SF6替代氣體的飽和蒸氣壓特性研究

李麗,郭澤,鄒莊磊,唐念,樊小鵬

(1.廣東電網(wǎng)有限責任公司電力科學研究院,510080,廣州;2.中國南方電網(wǎng)公司六氟化硫重點實驗室,510080,廣州;3.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室,710049,西安)

SF6氣體是電力系統(tǒng)中廣泛應用的一種絕緣和滅弧介質。由于SF6具有無與倫比的絕緣和滅弧能力,多年來盡管許多學者做了大量的研究,仍然沒能找到與SF6氣體具有相似性能的單一或者混合氣體[1-2]。近些年來,由于全球變暖形勢日益嚴峻,新的環(huán)境保護政策對電力工業(yè)提出了新的要求,而尋找SF6替代氣體對降低電力系統(tǒng)的碳排放具有重要意義。

飽和蒸氣壓特性是影響SF6替代氣體的一個重要因素,對實際電力設備中氣體配比方案的決定具有指導意義。以SF6氣體為例,其在高壓斷路器中的典型充氣壓力為絕對壓力0.6 MPa,而該壓力恰為SF6在-25 ℃時的飽和蒸氣壓,因此在探索潛在SF6替代氣體時必須考慮這些氣體的飽和蒸氣壓特性,以保證不會發(fā)生液化。通常液化溫度越高的氣體絕緣性能越高,因此實際產(chǎn)品中需要采用高絕緣氣體與低沸點氣體進行混合使用,從而在保證較高絕緣強度的同時,能夠在相應的溫度和氣壓下不發(fā)生液化。

關于SF6替代氣體的研究已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十年,研究對象主要包括幾類:①常規(guī)氣體,包括壓縮空氣、N2、CO2等[3-5],其中壓縮空氣和N2作為絕緣介質在中壓開關設備中取得了一些應用[6],而CO2被認為是最有可能替代SF6用于高壓斷路器中作為滅弧介質的氣體或為其主要成分[7];②氟化腈(Perfluoronitriles,PFN)和氟化酮(Perfluoroketones,PFK)類氣體,其中C4-PFN((CF3)2CFCN)和C5-PFK(CF3COCF(CF3)2)獲得了極大關注[8-13],其分別與CO2和干燥空氣的混合氣體作為絕緣和滅弧介質的樣機已經(jīng)開始試運行;③全氟烴(Perfluorocarbon,PFC)及其鹵代物,如CF4、CF3I、C3F8、c-C4F8等[14-18],而SF6-CF4作為絕緣和滅弧介質的高壓斷路器在極寒地區(qū)取得了非常成功的應用[19];④氫氟烯烴(Hydrofluoroolefins,HFO)類氣體,主要有HFO-1234ze(Z)、HFO-1234ze(E)、HFO-1234yf以及HFO-1336m等[20],這幾種氣體為同分異構體,具有優(yōu)異的絕緣性能;⑤氫氟烴(Hydrofluorocarbon,HFC)類氣體,例如HFC-32、HFC-125、HFC-227等[21-22]?？傮w而言,第1類氣體的優(yōu)勢是價格便宜,全球變暖潛能(GWP)值和液化溫度均非常低,但絕緣性能較差,應用時需要對設備尺寸做出較大改變;第2類氣體近年來獲得了極大關注,其GWP值較低,且與CO2、空氣具有較好的協(xié)同效應,與CO2、干燥空氣混合后絕緣性能和液化溫度能夠達到與SF6相當?shù)乃?第3類氣體是研究相對較多的一類氣體,但其GWP值較高,且液化溫度也較高,不是SF6替代氣體的最佳方案;第4類和第5類氣體相關的研究較少,主要被用作制冷劑。

本文旨在通過研究SF6替代氣體的飽和蒸氣壓特性,為其絕緣性能、滅弧性能的進一步研究以及在電力設備中的應用提供指導。

1 計算方法

飽和蒸氣壓可通過實驗、計算等多種方法獲得,計算方法中最常用的方程為Clausius-Claperon方程、Clapeyron方程和Antoine方程,其中Antoine方程是Clausius-Claperon方程的一種改進形式,具有較寬的壓力適用范圍。Antoine方程的一般形式為

logP=A-B/(T+C)

(1)

