/O2/CO2混合气体。Stoller等[18]对C5F10O混合气体、CO2混合气体及SF6气体的开断性能进行了测试，图1给出了相对di/dt与电流过零点时断路器内部压强的关系，虚线代表断路器测试设备在每种气体或混合气体的测试中未能开断的最低di/dt水平。由图1可知，在任何给定压力下，CO2和C5F10O混合气体可开断的最大di/dt约为SF6的70%。Zhang等[19]对替代气体混合中氧气的作用进行了研究，发现氧气的存在可以减少气态有毒副产物、烟灰，以及通过提高瞬态压力来增强di/dt的开断能力。
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在所有其他参数保持不变，瞬态恢复电压相同的条件下，弧后电流（PAC）越低，断路器的开断能力越高。Mantilla等[20]对C5F10O混合气体的PAC进行测量，通过PAC的幅值及达到最大值的时间推断测试气体的开断性能，发现尽管C5F10O混合气体的PAC高于SF6气体，但差距较小。对C4F7N混合气体进行L75测试，发现C4F7N混合气体的 PAC 表现出相当高的 PAC幅度，最高可达10 A。对于1 kA或3 kA等小电流， ABB公司对C5F10O混合气体进行了开断试验，并对其弧后电流进行了测量。王佳田等[21]测量试验断路器开断电流时的电弧电压及电弧电导，研究了C4F7N/CO2混合气体的开断特性，结果表明，增大C4F7N含量及气体压强可以增强混合气体的开断性能。GE公司对C4F7N/CO2（4%/96%）和SF6进行了灭弧试验，结果表明，二者灭弧性能相当[22]。
一旦电流开断，断路器需要承受其端子之间的瞬时电压，否则将发生重新点火或重新击穿。Radisavljevic等[23]对C4F7N/O2/CO2、C5F10O/O2/CO2及CO2/O2混合气体进行了动态介电耐受试验，额定电流为31.5 kA，图2为10%和30%额定短路电流下的介电恢复能力比较。由图2可知：所有混合气体表现出类似的恢复特性，其中，CO2/O2表现出最低的介电恢复能力，其次是C5F10O混合气体，C4F7N混合气体的介电恢复能力最强。Stoller等[18]测试了4 kA、12 kA和30 kA下，C5F10O混合气体、CO2混合气体及SF6的介电耐受能力，研究表明，测试气体开断中小电流时，SF6的耐压能力最高，其次是C5F10O混合气体和CO2混合气体。测试气体开断大电流时，所有测试气体的介电耐受能力相差不大。
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如今，通过建模仿真手段可以更好地了解高压断路器在燃弧阶段和弧后阶段发生的潜在物理特性。Liu等[24]通过仿真分析发现，质量密度和比热的乘积（ρCp）会在湍流热导率中产生相应的峰值，从而导致宽径向温度分布和大圆弧半径；为获得最佳热开断性能，ρCp在低于传导温度（4 000 K）时应尽可能大，在较高温度下应尽可能小，并提出将ρCp作为评价气体开断性能的指标。图3为SF6替代气体与SF6之间的ρCp比较[25]。由图3可知： C5F10O 和 C4F7N具有良好的灭弧性能；C4F7N/CO2 混合气体在 7 000 K 附近有一个峰值（CO2分解所致），可能对灭弧性能产生负面影响。Ye等[26]使用计算流体动力学（CFD）研究了SF6、C5F10O/CO2/O2和 CO2/O2气体特性对热开断能力的影响，提出将局部气体速度和密度的虚拟质量流作为开断性能的评价指标。
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目前，也有许多对CF3I和全氟化碳类气体开断性能的研究。高小飞等[27]通过测量电弧电阻对c-C4F9气体及其混合气体的灭弧性能进行探究，结果表明，c-C4F9气体的灭弧性能优于自然气体（N2、CO2），且随着混合气体中的其他成分的增加，灭弧性能会有所减弱。Kasuya等[28]探究了CF3I与N2和CO2的混合气体在不同电流下的开断能力，如图4所示，其中，BTF表示断路器端子故障，SLF表示短线故障；由图4可知，CF3I 混合物不能用于高压气体断路器开断大电流的情况，且发现CF3I电弧放电期间会产生大量固体 I2。Taki等[29]通过实验比较了各种气体的电弧时间常数和损耗因数，其中，电弧时间常数大小排列为SF6<CF3I<CO2<H2<空气<N2，损耗因数大小排列为H2>SF6>CO2>空气>N2>CF3I。赵小令[30]建立了CF3I气体喷口交流电弧瞬态开断模型，结合物性参数研究了其开断性能，发现CF3I气体的热开断性能达到SF6气体的93%。CF3I气体在燃弧过程中产生大量的固体I2，不适于开断大电流，因此，全氟化碳类气体开断性能在介电强度方面没有明显优势，制约了其研究进展。
