綠色環(huán)保型氣體絕緣材料研究進(jìn)展

鄧云坤

（云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217）

0 前言

中高壓電力開關(guān)是保障電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的重要控制和保護(hù)輸變電設(shè)備，當(dāng)前以SF6為滅弧和絕緣介質(zhì)的中高壓電力開關(guān)在輸變電系統(tǒng)中占絕對主導(dǎo)地位[1]，全球生產(chǎn)的SF6氣體約50%用于電力行業(yè)，其中約有80%的SF6氣體用于中高壓開關(guān)設(shè)備，我國電力開關(guān)行業(yè)每年使用的SF6氣體就超過10000噸。

但是，SF6是一種嚴(yán)重的溫室效應(yīng)氣體，其全球變暖潛能(Global Warming Potential, GWP)大約為CO2的3萬倍[2]。在已簽訂的《京都議定書》中，SF6被列入排放受限制的六種溫室效應(yīng)氣體之一（二氧化碳CO2、甲烷CH4、一氧化二氮N2O，全氟化碳PFC，氫氟碳化物HFCs，六氟化硫SF6）[3]，2016年，在全球175個國家共同簽署的《巴黎協(xié)定》中[4]，中國政府承諾CO2排放將于2030年左右達(dá)到峰值并爭取盡早達(dá)峰，到2030年單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降60%到65%。此外，在“十三五”規(guī)劃中，要積極參與應(yīng)對全球氣候變化，落實(shí)減排承諾。因此，在電力系統(tǒng)中減少、限制甚至禁止使用SF6氣體是電網(wǎng)裝備發(fā)展的必然趨勢，尋求環(huán)境友好、性能優(yōu)良的SF6替代氣體，或混合氣體(以下統(tǒng)稱為SF6替代氣體)是該領(lǐng)域的一個重要研究方向和熱點(diǎn)問題。

本文從絕緣性能、滅弧性能的研究情況及環(huán)保型電力設(shè)備的研制與應(yīng)用進(jìn)展三個方面對SF6替代氣體的最新研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹，并在此基礎(chǔ)上對該領(lǐng)域的現(xiàn)狀與進(jìn)一步的研究方向進(jìn)行了探討。

1 環(huán)保氣體絕緣性能研究情況

一些潛在的SF6替代氣體的主要性能參數(shù)如表1所示[5-18]，強(qiáng)電負(fù)性氣體通常具備較高的絕緣強(qiáng)度，但多數(shù)電負(fù)性氣體都有高沸點(diǎn)或具有毒性等特點(diǎn)；非電負(fù)性氣體的絕緣強(qiáng)度雖較低，但其液化溫度也相對較低。因此，需要在替代氣體中混入一些緩沖氣體來降低其液化溫度，從而滿足一些低溫環(huán)境下的絕緣與滅弧要求。

SF6混合氣體方面的研究主要針對SF6與CO2、N2、惰性氣體、PFC(全氟烴類)等氣體的混合。其主要目的在于，通過SF6氣體與低液化溫度氣體的混合來降低其液化溫度，具有十分重要的工程意義。同時，SF6與上述氣體混合還可在一定程度上降低成本、減小SF6氣體對環(huán)境的影響。干燥空氣、N2和CO2的擊穿電壓遠(yuǎn)低于SF6，但將一定比例的SF6加入其中后擊穿電壓可顯著提升，如圖1所示[19]。其中，SF6和N2按一定比例混合后，其絕緣強(qiáng)度會表現(xiàn)出較強(qiáng)的協(xié)同效應(yīng)，因而已在實(shí)際電力設(shè)備中得到應(yīng)用。以體積分?jǐn)?shù)混合比例為20%/80%的SF6/N2混合氣體為絕緣介質(zhì)的240kV等級GIL 已在某機(jī)場獲得了應(yīng)用；電壓等級550 kV、輸送容量300 MW，填充體積分?jǐn)?shù)20%SF6/80% N2混合氣體的 GIL[20]；Osmokrovic 等通過實(shí)驗(yàn)研究了沖擊電壓上升率對SF6/N2混合氣體協(xié)同效應(yīng)的影響，表明混合氣體的協(xié)同效應(yīng)隨電壓上升率增大而減弱，當(dāng)電壓上升率過高時協(xié)同效應(yīng)幾乎消失，同時指出當(dāng)體積分?jǐn)?shù)配比為65%/35%時SF6/N2混合氣體的協(xié)同效應(yīng)最強(qiáng)，不均勻場下的協(xié)同效應(yīng)較均勻場更顯著。