式中:P表示氣體的飽和蒸氣壓;T表示氣體溫度;A、B、C為與物質種類相關的Antoine常數(shù),可查表或由實驗數(shù)據(jù)擬合獲得。

Antoine方程僅適用于計算單一氣體的飽和蒸氣壓,對于混合氣體則需要結合氣液平衡定律來進行計算。式(2)～式(5)列出了用于求解二元混合氣體飽和蒸氣壓特性的計算公式

logP1=A1-B1/(T+C1)

(2)

logP2=A2-B2/(T+C2)

(3)

P1x=Py

(4)

P2(1-x)=P(1-y)

(5)

式中:P1和P2分別為混合氣體中兩種組分的飽和蒸氣壓;A1、B1、C1和A2、B2、C2分別為組分1和組分2的Antoine常數(shù);x和y分別表示組分1在液相和氣相中的摩爾分數(shù);P為混合氣體的飽和蒸氣壓。

2 結果分析

2.1 常規(guī)氣體

本節(jié)針對幾種常規(guī)氣體N2、CO2、SF6、CF4和CF3I的飽和蒸氣壓特性進行對比分析。表1給出了這幾種常規(guī)氣體的基本物理性質,除CF3I外的氣體均為對稱結構,N2和CO2的絕緣強度接近,均為SF6的30%左右,且GWP值極低,因而適宜作為緩沖氣體與絕緣強度較高的氣體混合,用于電力設備。CF4的絕緣性能較差,僅略好于N2和CO2,且GWP值較高,不適宜作為SF6替代氣體廣泛推廣使用。CF3I的絕緣強度略高于SF6,并且GWP值也較低,但其液化溫度較高,因而不能單獨作為絕緣介質,應與其他緩沖氣體混合使用。

表1 常規(guī)氣體的基本物理性質

圖1所示為幾種常規(guī)氣體N2、CO2、SF6、CF4和CF3I的飽和蒸氣壓特性,相關計算值與文獻[20]的結果相吻合?？梢钥闯?N2的飽和蒸氣壓遠高于其他幾種氣體,在電力設備常用的溫度和氣壓條件下不會發(fā)生液化。低溫情況下,CF4的飽和蒸氣壓高于CO2,高溫情況下則相反。SF6的飽和蒸氣壓介于易液化和不易液化的氣體之間,-25 ℃條件下約為0.609 MPa,如需用于極寒地區(qū),需要與其他氣體混合使用。CF3I的飽和蒸氣壓最低,-25 ℃條件下約為0.093 7 MPa,低于標準大氣壓,因而不能單獨作為絕緣介質,需要與其他氣體混合使用。

圖1 常規(guī)氣體的飽和蒸氣壓

2.2 PFN和PFK類氣體

本節(jié)針對PFN和PFK類氣體的飽和蒸氣壓特性進行對比分析。表2所示為幾種PFN和PFK類氣體的基本物理性質,這幾種氣體均為非對稱結構,且摩爾質量較高,高于SF6氣體。C4-PFN的絕緣強度極高,約為SF6的2.2倍,且液化溫度相對較低,其缺點是GWP值較高,但考慮到實際中其通常是與CO2混合使用,且C4-PFN的比例極低,因而混合氣體的GWP值遠低于SF6氣體。幾種PFK類氣體的絕緣強度也遠高于SF6氣體,且其絕緣性能隨C原子數(shù)的增多而增強,但相應的沸點也隨相對分子質量的提高而升高。C4-PFK的GWP值較高,且是一種有毒氣體,因而不能應用于電力系統(tǒng),C6-PFK的沸點極高,也不適宜電力設備。C5-PFK具有較高的絕緣強度和極低的GWP值,且液化溫度也相對較低,具有一定的應用前景。

