环保型绝缘气体技术经济性能综合评估研究_李学妨.pdf

环保型绝缘气体技术经济性能综合评估研究李学妨1，史俊1，刘晓波2，张英3（1.云南电网有限责任公司普洱供电局，云南 普洱665099；2.国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，武汉430073；3.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵阳550002）摘要：SF6是一种强温室气体，排入环境危害巨大，研究能替代SF6的环保型绝缘气体是绿色发展的必然。文中首先简略介绍了针对SF6替代气体的研究情况，重点结合工程实际应用需求，提出了环保型气体多维度评价体系，并依据提出的评价标准对多种潜在的SF6替代气体进行了综合分析。综合理化性能、安全性能和绝缘性能多个维度评估，结果表明，C5F10O、C6F12O、C3F7CN综合性能优异，其中C5F10O、C6F12O混合气体具备应用于中低压设备，C3F7CN混合气体具备应用于中高压气体绝缘设备的潜力，该评估与目前的环保型绝缘气体设备的发展趋势相符，具有很好的参考性。关键词：SF6替代气体；多维度评价体系；C6F12O；C3F7CN；C5F10OResearch on Comprehensive Assessment of Technical and Economic Performance ofEnvironmentally Friendly Insulating GasLI Xuefang1，SHI Jun1，LIU Xiaobo2，ZHANG Ying3（1.Yunnan Power Grid Co.，Ltd.Pu er Power Supply Bureau，Yunnan Pu er 665099，China；2.State Grid Electric Power ResearchInstitute Wuhan Nanrui Co.，Ltd.，Wuhan 430073，China；3.Scientific Research Institute of Electric Power，Guizhou Power GridCompany Ltd.，Guiyang 550002，China）Abstract:SF6is a powerful greenhouse which cause great harm to the environment in case of release.With the demand of green industry，it s necessary to research SF6alternative gas.The current research situation of SF6alternative gas is simply introduced in this paper at first.The multidimensional assessment system for environmentfriendly gas in combination with the need of actual application of the project and，on the basis of the proposed standards，the multiple potential SF6alternative gases are comprehensively analyzed.Based on the comprehensive assessmentof physical and chemical properties，safety properties and insulation properties，the results show that C5F10O，C6F12Oand C3F7CN have excellent comprehensive performance，in which，the C5F10O and C6F12O gas mixture has the potential to be used in medium and low voltage equipment，while the C3F7CN gas mixture has the potential to be used inmedium and high voltage gas insulation equipment.This assessment is in line with the current development trend ofenvironmentally friendly insulating gas equipment and has a good reference.Key words:SF6alternative gas；multidimensional evaluation system；C6F12O；C3F7CN；C5F10O0引言SF6气体绝缘设备广泛应用于电网和电厂。然而，SF6气体是一种极强的温室气体，其温室效应潜在值 GWP 是 CO2的 23 500 倍，且在大气中寿命约3 200年1-2。20102015年，大气中SF6体积分数增长了20%3。京都议定书 中明确，SF6气体属于强制减排温室气体4。联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)报告指出，大气中SF6气体排放10%来源于SF6生产企业，而70%的排放量来源于电气设备5。因此，迫切需要寻找环境友好型气体绝缘介质替代SF6，解决SF6气体带来的温室效应问题。第59卷第2期：005200602023年2月16日High Voltage ApparatusVol.59，No.2：00520060Feb.16，2023DOI:10.13296/j.10011609.hva.2023.02.008_收稿日期：20220819；修回日期：20221027近年来，对于寻找能替代SF6的气体绝缘介质是国内外看重的热点问题，其研究工作主要集中于此点。