图 4 CF3I 与 N2 和 CO2 混合物的相对开断能力Fig. 4 Relative breaking capacity of CF3I with N2 and CO2 mixture下载:
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1.1.2 环保气体的绝缘性能
国内外众多研究者对新型环保气体的绝缘性能开展了很多研究，注意针对击穿特性、局部放电特性、雷电冲击特性等方面。
全氟化碳类气体相较于SF6气体具有更好的绝缘性能，且GWP值相对于SF6更低，但由于全氟化碳类气体沸点的限制，需要与其余气体混合使用。Takuma等[31]测试了c-C4F8和N2混合气体的击穿电压，结果表明c-C4F8气体在均匀电场下的绝缘性能是SF6气体的1.18～1.25倍。Wada等[32]测试了4种全氟化碳气体（c-C4F8、C3F6、C3F8和C2F6）及其混合气体（CO2、N2）在板–板电极的交流电压下的击穿行为，发现当环境温度在–20 ℃以上时，混合气体的绝缘性能可以达到SF6的70%，GWP降低30%。Zhao等[33]研究了c-C4F8/N2混合气体在雷电冲击电压下的协同效应，结果表明负脉冲下的气体击穿电压低于正脉冲下的气体击穿电压。邓先钦等[34]探究了稍不均匀电场下c-C4F8/N2混合气体的绝缘性能，气体击穿电压随着气体气压及c-C4F8占比的提高而增加，且绝缘性能与SF6相当。Wu[35]和Liu[36]等使用蒙特卡洛法计算了c-C4F8/N2混合气体在脉冲放电下的临界击穿场强，结果表明c-C4F8/N2混合气体的绝缘性能与SF6/N2混合气体的绝缘性能相当。张然等[37]测量了不同混合比下c-C4F8/N2混合气体的击穿电压和闪络电压，可知混合比为20%时，测试气体的击穿电压和闪络电压分别为纯SF6的0.6倍和0.7倍；c-C4F8放电过程中有碳微粒产出，一定程度上影响了绝缘恢复能力。综上可知，随着缓冲气体的加入，全氟化碳类混合气体的绝缘性能也有所下降。
CF3I气体具有良好的电子附着能力，电子群参数计算表明，其临界击穿场强高于SF6。从2010年开始，研究人员陆续探索将其应用于电气设备的可能性。赵谡[38]和Li[39]等通过求解Boltzmann方程探究了CF3I与N2、CO2的协同作用及CF3I混合气体的绝缘性能。Kamarudin等[40]测试了CF3I和CO2混合气体（30%/70%）在3种电极下的雷电冲击电压特性。Tu等[41]测试了CF3I和N2混合气体在均匀电场中的击穿特性，发现CF3I放电过程中产生的碘微粒会影响其绝缘性能。Zhang等[42]测试了CF3I/N2混合气体在不同电场和混合比下的工频击穿电压，发现0.3 MPa的30%CF3I/70%N2混合气体可替代设备中的纯SF6。
2015年，ABB公司首次提出考虑使用C5F10O或与其他气体作为绝缘介质。Alstom和3M公司合作测试了C4F7N/CO2混合气体在145 kV GIS中的工频介电强度，结果表明，18%～20%含量的C4F7N混合气体介电强度与纯SF6相当[43]。Nechmi等[44]探究了C4F7N/CO2（3.7%/96.3%）混合气体在均匀、准均匀和不均匀电场下的雷电冲击特性和工频击穿特性。Owens[45]探究了C4F7N混合气体的击穿特性，发现C4F7N与CO2的介电强度最好。胡世卓等[46-47]探究了均匀电场下C4F7N/CO2及C4F7N/N2的工频击穿特性，发现这两种混合气体的绝缘强度均随C4F7N含量的增加而增加，C4F7N/CO2的混合气体协同作用强于C4F7N/N2混合气体，C4F7N/N2混合气体在多次放电后，会产生碳微粒，不利于气体绝缘。李兴文等[48]探究了气体配比和压力对C4F7N/CO2和C5F10O/CO2混合气体绝缘性能的影响，并得到了两种混合气体的临界击穿场强数据；结果表明，同等条件下C4F7N/CO2的绝缘特性强于C5F10O/CO2混合气体。Zhang等[49]研究了C4F7N/CO2混合气体与SF6在交流电压下的击穿强度和局部放电特性，可知：在均匀场中，15%C4F7N的混合气体可达到与100 kPa下SF6的介电强度；在非均匀场中，C4F7N混合气体的介电性能远低于SF6。Tu[50]、Wang[51]、王璁[52]、Ai[53]等对准均匀和极不均匀电场下C4F7N/CO2混合气体的绝缘性能进行了深入研究，可知：准均匀电场中，C4F7N/CO2混合气体正、负击穿电压及局部放电起始电压表现出明显的极性效应；极不均匀电场中，C4F7N/CO2混合气体的局部放电起始电压随气压变化表现出“驼峰效应”，C4F7N/CO2（4%/96%）和C4F7N/CO2（8%/92%）混合气体的局部放电起始电压高于SF6。Xiao等[54]通过计算和实验研究了电场对不同气压和混合比的C4F7N/CO2混合气体的影响，发现C4F7N/CO2混合气体的电场敏感性远高于SF6和CO2，在非均匀电场下容易出现局部放电，C4F7N/CO2混合气体的绝缘性能极易受到电气设备内部电场的影响，需要优化设备内部结构以避免电场不均匀。
