氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）用新型氣體研究

黃濰 王志強(qiáng) 呂品

摘要：SF₆氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)在中、高壓電力設(shè)備中占主導(dǎo)地位。但SF₆氣體溫室效應(yīng)問(wèn)題嚴(yán)重，削減SF₆氣體在GIS中的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)能夠替代SF₆的新型絕緣氣體是電氣領(lǐng)域亟待解決的問(wèn)題。本文以全氟化腈和全氟化酮兩種新型氣體為研究對(duì)象，對(duì)其理化特性、絕緣特性及滅弧特性進(jìn)行分析，來(lái)論證其替代SF₆氣體的可行性。

關(guān)鍵詞：GIS;新型氣體;絕緣性能;滅弧性能

1.引言

純凈的SF₆氣體是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒和不燃的惰性氣體，其耐電強(qiáng)度很高，在均勻的電場(chǎng)中約為空氣耐電強(qiáng)度的2.5倍左右。但SF₆氣體同時(shí)也是一種很強(qiáng)的溫室氣體，全球變暖潛能值（GWP）為CO₂氣體的23900倍，排放到大氣后能存在3200年。

全球每年高壓電力設(shè)備中使用的SF₆氣體超過(guò)8000噸，占總量的80%以上，由于不可避免存在泄漏，回收處理不當(dāng)?shù)纫蛩?，?dǎo)致大氣中SF₆氣體含量逐年上升，1998年到2012年增長(zhǎng)近一倍。《京都議定書(shū)》（1997年），《巴黎協(xié)定》（2016年）等相關(guān)政策或法規(guī)均提出控制溫室氣體排放，力爭(zhēng)在本世紀(jì)下半葉實(shí)現(xiàn)溫室氣體凈零排放。

人工合成的全氟化腈及全氟化酮?dú)怏w絕緣強(qiáng)度高、全球變暖潛能值低、熱傳導(dǎo)特性優(yōu)良、化學(xué)穩(wěn)定性良好。替代SF₆氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)應(yīng)用在開(kāi)關(guān)設(shè)備中不會(huì)對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生腐蝕或其他負(fù)面影響，且能夠大幅降低溫室氣體排放，減輕環(huán)境壓力，對(duì)綠色發(fā)展、低碳循環(huán)發(fā)展具有積極意義。

2.新型氣體的理化特性

全氟化腈（Fluoronitrile）分子式為C₄F₇N，又稱為g³氣體（取自綠色、氣體、電網(wǎng)的英文）。

全氟化酮（Fluoroketone）分子式為C₅F₁₀O，又稱為C5氣體。

新型氣體的理化特性見(jiàn)表1所示。

可以看出，新型氣體在綠色環(huán)保上更具有優(yōu)勢(shì)。g³氣體的全球變暖潛能值僅為SF₆氣體的10%，C5氣體的全球變暖潛能值只有1（與CO₂氣體一致）;兩種氣體在大氣中存留的年限分別為35年和0.04年，與SF₆氣體的3200年相比有了大幅縮減。

3.新型氣體的絕緣性能和滅弧性能

g³氣體、C5氣體和SF₆氣體的絕緣擊穿電壓曲線見(jiàn)圖1所示。

標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，g³氣體的絕緣強(qiáng)度為27.5kV、C5氣體為18.4kV、SF₆氣體為14kV。在絕緣性能上，新型氣體的表現(xiàn)要優(yōu)于SF₆氣體。

SF₆對(duì)電子的親和力強(qiáng)、電流過(guò)零前弧隙大量自由電子被SF₆吸附，弧隙電導(dǎo)率急驟下降;電流過(guò)零后，電弧時(shí)間常數(shù)小，弧隙介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)快，更有利于滅弧。因此SF₆氣體是迄今最為理想的滅弧介質(zhì)。

g³氣體和C5氣體的滅弧性能可以達(dá)到SF₆氣體的80%。而且在出線端故障試驗(yàn)、近區(qū)故障試驗(yàn)、容性電流試驗(yàn)中，通過(guò)提高設(shè)備充氣壓力、更改設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、優(yōu)化元件材料等方式，g³氣體和C5氣體也能夠達(dá)到與SF₆氣體接近的滅弧性能。

新型氣體優(yōu)秀的絕緣性能和接近SF₆氣體的滅弧性能也為其在GIS中替代傳統(tǒng)氣體提供了更多可行性。

4.新型氣體在GIS中的應(yīng)用

g³氣體的沸點(diǎn)-4.7℃，C5氣體的沸點(diǎn)26.9℃，在低溫下就會(huì)發(fā)生液化，因此想在GIS中使用必須加入緩沖氣體來(lái)減低沸點(diǎn)。CO₂氣體絕緣性能是SF₆氣體的40%-70%，滅弧性能是SF₆氣體的50%-65%，在空氣中大量存在又沒(méi)有任何污染。將g³氣體、C5氣體分別與CO₂氣體混合后應(yīng)用到GIS斷路器中，斷路器設(shè)備的性能及額定特性見(jiàn)表2所示。

使用g³+CO₂混合氣體及C5+CO₂混合氣體的GIS斷路器，在性能上能夠滿足額定值的要求，同時(shí)加入CO₂作為緩沖氣體又可以滿足低溫工況的需要。目前Alstom公司的F35型145kV g³+CO₂混合氣體GIS，ABB公司的GLK-14型170kV C5+CO₂混合氣體GIS已在歐洲多個(gè)工程中成功應(yīng)用。

5.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)g³氣體和C5氣體理化特性、絕緣性能及滅弧性能的研究，到最后在GIS斷路器中加入g³+CO₂及C5+CO₂混合氣體的實(shí)施推廣，證明了在氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備中新型氣體替代SF₆氣體的可行性。新型氣體的使用可以大幅減少溫室氣體排放，對(duì)于保護(hù)環(huán)境、綠色發(fā)展具有積極意義。

參考文獻(xiàn)

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