中国承诺将在2030年前实现碳排放达峰，并在2060年实现碳中和。开关设备作为电力从产生到应用的核心产品，数量庞大，作为国民经济的重要做成部分，开关设备及其上下游配套产业占国民生产比重大，开关设备的生产、应用、运维到最终的报废等各个环节都需要消耗大量资源。在“双碳”背景下，开关设备的不仅要更、广泛的服务于绿色清洁能源的生产、环保设备的使用，还需要实现开关设备自身的全寿命周期低碳、环保。推进环境友好型产品、紧凑可靠型产品、智能感知型产品的研发、应用是实现双碳目标的重要举措。
环境友好型产品，顾名思义是开关设备在全寿命周期都能够做到节能、环保，使用无毒无害、可降解环保材料，材料用量少，运行损耗低，产品寿命结束后材料可回收再利用。
开关设备生产过程中，需要使用绝缘材料、金属材料、喷涂材料等，同时生产过程中需要浇注、机械加工、表面处理、装配等工艺、工序，消耗电、水等能源，如固体绝缘开关柜、断路器固封极柱等采用大量环氧树脂，而环氧树脂中生产过程中有以下问题：
（1）产品浇注过程需要采用有毒有害的脱模剂等材料；
（2）固化时间长，生产效率低，能耗大。
使用热塑性工程塑料材料具有重量轻、强度高、生产效率高的优点。由于生产效率高，单位产品碳排放当量相对就小，ABB开关柜工程塑料环保解决方案，热塑性绝缘件的生产过程有效降低能耗，可减少 50% 以上的二氧化碳排放量，以一个由14台iUniGear开关设备组成的典型变电站为例，在30年的寿命周期内，其节约的能耗相当于150吨二氧化碳的排放量。
施耐德电气发布了具有行业前瞻性的绿色产品认证标志-Green Premium，不仅要求产品不使用有毒有害物质，而且能源使用率及碳排放当量方面有严格的要求，产品从生产到降解阶段的全寿命周期环境影响信息都可以查询，符合ISO 14020 《环境标志和声明通用原则》、ISO14021《环境标志和声明自我环境声明（II型环境标志）》，符合欧盟RoHs（电子电气产品有毒有害物质的限制）、REACH（化学品的注册，评估，授权和限制）以及中国法律法规的要求，并提供PEP（产品环境概貌）和EoLI（寿命终结处理说明书）等环境信息。
施耐德EasyPact EXE真空断路器，见图1，就是-Green PremiumTM认证产品，额定电压17.5 kV，开断电流31.5 kA，额定电流大到2500A，EasyPact EXE中使用的材料、绝缘体和导体均经过识别，可以轻松地分离和回收，符合新环境法规要求，生态标签Green Premium。极柱安装采用绝缘支撑开放式结构， 支撑和绝缘屏蔽功能分开，增强尼龙材质作为极柱支撑，受力点加强设计，薄壁相间绝缘屏蔽，不受力，总体材料使用少，每相极柱绝缘材料用量仅为3.1公斤，而固封极柱环氧材料的使用量达7公斤，同时尼龙材质可回收循环使用；面板和机构支撑板采用工程塑料ABS材质模压板取代金属，重量轻，金属用量少，同样ABS可以回收再利用，消耗资源少。
VS1和EXE断路器材料重量组成，见图2。VS1断路器总重量148kg，而EXE断路器总重量只有126kg，EXE断路器在铜、钢材等使用上都比较少，最重要的是VS1断路器使用了28kg的环氧及辅助材料，而EXE仅使用了17kg的可回收利用的尼龙材料，环保性显而易见。
(1) 环保气体替代SF6气体作为绝缘介质是开关柜的必然趋势，而如何替代却是众说纷纭，如上所述，固体绝缘生产过程中能耗巨大，不利于环境保护。比较而言，应用环保气体加真空灭弧更环保，对于高电压、大电流应用是替代SF6气体的有效途径。对于中压环网柜的应用，如果某种替代气体可以开断有功负载，满足原来SF6气体的全部性能要求则是好方案。如有厂家采用压气式负荷开关柜内充入3M 4710 (C4F7N)与二氧化碳、少量氧气的混合气体后，能够成功开断、关合12kV 650A有功负载电流10次，即E1级要求，试验过程中开关的燃弧时间未有明显变化，试验后C4和O2气体比例略微减少。该试验中混合气体比例为：CO2 35%， C4 55%, O2 10%，柜内使用C4混合气体和使用SF6气体的成本、温室效应指数对比见表1。
计算得出，该方案相比较SF6气体成本增加大约2367元，这是基于现阶段C4气体用量少，较为昂贵的情况下，当C4气体大量使用和国产化后，价格会大幅降低，相比较隔离开关+真空断路器方案两套开关、两套机构，成本还是有优势的；而GWP指数是2045，相比较SF6降低了91.3%，减少碳排放效果明显。
（2） 开关设备运行过程中的高能耗也是不容忽视的，开关柜内部导电回路、元器件都有一定的电阻值，通过电流时发热，变频器、熔断器等发热也很大，开关设备应减少导电回路长度，降低回路电阻从而减少发热功率损耗。以侧装开关柜为例，1250A开关柜回路电阻只有80μΩ，中置柜每相电阻一般为 120μΩ，导电回路发热损耗小，每台开关柜发热功率损耗减少近200W， 而大电流开关柜可以减少更多的发热损耗。
采用固封极柱、导电回路密封方案，触头回路温度不宜散发，设备能耗大，长期运行还存在局放加大、老化等风险高。不同类型环网柜的碳当量相对参考值见图3。
从图3碳当量的比较可以看出，固体绝缘环网柜虽然不使用SF6气体，但产品在生产、后期报废后的处理即全寿命周期的碳排放并没有减少，而C4替代气体虽然是温室效应气体，但产品不需要真空灭弧及其操动机构系统，结构简单，总体的全寿命周期的碳排放并不多；而未来如果能够开发出新型环保气体负荷开关，就可以进一步减少碳排放，因此中压环网柜发展的方向之一就是环保气体灭弧的研究，而不是简单的重复，真空灭弧的优势在于高电压、大电流开断，可以在高压SF6替代上大有作为。
产品报废过程的降解
开关柜寿命结束后的处理也是需要关注的，使用大量环氧树脂的设备报废后，环氧树脂和金属等材料不易被剥离，环氧树脂材料不能分解，90%的热固性材料采用填埋方式处理，占用土地，造成资源浪费。评估显示，西欧每年塑料制品的消费量达四千万吨，其中热固性塑料占百分之二十。这种大规模的塑料消费不可避免地产生大量垃圾，每年约为 2200 万吨，再利用率不足 40 %。环氧树脂具有优异的绝缘性能、电气性能，适当应用到关键部件的绝缘是必要的，而过度的依赖环氧树脂应用必然造成环境的破坏、资源的浪费。
写在最后
中压开关设备数量大，产品使用大量的有色金属、环氧树脂材料以及SF6温室效应气体等，这些都不利于减少碳排放，不利于早日实现 “双碳”目标。本文从中压开关设备生产、应用、运维到报废处理的各个环节，介绍了开关设备减小碳足迹的发展方向。