Mantilla等[55]发现，5%C5F10O和空气的混合物在0.7 MPa时的50%正雷电冲击击穿电压与0.4 MPa纯SF6的击穿电压相当。Simka和Ranjan[56]在准均匀电场下测试了C5F10O和空气的击穿强度，发现0.7 MPa5.2%C5F10O的混合气体的临界击穿强度与0.45 MPa纯SF6相当。Zhang等[57]探究了C5F10O/空气和C5F10O/N2混合气体的工频击穿特性，发现C5F10O/空气混合气体的交流击穿电压高于C5F10O/N2混合气体。王小华等[58]探究了总压0.1～0.5 MPa下不同C5F10O含量对混合气体工频耐受及雷电冲击性能的影响，发现总压0.5 MPa下8%C5F10O混合气体的正、负极雷电冲击电压分别为0.3 MPa纯SF6的88.9%和89.9%。
1.1.3 环保气体的分解特性
Mantilla等[59]计算了典型开断过程中C4F7N/CO2的分解过程，结果如图5所示；由图5可知，在触头分离之后，燃弧过程中，气体分子分解为原子、离子和电子，电流过零点附近，极间温度降低，离子、电子重新结合为原子，原子重新合成分子，从而产生最高的电导率值；电流过零点（CZ）附近，由于弧柱区域温度降低，离子和电子重新结合为CO、CF4、N2和COF2，在其计算中，假设C4F7N被完全消耗。Zhang等[60]对C4F7N/CO2进行了交流击穿测试，检测到了CO、CF4、C2F4、C2F6、C3F6、C3F8、C4F6、C4F10、C2N2、CF3CN、C2F5CN、HCN和HF产物，如图6所示, CO、CF4、C2F6和C3F6的含量随分解次数的增加呈线性增加，2 000次放电分解后，CO含量最高，其次是CF4、C2F6和C3F8。Li等[61]对C4F7N/N2混合气体进行了交流击穿测试，检测到了CF4、C2F6、C3F8、CF3CN、C2F4、C3F6和C2F5CN等产物，其中，C2F6、CF4和CF3CN的含量较高；分解产物含量随着放电次数的增加而增加，电极表面有固体析出，气体多次放电后击穿电压降低。
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Li等[62]计算了纯C5F10O在0.1 MPa时分解过程中的气体组成，如图7所示，可知：在1 000 K左右，C5F10O开始大量分解；在1 000～1 200 K之间发生了强烈的分解反应，C5F10O的分解产物不能发生复合现象。
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1.2 环保气体绝缘高压开关设备产品现状及发展趋势
高压气体环保绝缘开关设备主要包括145/170 kV的电压等级。目前，环保气体绝缘开关设备多在欧洲的变电站使用，这些设备均首次安装，开发仍在继续。LifeGRID已宣布在2022年之前开发基于C4F7N的GIS，最高可达420 kV，采用基于C5F10O的解决方案对380 kV SF6变电站进行整修，并计划到2026年使这些变电站完全不含SF6。使用环保气体进行绝缘和开断，所用的环保混合气体共3类：C5F10O/O2/CO2、C4F7N/O2/CO2、C4F7N/CO2。表2为目前在用的环保气体绝缘开关设备。GE公司采用C4F7N/O2/CO2的配方开发了用于电力系统的g3气体，并将其应用于145 kV/40 kA GIS设备[63]，此款环保GIS设备已经在7个申根区国家的16个变电站应用；截至2018年，共有100个间隔调试完毕。韩国的LSElectric公司采用C4F7N/O2/CO2作为绝缘灭弧气体，开发了170 kV/50 kA的GIS设备[64]，该设备被安装在韩国Wang-gok变电站，于2020年11月完成了设备的调试工作，并于2021年9月正式投运，运行电压为154 kV。ABB公司采用C5F10O/O2/CO2（6%/12%/82%），开发了170 kV/40 kA环保型GIS[32]，该设备已经有8个间隔在瑞士的UW Oerlikon安装调试完成，运行电压为150 kV。