表2 PFN和PFK類氣體的基本物理性質

圖2所示為PFN和PFK類氣體的飽和蒸氣壓計算結果,相關計算值與文獻[20]的結果相吻合?？梢钥闯?PFN類氣體的飽和蒸氣壓高于PFK類氣體,且隨著C原子數(shù)的增多,飽和蒸氣壓急劇下降。在-25 ℃時,C4-PFN的飽和蒸氣壓約為0.040 1 MPa,而C4-PFK、C5-PFK和C6-PFK的飽和蒸氣壓分別為0.035 1、0.010 1和0.002 78 MPa。當這幾種氣體與緩沖氣體混合時,在不考慮氣體間飽和蒸氣壓相互影響的情況下,若用于零表壓(絕對壓力0.1 MPa)設備,C4-PFN的體積分數(shù)為40%,C4-PFK、C5-PFK和C6-PFK的體積分數(shù)分別為35%、10%和3%,而當充氣壓力為絕對壓力0.6 MPa時,C4-PFN的體積分數(shù)為6.7%,C4-PFK、C5-PFK和C6-PFK的體積分數(shù)分別為5.8%、1.7%和0.5%。可見,C4-PFN無論是在中壓還是在高壓電力系統(tǒng)均有很好的應用前景,而C5-PFK在中壓系統(tǒng)有一定的應用前景,如需用于高壓系統(tǒng)則僅能用于戶內設備,或者通過一定的輔助加熱措施對氣體進行加熱后用于戶外設備。

2.3 HFO類氣體

本節(jié)針對HFO類氣體的飽和蒸氣壓特性進行對比分析。表3所示為幾種HFO類氣體的基本物理性質,這類氣體為碳氫氟組成的烯烴,主要作為制冷劑用于汽車空調等。此類氣體GWP值較低,且絕緣強度較高,具有一定的應用潛力,但該類氣體的沸點較高,因而如需作為絕緣介質使用,需要與其他氣體進行混合。

圖3所示為HFO類氣體的飽和蒸氣壓計算結果,相關計算值與文獻[20]的結果相吻合?？梢钥闯?這幾種分子作為同分異構體,雖然具有相同的相對原子質量,但飽和蒸氣壓特性仍存在較大差異。HFO-1234yf的飽和蒸氣壓最高,接下來依次為HFO-1234ze(E)和HFO-1234ze(Z),HFO-1336m的飽和蒸氣壓最低。在-25 ℃時,這幾種氣體的飽和蒸氣壓從高到低依次為0.116、0.079 3、0.022 9和0.008 55 MPa,在-5 ℃時依次為0.257、0.18、0.058 6和0.022 5 MPa?？梢钥闯?這幾種氣體均不能單獨作為絕緣介質應用于高壓電力設備,如需用于中壓設備,HFO-1234yf純氣體可用于戶內和戶外設備,而HFO-1234ze(E)純氣體僅可用于戶內設備,其他氣體則無法單獨作為絕緣介質。

圖3 HFO類的飽和蒸氣壓

2.4 PFC類氣體

本節(jié)針對PFC類氣體的飽和蒸氣壓特性進行對比分析。表4所示為幾種PFC類氣體的基本物理性質,這類氣體為碳氟組成的烷烴,具有不可燃、無毒、電氣強度相對較高等特點,是早期研究最多的一類SF6替代氣體,但該類氣體的液化溫度和GWP值較高,且造價也較高,為了降低液化溫度,需要與N2、CO2等緩沖氣體混合使用。

圖4所示為PFC類氣體的飽和蒸氣壓計算結果,相關計算值與文獻[23]的結果相吻合。這幾種氣體按照飽和蒸氣壓從高到低依次為C2F6、C3F8、1-C3F6、c-C4F8,在-25 ℃時的值分別為0.939、0.168、0.124和0.048 3 MPa,在-5 ℃時的值分別為1.7、0.35、0.265和0.108 MPa。可見,從飽和蒸氣壓計算結果來看,除C2F6外,其他氣體均無法單獨應用于高壓電力設備,而1-C3F6的絕緣強度約是SF6的92%,GWP值遠低于SF6氣體,且其-25 ℃時的飽和蒸氣壓約為0.124 MPa,高于標準大氣壓,因而可以作為絕緣介質用于零表壓的中壓設備。

表4 PFC類氣體的基本物理性質

圖4 PFC類氣體的飽和蒸氣壓

2.5 HFC類氣體

本節(jié)針對HFC類氣體的飽和蒸氣壓特性進行對比分析。表5所示為幾種HFC類氣體的基本物理性質,這類氣體為碳氟氫組成的烷烴,是一種制冷劑。該類氣體不會對臭氧層造成破壞,但GWP值也較高,仍然是一種溫室氣體。目前HFC類氣體的絕緣和滅弧特性的相關研究較少,本文對其飽和蒸氣壓特性進行計算分析。