因此，文中简要分析绝缘气体研究进展，从多维度分析理化性能、绝缘性能、开断性能、环保性能、生物毒性、应用经济性各项指标，提出绝缘气体性能评价指标体系和绝缘气体量化评价方法，为电力行业中最可能走向推广应用的替代气体提供参考。1国内外研究现状简介张晓星等归纳总结零污染气体(空气、氮气)、六氟化硫和氮气、二氧化碳、四氟化碳等混合气体、强电负性气体和氮气、二氧化碳混合气体是目前研究的3大类主要拟替代纯SF6绝缘介质的替代气体6。针对3类气体，国内外学者开展理化性质、电气试验和理论探究，与SF6气体关键参数综合比较，为替代SF6气体提供相应的支撑。国内外多位学者研究了零污染气体(空气、氮气以及混合比例配置的气体)，物理化学性质比较稳定，比较容易生产制造，其具有低的液化温度，且和SF6比较来看，非常环保7-18。然而，在部分中低压设备中用零污染气体替代SF6，其绝缘强度最高才到SF6的百分之四十。在电气设备中使用零污染气体，就势必要提高气体的压力和增大设备的尺寸，对设备制造的要求提高，其经济成本增大的同时也会导致占地面积扩增，对于城区推广非常不利6。进入20世纪70年代后，国内外学者研究将SF6和空气、N2等以及惰性气体(例如He)进行混配，混合气体作为新的绝缘介质可以解决高寒地区SF6气体易液化、价格贵等问题。SF6和常规气体(惰性气体)的混合气体在气体绝缘设备的应用可以有效减少SF6气体使用量，并且减少排放，但是仍然使用SF6，温室效应问题存在的同时，SF6混合气体绝缘性能和灭弧性能下降，适用范围窄，同样不利于推广应用19-37。在研究零污染气体以及六氟化硫和氮气、二氧化碳、四氟化碳等混合气体的同时，一些理化性质相对稳定、具有很高的绝缘强度、温室效应不高、具有电负性的含氟化合物气体研究发展非常迅速。如全氟化碳气体、氟酮类气体(CnF2nO)及全氟异丁腈(C4F7N)被开展研究。电负性气体有碘三氟甲烷、环全氟丁烷、全氟丙烷、全氟戊酮及全氟异丁腈等38-73为国内外研究的热点。几种气体的特性参数74见表1。氟酮类气体相关研究主要以C5F10O、C6F12O及其N2、CO2等缓冲气体混合展开。这两种氟酮类气体相具有很好的环保性能及绝缘性能，然而常压下的液化温度过高，分别为24、49，与缓冲气体混合进行配比开展研究的成果，为文中对环保型绝缘气体技术经济性能综合评估提供了有效参数75-83。近几年，3M公司联合阿尔斯通合作研发了代号为g3的环保型气体绝缘介质，并成功应用于高压设备中，如GIS，GIL。g3气体相比与SF6可将温室效应下降98%84。其主要绝缘成分为 C3F7CN，与CO2混合应用于 145 kV GIS 中，最低运行温度为-5-25。国内外学者和设备制造商关于C3F7CN和氮气以及二氧化碳的混合气体的研究取得了大量成果，该环保型绝缘气体设备进入试运行。Hopf等利用球电极模拟准均匀电场系统测试了不同气压、混合条件下C3F7CN/CO2混合气体的直流击穿特性，见图185。相关研究结果显示增加气压和混合比均能有效提升混合气体的绝缘性能，其中0.6 MPa下C3F7CN体积分数为5.1%、7.8%的混合气体的绝缘性能可以达到纯SF650%和75%的绝缘性能；满足-25 不液化条件下的C3F7CN体积分数为7.8%的混合气体在0.5 MPa下的绝缘性能能够达到0.38 MPa 下纯 SF6的绝缘性能。Nechmi 等测试了C3F7CN/CO2混合气体的有效电离系数，指出C3F7CN体积分数为6.7%的混合气体的临界击穿场强为纯SF6的77%86。图1不同气压及混合比C3F7CN/CO2混合气体的绝缘性能Fig.1Insulation properties of C3F7CN/CO2mixed gases atdifferent gas pressures and mixing ratios表1主要SF6替代气体的特性参数Table 1Characteristic parameters of mainSF6substitution绝缘介质C5F10OC6F12OC3F7CNCF3IC2F6C3F8cC4F8SF6GWP112 09059 2007 0008 70023 900绝缘能力2.002.702.001.200.790.971.201.00沸点/26.949.0-4.7-22.5-78.0-37.0-8.0-63.0大气中年数/a0.0440.01422.0000.00510 000.0002 600.0003 200.0003 200.000研究与分析李学妨，史 俊，刘晓波，等.环保型绝缘气体技术经济性能综合评估研究532023年2月第59卷第2期Kieffel等开展实验研究全氟异丁腈和二氧化碳混合气体热分解特性，指出全氟异丁腈的起始分解温度为 700，主要产生 CO、CF3CN、C2F5CN、CF4、C2F6和COF2等碳氧或碳氟分解产物87。Kieffel等还发现全氟异丁腈和二氧化碳混配气体具有优良的开断性能，C3F7CN/CO2混合气体的燃弧时间平均为12 ms(C3F7CN 仅占 4%)，低于相同条件下纯 SF6的15 ms87；Chunlin W 等计算了 C3F7CN/CO2混合气体的主要物性参数，包括焓值、导电率、导热率等，深入揭示了电弧发展过程中混合气体的输运特性，为后期开发混合气体断路器提供了重要理论参考88。Nechmi等所在的通用电气已研发出以C3F7CN/CO2混合气体为绝缘介质的电气设备。具体为一台额定电压为 245 kV 的 CT，一台 420 kV 的 GIB 和一条145 kV的GIS。上述3台设备均通过了IEC相关标准测试，其中有3台245 kV的GIS已经在法兰克福地区试运行86。2绝缘气体多维评价指标体系2.1绝缘气体多维评价指标体系组成针对替代SF6气体的研究多样化，很多已经取得实质性成果。然而，现阶段尚无针对环保型气体绝缘介质相关性能的综合评价体系。由于潜在气体绝缘介质的种类繁多，对各类气体