表 2 环保气体开关设备所用气体参数Table 2 Gas parameters used in environmentally gas switchgear气体组成 （绝缘、开断） 额定电 压/kV 额定短路开 断电流/kA 最小工作 温度/℃ 公称压 力/MPa C4F7N/O2/CO2(6%/5%/89%) 145 40 –25 0.85 C4F7N/O2/CO2 170 50 –25 — C4F7N/CO2(5%/95%) 170 50 –25 0.90/CB 0.80/其他 C5F10O/O2/CO2(6%/12%/82%) 170 40 5 0.83/CB 0.78/其他 目前，使用C5F10O/O2/CO2混合气体的72.5 kV/31.5 kA、145 kV/40 kA的无SF6 GIS研发工作也已提上日程。在2021年CIGRE会议上，报告了245 kV/63 kA单断环保气体断路器的研究、开发和测试。
2. 真空开断型环保电力开关设备
真空开断技术及环保气体绝缘技术的快速发展为去SF6开关设备的研发提供了新思路。目前，真空断路器在配电系统中处于主导地位，研究人员正努力将真空开断技术向大电流、高电压方向发展。对真空断路器的开发思路分为两种。一是通过串联多个断路器来实现高压耐受能力，这种方法存在多断路器同步操作困难、均压困难、故障率高的问题。二是通过增大触头直径和触头间隙长度提高单断口真空断路器的额定电压；目前，单断口真空断路器的开断已经发展到145 kV/40 kA。2018年，Simens推出了175 kV/50 kA和245 kV/63 kA单断真空断路器概念机[65]。
2.1 高电压等级真空开断关键技术
2.1.1 大电流真空电弧磁场控制技术
当真空断路器开断小电流时（不高于10 kA），真空电弧处于扩散态；当真空断路器开断大电流时，电弧会呈现收缩态。扩散电弧产生的烧蚀轻微且弧后绝缘强度恢复较快，而收缩态电弧导致阳极局部温度过高进而造成阳极严重烧蚀，并可能由于在电流为0时极间仍存在金属液滴而导致电弧重燃。为提高真空断路器开断大电流的能力，研究者们通过包括横向磁场（TMF）[66]、纵向磁场（AMF）[67]或橫向磁场与纵向磁场[68]相结合的磁控技术减弱真空电弧收缩，其中纵向磁场被广泛应用于高压真空断路器。Wang等[69]计算和分析了1/2匝线圈型触头、2/3匝线圈型触头、1/3匝线圈型触头和杯型触头的磁场分布，结果如图8所示，由图8可知，线圈型触头的AMF强度远大于杯型触头，电流过零时刻残余AMF从弱到强的顺序是杯式触头、1/3匝线圈式触头、1/2匝线圈式触头和2/3匝线圈式触头；图9为电流峰值4种触头的电弧形态，在相同的电流下，杯型触头的电弧收缩最严重，2/3匝线圈型触头的电弧几乎没有收缩。Li等[70]研究了126 kV单断口真空断路器（2/3匝线圈式纵磁触头）在开断40 kA（rms）的额定短路电流时对AMF的依赖。Zhang等[71]探究了AMF对多断口断路器同步和异步合闸过程中均压的影响，发现AMF可以有效改善多断口真空断路器在同步和异步合闸过程中的电压分布。Zhao等[72]通过建模仿真的手段探究了触头槽数、触杯斜槽角度、触头槽长度、中心工艺孔对真空电弧区等离子参数分布特征的影响，并提出将新结构触头用于提高真空断路器的开断能力。
由于纵向磁场作用强度随着触头间隙的增加而显著降低，因此纵向磁场对真空电弧的控制作用受触头分闸速度的影响。通过优化真空断路器的分闸曲线可以提高真空断路器的开断性能，分闸曲线以避过电弧燃烧过程中的强电弧模式为目标。Miller[73]讨论了真空电弧中可能发生的7种不同的阳极放电模式，结果表明，开断初始时刻加快分闸速度可以避免阳极斑点的形成。Li等[70]基于试验结果，提出马鞍形轴向磁场下126 kV真空断路器三区间分闸速度的定量设计方法，分闸曲线如图10所示，由图10可知：触头刚分时刻，分闸速度最快，以避过小间隙收缩态；随后以较小的速度分离触头，电弧处于扩散态，在触头达到最大开距前，分闸速度进一步降低以减少机械冲击。Heinz等[74]探究了真空断路器高压领域下，分闸曲线对电弧模式特性的影响，研究表明，优化触头行程曲线是大间隙纵磁触头设计的关键。Yao等[75]针对126 kV单断口真空断路器（2/3匝纵磁触头）提出一种确定高压真空断路器触头分离速度的方法，前1/3间隙的分闸速度为V1，后2/3间隙的分闸速度为V2，结果发现：V1越大，轴向磁通密度越可能低于8.5 mT/kA；V2越小，轴向磁通密度越可能高于6.1 mT/kA，有利于真空断路器的开断。