表5 HFC類氣體的基本物理性質

圖5所示為HFC類氣體的飽和蒸氣壓計算結果,相關計算值與實驗值相吻合。可以看出,HFC-32和HFC-125的飽和蒸氣壓相近,高于HFC-134a和HFC-227氣體。在-25 ℃時,HFC-32和HFC-125的飽和蒸氣壓分別為0.158和0.219 MPa,而HFC-134a和HFC-227的飽和蒸氣壓分別為0.017和0.012 2 MPa;在-5 ℃時,HFC-32和HFC-125的飽和蒸氣壓分別為0.411和0.568 MPa,而HFC-134a和HFC-227的飽和蒸氣壓分別為0.154和0.112 MPa。如果僅從飽和蒸氣壓角度考慮,這幾種氣體均有一定的應用前景,其中HFC-32和HFC-125可單獨用于中壓系統(tǒng),而HFC-134a和HFC-227需要與緩沖氣體混合使用。

圖5 HFC類氣體的飽和蒸氣壓

2.6 混合氣體

以上研究均是針對純氣體的飽和蒸氣壓特性進行分析,本節(jié)針對具有應用前景的混合氣體的飽和蒸氣壓特性進行分析。

圖6所示為不同高絕緣氣體與CO2的混合氣體的飽和蒸氣壓,其中高絕緣氣體的體積分數(shù)均為10%,CO2的體積分數(shù)均為90%。通過與CO2進行混合,混合氣體的飽和蒸氣壓相比于高絕緣氣體得到明顯提高。可以看出,不同的高絕緣氣體與CO2混合后,飽和蒸氣壓均隨氣體溫度的升高而明顯升高,按照飽和蒸氣壓從高到低依次為SF6、HFC-125、1-C3F6、HFO-1234yf、C4-PFN、C5-PFK。考慮戶外設備的最低溫度限制為-25 ℃,這幾種混合氣體的最高充氣壓力分別可以達到2.2、1.34、0.913、0.871、0.36、0.098 4 MPa?？梢?在該比例下,除C4-PFN和C5-PFK外,其他幾種混合氣體均能應用于充氣壓力為0.6 MPa的高壓電力設備。

圖6 高絕緣氣體與CO2混合氣體的飽和蒸氣壓

圖7所示為-25 ℃下高絕緣氣體與CO2的混合氣體的飽和蒸氣壓。由于高絕緣氣體的飽和蒸氣壓明顯低于緩沖氣體CO2,因而混合氣體的飽和蒸氣壓隨著高絕緣氣體比例的提高而明顯下降。例如:對于零表壓的戶外設備(最低溫度-25 ℃),C4-PFN和C5-PFK的最高體積分數(shù)分別約為40%和10%,而當充氣壓力升至0.6 MPa,C4-PFN和C5-PFK的最高體積分數(shù)分別降為約5.8%和1.5%。-25 ℃是常見的戶外電力設備的最低溫度,而0.1和0.6 MPa則分別為常見的中壓和高壓電力設備的充氣壓力,由此可見,C4-PFN混合氣體在中壓和高壓戶外電力設備均有較好的應用前景,而由于1.5%的體積分數(shù)較低,C5-PFK混合氣體僅適用于中壓電力設備,只能用于戶內設備,或者通過一定的輔助加熱措施對氣體進行加熱后用于戶外設備。

圖7 -25 ℃下高絕緣氣體與CO2混合氣體的飽和蒸氣壓

3 結 語

飽和蒸氣壓特性是篩選SF6替代氣體的一個非常關鍵的因素,直接決定了氣體的使用范圍。本文采用最常用的Antoine方程,并結合氣液平衡定律,分別對常規(guī)氣體、PFK和PFN類氣體、HFO類氣體、PFC類氣體、HFC類氣體及其與CO2的混合氣體的飽和蒸氣壓特性進行了計算分析,并對這幾類SF6替代氣體在電力設備中的應用提出了建議。然而,飽和蒸氣壓特性并不是決定SF6替代氣體的唯一因素,還需要結合其絕緣性能、滅弧性能、GWP值等關鍵因素,以及氣體的穩(wěn)定性、分解物毒性、設備兼容性等其他因素來綜合考慮。