圖1 工頻電壓下不同氣體的閃絡(luò)電壓[19]

近些年本領(lǐng)域的研究重點(diǎn)在于一些物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、絕緣強(qiáng)度高、溫室效應(yīng)較低的氣體，包括CF3I、PFC、CnF2nO、C4-PFN等。

多數(shù)PFC氣體具有液化溫度高和造價過高的缺點(diǎn)，通常也需要與N2、CO2等緩沖氣體混合使用，如有研究針對c-C4F8/CO2、 C3F8/CO2、C3F8/N2、C2F6/CO2和 C2F6/N2等混合氣體開展[7,21-24]。其中，c-C4F8的電氣強(qiáng)度約SF6氣體的1.1-1.2倍，而其溫室效應(yīng)指數(shù)約為SF6氣體的36%，因而受到了較大關(guān)注。

CF3I 氣體的GWP值與CO2氣體相當(dāng)，在大氣中的壽命只有1～2天，且其絕緣強(qiáng)度約為SF6氣體的1.2倍，因而CF3I及其混合氣體作為SF6替代氣體的研究工作近年來也被大量報道[25-28]。CF3I的絕緣性能為SF6的1.2倍以上，且當(dāng)CF3I體積分?jǐn)?shù)達(dá)到70%時CF3I/N2混合氣體的絕緣強(qiáng)度就能達(dá)到純SF6的水平。

C5-PFK、C6-PFK和C4-PFN氣 體 的 絕緣強(qiáng)度均超過純SF6氣體的2倍，但這些氣體的液化溫度均過高（如0.1MPa時C5-PFK、C6-PFK和C4-PFN氣體的液化溫度分別約為24℃、49℃和-4.7℃），無法單獨(dú)使用，一種有效的解決方法即為混合一定比例低液化溫度的緩沖氣體。近期，國內(nèi)外針對C5-PFK和C4-PFN氣體及其混合氣體的電氣性能及應(yīng)用開展了大量研究[8,14-18,29]，并取得了積極進(jìn)展。

圖2 不同CO2混合氣體的絕緣強(qiáng)度[5, 24, 30-32]

2 環(huán)保氣體滅弧性能研究情況

作為中高壓滅弧介質(zhì)研究的單一的常規(guī)氣體主要有CO2、N2和干燥空氣，這三種氣體化學(xué)性能比較穩(wěn)定，價格便宜，不易燃燒且不助燃，液化溫度也遠(yuǎn)低于SF6。其中CO2氣體作為潛在的環(huán)保型滅弧介質(zhì)在國內(nèi)外尤其得到關(guān)注。大型電力設(shè)備廠商對CO2氣體的滅弧性能及應(yīng)用開展了大量研究。Matsumura選擇CO2作為滅弧介質(zhì),發(fā)現(xiàn)從0.2到0.6MPa增加氣壓可以提高把電弧功率損耗從0.32提高到0.78千瓦，也將燃弧時間常數(shù)從1.3μs減少了到了0.7μs，電流的峰值為1.1 kA[33]。Uchii研究了CO2及其混合氣體的開斷能力，重點(diǎn)比較了純CO2、SF6和CO2氣體的弧后電流[34-36]。結(jié)果表明，在CO2氣體中摻雜O2或CH4的能成功地開斷短路電流，降低弧后電流。Stoller通過實(shí)驗(yàn)對比了干燥空氣、CO2、SF6的開斷性能[37]，并給出開斷性能排序如下：干燥空氣＜CO2＜SF6，在此基礎(chǔ)上，ABB公司研制和推出了72.5kV/31.5kA的CO2高壓斷路器，東芝公司也研制了72.5kV等級、開斷容量31.5kA的CO2斷路器樣機(jī)，還提出在CO2中加入少量O2可以顯著提高其熱開斷性能，同時在一定程度上消除碳沉積的影響。然而，上述CO2斷路器所需的充氣壓力和尺寸均較傳統(tǒng)SF6斷路器更高。

壓縮空氣作為滅弧介質(zhì)在中壓等級的斷路器中也表現(xiàn)出較大的應(yīng)用潛力，如阿爾斯通公司研制的36 kV電壓等級、以壓縮空氣為滅弧介質(zhì)的發(fā)電機(jī)出口斷路器，其額定電流可達(dá)到50 kA，短路開斷電流達(dá)275 kA。