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2.1.2 真空绝缘技术
在高电压等级真空断路器中，为了满足电压升高对于绝缘强度提出的新要求，主要有两种解决方案：一种是单断口方案，通过增大触头间隙提高电压耐受水平；另一种是多断口方案，通过将多个间隙串联提高电压的耐受水平。
Liao等[76]测试了单断口断路器和多断口断路器击穿电压与触头间隙的关系曲线，可以发现：在SF6气体中，随着间隙的变大，SF6气体能够耐受的电压呈线性增长；但是真空中，间隙耐受电压的水平并不随着间隙距离线性增长；当间隙距离为3 mm时，能够承受的电压约为70 kV；但当间隙距离升高至6 mm时，其击穿电压远小于140 kV。Zhang等[77]研究了接触间隙（d）为10至50 mm的真空灭弧室的雷电冲击电压击穿特性及触头参数（触头直径、触头表面粗糙度、触头曲率半径）对击穿特性的影响；不同间隙下的真空灭弧室雷电击穿电压如图11所示，可以发现，真空中间隙耐受电压的水平并不随间隙距离线性增长，触头曲率半径2 mm的真空灭弧室的50%击穿电压小于触头曲率半径6 mm的真空灭弧室，触头粗糙度及触头直径对真空灭弧室的50%击穿电压影响不大。Feng等[78]探究了沉积在陶瓷内表面上的金属蒸气对真空灭弧室中心屏蔽层和端屏蔽层之间的绝缘性能的影响，发现陶瓷内表面金属沉积物使中心屏蔽层和端屏蔽层之间的绝缘能力降低。
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多断口真空断路器将多个间隙串联，这样能够使最终的击穿电压值约等于各“子断口”击穿电压值之和。借助电磁斥力执行器，真空开断技术可以实现快速电流开断，简称快速真空开断技术，可以将开断时间减少到故障电流的半个周期[79-80]。快速真空开断技术在超高压或特高压网络中多采用多断路串联技术，其已应用至500 kV以上的直流断路器[81-84]和252 kV交流母线断路器[85]，以及目前在开发的363 kV快速真空断路器[86-87]。对于相同的电压等级，各子断口间隙距离之和能小于单断口布置下的间隙距离。但是，多断口真空断路器的电压均匀分布成为了一大挑战，为了保证各断口承受的电压值相等，需要并联均压电容器来保证电压的均匀分布，而这将大大增大断路器设计的复杂程度，对于断路器的可靠性也有不利影响。
2.1.3 真空断路器的温升特性
真空灭弧室中触头被密封在真空环境中，真空度低至10–4 Pa。由于真空无法导热，真空灭弧室中的热量只能以热传导的方式，通过导电杆传导至真空灭弧室外部。随着额定电流的增大，真空灭弧室的温升问题也逐渐显露，如果温升得不到较好的控制，积聚的热量将对材料的机械和电气性能产生较大影响。
陈剑光等[88]研究发现，断路器导电回路材料、断路器相间距离、安装工艺都会影响大电流真空断路器温升。马朝阳等[89]对采用4种不同纵磁触的126 kV真空断路器在3 150 A下的温升表现进行计算与对比，发现开槽马蹄铁型纵磁触头在4种类型的触头中具有好的通流能力。Matsukawa等[90]研制了一种水冷式真空断路器，上下为不对称结构，以便在线圈内形成水冷通道，并通过实验验证了其温升得到了一定的控制，载流能力得到了提高。Yamano等[91]在真空断路器的固定导电杆中加入热管，在2 000 A电流120 min的测试中，最高温度由未安装热管的185 ℃降低到安装了热管的130 ℃。Yu等[92]提出了一种新型的363 kV/ 5 000 A / 63kA串并联结构的SF6气体绝缘真空断路器，通过建立3维电磁–热–流体耦合有限元模型并进行实验验证，发现接触电阻对整体温升影响较大。Lv等[93]建立了126 kV/40 kA的电–热耦合模型，探究了2/3匝线圈式和马蹄铁型纵磁触头真空断路器的热性能，结果表明，马蹄铁型纵磁触头的断路器温升远低于2/3匝线圈式触头的断路器；并在此基础上提出一种新的高压真空断路器结构，将静导电杆与其支架之间的弹簧连接改为固定连接。
2.1.4 真空断路器X射线泄漏
真空断路器进行电弧开断时，可能会有X射线产生。真空断路器被认为是杂散辐射源，开断大电流时，在局部强电场作用下，阴极表面发射电子，电子在电极间被加速，电子撞击真空断路器的阳极，此时会发生软X射线发射及特定材料的特征辐射。X射线辐射水平主要取决于外加电压和触头间隙，更高的电压会导致更高的X射线辐射，而更大的触头间隙（在相同电压下）会降低X射线的发射水平[94]。在外加工频电压为126、150及170 kV情况下，当触头间隙为20 mm时，X射线辐射剂量分别为2.9、14.4和29.0 μSv；当触头间隙为30 mm时，X射线辐射剂量分别为0.75、3.3和11.5 μSv。IEC62271–1标准规定126 kV时的X射线辐射应小于5 µSv/h，在额定电压145 kV时，真空灭弧室可以满足IEC62271–1标准中与X射线发射有关的要求[95]。图12为Siemens145 kV新旧高压真空灭弧室的X射线辐射剂量随外加电压的变化[95]，对于较高的电压，测量到的X射线辐射开始占据主导地位。然而，额定（145 kV）和工频耐受电压（275 kV）下的辐射值明显低于相关的IEC限值5 µSv/h和150 µSv/h。
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2.1.5 真空灭弧室的外绝缘
真空灭弧室通常设计紧凑，为了满足断路器的绝缘要求，有必要使用外部绝缘介质。
中等电压水平的真空断路器，外部绝缘介质的使用与否取决于不同制造商的应用和设计，在高电压水平下，所有商用真空断路器都需要额外的外部绝缘介质，高压真空断路器可以采用油、气体和固体外绝缘材料。第1个商用高压真空断路器设计使用SF6气体作为外部绝缘介质，自1997年COP3（《京都议定书》）将SF6气体定义为全球变暖气体之后，其他外部绝缘介质——N2、洁净空气、固体绝缘被探索和应用 （商用高压真空断路器和正在开发的产品所使用的外部绝缘介质）。Rokunohe等[96]探究了不同O2比例下N2/O2混合气体的介电强度，并研究了绝缘涂层对介电性能的影响，结果表明，在涂层条件下，洁净空气的介电强度等于10% （SF6/N2）混合气体的介电性能。
由于与SF6相比，N2、洁净空气的绝缘强度较弱，真空灭弧室的外部绝缘介质需要更高的压力来保持真空断路器的紧凑设计。商用高压开关设备的典型气体压力值范围为0.8至1.0 MPa，真空断路器的设计必须能够承受更高的压力值。
此外，替代气体的分子比SF6的分子要小，整个断路器的设计必须考虑不同替代气体的渗透性。与气体断路器不同，以气体为外绝缘介质的真空断路器不会产生开断副产品，对于真空断路器，气体只有绝缘功能，没有开断功能。
2.2 真空开断型环保电力开关设备产品现状及发展趋势
真空开断型环保电力开关设备的开发基于真空断路器的发展，目前单断口真空断路器的商业化产品水平已经发展到145 kV/40 kA。2018年，Siemens推出了175 kV/50 kA和245 kV/63 kA单断真空断路器概念机，但目前并未有成熟产品。表3为国内外制造商生产的高电压等级真空灭弧室产品数据[13]。
表 3 真空灭弧室制造商的高压真空灭弧室参数[13]Table 3 High voltage vacuum interrupter parameters of the equipment vendors in the market[13]制造商 额定电压/kV 额定电流/A 额定短路开断 电流/kA 触头开距/ mm 宝光 72.5 2 500 31.5 34/38 126.0 2 000 40.0 60 145.0 2 500 40.0 60 平高 126.0 2 500 40.0 55 京东方 72.5 2 000 31.5 30 126.0 3 000 31.5 50 旭光 72.5 2 500 31.5 37 72.5 3 125 50.0 31 Meidensha 72.5 2 000 40.0 — 145.0 3 150 40.0 — Mitsubishi 84.0 — — — Toshiba 72.5～126.0 1 250～2 500 20.0～40.0 — Simens 72.5 1 250 40.0 — 145.0 3 150 40.0 — 自2000年以来，无SF6外绝缘高压真空断路器迅速发展，N2、洁净空气（约80%N2和20%O2，不含水分和惰性气体）因其良好的绝缘性能和经济性而被视为真空断路器外绝缘替代气体。如今，用于AIS和GIS的高达145 kV电压等级的商用产品已被研制。Simens公司在2010年首先研制出72.5 kV/31.5 kA（外绝缘采用0.21 MPa N2）Blue GIS，此设备已经在很多国家投入使用；2020年开始，一台72.5 kV Blue GIS在中国大陆近海风机电站投入使用，同时有80台将在中国台湾投入运行。后续Siemens公司又开发出了145 kV/40 kA瓷柱式真空断路器，图13为在河南翔云变电站运行中应用该型号145 kV真空断路器。此外，Siemens公司还采用洁净空气作为外绝缘，成功研制出145 kV/40 kA Blue GIS，如图14所示。日立公司采用C4F7N/CO2/O2混合气体作为真空灭弧室的外绝缘，研制出145 kV/50 kA EconiQ GIS，该产品开断和绝缘性能好，且设备占地小，气体压力小，但外绝缘气体自恢复能力差且易产生碳微粒。日本明电舍公司基于干燥空气研制出145 kV/40 kA罐式断路器，设备开断性能良好，且故障后自恢复能力强。
图 13 河南翔云变电站运行中的145 kV真空断路器Fig. 13 145 kV vacuum circuit breaker in Henan Xiangyun Substation下载:
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图 14 Siemens公司8VN1型 145 kV Blue GISFig. 14 Siemens 8VN1 145 kV Blue GIS下载:
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国内厂家也积极开展真空开断型环保电力开关设备的开发工作。平高集团采用N2作为外绝缘气体，研制出145 kV/40 kA瓷柱式真空断路器，开断与环保性能好，自恢复能力强，如图15所示。同时，以CO2作为外绝缘气体，平高集团已成功研制126 kV/40 kA GIS，此设备成本低，运维简单，但当开断小电流时，CO2易产生碳微粒进而影响其绝缘性能，如图16所示。广东电网公司的126 kV/50 kA GIS（以合成空气绝缘）已处于研发阶段，并计划于2023年投运。西电集团也开始了126 kV/40 kA GIS（以C4F7N/CO2绝缘）的研发工作。
图 15 平高集团在运的126 kV瓷柱式真空断路器Fig. 15 126 kV porcelain pillar vacuum circuit breaker in operation by Pinggao Group下载:
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图 16 平高集团 126 kV/40 kA GISFig. 16 Pinggao Group 126 kV/40 kA GIS下载:
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目前，单断口真空灭弧型GIS电压等级最高已经到达145 kV，最大短路开断电流为40 kA，且绝缘介质为环保气体。中国现有最高等级真空灭弧GIS已经达到126 kV，额定短路电流也已经达到40 kA，与世界最高水平相差不多。双断口真空灭弧型GIS最高到达204 kV，但是绝缘介质采用的是SF6气体。在真空断路器的发展过程中，170 kV/50 kA的真空灭弧型环保GIS已经接近完成，Siemens和ILJIN Electric联合开发了一台170 kV/50 kA环保GIS，已经通过型式试验，但是尚未推向商业市场。Siemens公司170 kV/50 kA和245 kV/63 kA的单断口真空灭弧室正在开发中，并于2018年在CIGRE会议上展示了原型，Siemens公司将基于此真空灭弧室开发245 kV的瓷柱式真空断路器和环保型GIS。基于245 kV单断口真空灭弧室，可以通过串联实现420 kV和550 kV的双断口真空灭弧室，进而开发420 kV和550 kV的真空断路器与环保GIS。
3. 结 论
梳理分析了环保型高压电力开关设备研究现状，回顾了环保气体绝缘开关设备中替代气体的绝缘性能、开断性能及分解特性的研究，分析了真空开断型环保电力开关设备的关键技术——真空电弧磁场控制技术，断路器内、外绝缘技术，设备温升特性及X射线泄漏问题，并总结了环保型高压电力开关设备产品现状。根据作者的思考，提出进一步研究重点及建议供参考：
1）C5F10O和C4F7N两种混合气体的相关研究表明其绝缘和开断性能基本满足设备需求，但这些气体放电情况下副产物复杂，需要考虑其分解产物与断路器内部组件的反应及对灭弧性能的影响，且缺少C5F10O和C4F7N与其他气体混合的协同效应分析。
2）需要进一步明确环保气体绝缘介质在运行过程中不同故障条件下的分解特性， C5F10O的绝缘性能研究较少，仍需对沿面绝缘特性开展大量研究，以对新型环保设备的绝缘设计提供依据。
3）大开距真空电弧磁场控制作用减弱，需要探究大直径、大开距真空电弧的磁控技术，深入研究分闸特性与极间磁场的配合，进而提出面向252 kV真空灭弧室的分闸特性曲线。
4）采用洁净空气作为真空开断型环保电力开关设备的外绝缘，由于与SF6相比，洁净空气的绝缘强度较弱，真空灭弧室的外部绝缘介质需要更高的压力来保持真空断路器的紧凑设计，这对开关设备的气密性、真空波纹管提出了更高的要求，需要对绝缘配合进行优化设计；且在GIS中，以洁净空气或纯N2作为外绝缘，需要进一步优化隔离开关和接地开关的设计以保证其正常开断。
5）真空断路器向开断高电压、更大电流发展，需要探究增加灭弧室的散热或减少发热的途径。
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图 4 CF3I 与 N2 和 CO2 混合物的相对开断能力
Fig. 4 Relative breaking capacity of CF3I with N2 and CO2 mixture
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图 13 河南翔云变电站运行中的145 kV真空断路器
Fig. 13 145 kV vacuum circuit breaker in Henan Xiangyun Substation
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图 14 Siemens公司8VN1型 145 kV Blue GIS
Fig. 14 Siemens 8VN1 145 kV Blue GIS
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图 15 平高集团在运的126 kV瓷柱式真空断路器
Fig. 15 126 kV porcelain pillar vacuum circuit breaker in operation by Pinggao Group
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图 16 平高集团 126 kV/40 kA GIS
Fig. 16 Pinggao Group 126 kV/40 kA GIS
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表 1 环保气体基本特性
Table 1 Basic features of environmental gases
气体 相对绝缘强度 液化温度/℃ GWP SF6 1.00 –64.0 23 900 C5F10O 1.20 26.9 1 C4F7N 2.00 –4.7 2 100 c-C4F8 1.30～1.40 –8.0 8 700 CF3I 1.20～1.30 –22.5 <5 HFO-1366 1.33 8.0 18 表 2 环保气体开关设备所用气体参数
Table 2 Gas parameters used in environmentally gas switchgear
气体组成 （绝缘、开断） 额定电 压/kV 额定短路开 断电流/kA 最小工作 温度/℃ 公称压 力/MPa C4F7N/O2/CO2(6%/5%/89%) 145 40 –25 0.85 C4F7N/O2/CO2 170 50 –25 — C4F7N/CO2(5%/95%) 170 50 –25 0.90/CB 0.80/其他 C5F10O/O2/CO2(6%/12%/82%) 170 40 5 0.83/CB 0.78/其他 表 3 真空灭弧室制造商的高压真空灭弧室参数[13]
Table 3 High voltage vacuum interrupter parameters of the equipment vendors in the market[13]
制造商 额定电压/kV 额定电流/A 额定短路开断 电流/kA 触头开距/ mm 宝光 72.5 2 500 31.5 34/38 126.0 2 000 40.0 60 145.0 2 500 40.0 60 平高 126.0 2 500 40.0 55 京东方 72.5 2 000 31.5 30 126.0 3 000 31.5 50 旭光 72.5 2 500 31.5 37 72.5 3 125 50.0 31 Meidensha 72.5 2 000 40.0 — 145.0 3 150 40.0 — Mitsubishi 84.0 — — — Toshiba 72.5～126.0 1 250～2 500 20.0～40.0 — Simens 72.5 1 250 40.0 — 145.0 3 150 40.0 — -
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