SF6混合氣體方面，韓國曉星公司的研究人員利用170 kV/50 kA壓氣式斷路器實(shí)驗(yàn)研究了SF6/N2混合氣體的開斷性能發(fā)現(xiàn)了75%SF6/25%N2的混合氣體其開斷能力與純SF6相當(dāng)[38]；三菱公司也在隔離開關(guān)中采用SF6/N2混合氣體，并通過永磁體產(chǎn)生的磁場驅(qū)動電弧運(yùn)動，提高開斷能力；Tsukushi利用吹氣式斷路器檢測了SF6氣體混合物的電流中斷能力，發(fā)現(xiàn)在大約15 kA的電流下，0.3Mpa的SF6和0.2Mpa的N2混合氣體的di/dt為純SF6的76%[39]；Lee等實(shí)驗(yàn)研究了40種氣體和混合氣體的滅弧性能，結(jié)果表明體積分?jǐn)?shù)75%SF6/25%N2混合氣體的開斷能力可以接近純SF6氣體的80%。

此外，研究人員還研究了SF6與其他氣體如He和CF4的混合物。He的熱導(dǎo)率遠(yuǎn)高于SF6，SF6-He混合物的介質(zhì)恢復(fù)性能比純SF6高約10%，SF6百分比為20%-75%[40]。CF4氣體具有良好的滅弧性能和較低的液化溫度，在SF6中加入適當(dāng)?shù)腃F4可以實(shí)現(xiàn)在絕緣與滅弧性能下降不多的前提下降低氣體的液化溫度，從而滿足高寒地區(qū)的需求，參入CF4氣體的SF6混合氣體斷路器可以在-40℃的環(huán)境下工作。目前已經(jīng)生產(chǎn)了一些相當(dāng)成熟的產(chǎn)品，例如115 kV / 40 kA SF6/CF4混合氣體斷路器；245kV/40 kA，550 kV/40 kA甚至800 kV/40 kA的SF6-CF4混合氣體斷路器。加拿大馬尼托巴水電站為適應(yīng)其低溫環(huán)境，研制了一種充氣壓力為0.7 MPa、以體積分?jǐn)?shù)50%SF6/50%CF4為滅弧介質(zhì)的115kV/40 kA 高壓斷路器；ABB公司也推出了其研制的額定電壓550 kV、額定電流4 kA、開斷容量為40 kA的SF6/CF4斷路器，并在多爾西換流站穩(wěn)定運(yùn)行[41-42]。此外，比利時那慕爾大學(xué)的Larin等從理論上分析了SF6/CF4混合氣體在均勻場下的協(xié)同效應(yīng)[43]，并認(rèn)為該混合氣體協(xié)同效應(yīng)的主要原因是CF4對電離反應(yīng)抑制作用與SF6對電離反應(yīng)促進(jìn)作用的配合。

CF3I及其混合氣體作為滅弧介質(zhì)代替SF6氣體研究工作報道近年來也較多。Yanabu等人研究了CF3I/CO2混合氣體的開斷能力[44-48]，發(fā)現(xiàn)CF3I體積分?jǐn)?shù)為30%的混合氣體在小電流開斷時的開斷能力與純CF3I相當(dāng)，實(shí)驗(yàn)比較了不同氣體的電弧時間常數(shù)和功率損耗系數(shù)，最終給燃弧時間常數(shù)從小到大依次排序?yàn)椋篠F6＜CF3I ＜ CO2＜ H2＜ air ＜ N2，電弧功率損耗系數(shù)從大到小排序?yàn)椋篐2＞ SF6＞ CO2＞ air ＞ N2＞CF3I。圖3展示了不同電流下CF3I與N2和CO2混合物的相對開斷能力。結(jié)果表明，CF3I混合氣體不能用于大電流情況下的短路電流，只可用于小電流的絕緣和斷路工作。在小電流情況下，例如1 kA或3 kA，當(dāng)CF3I的混合比例超過20%或30%時，CF3I-CO2混合氣體的開斷性能接近純CF3I的開斷性能。Cressault等人計(jì)算了CF3I與CO2、空氣、N2混合氣體等離子體的物性參數(shù)特性[6]，為電弧等離子體仿真研究提供了必要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖3 CF3I純氣體及其與N2和CO2的混合氣體的相對開斷能力比較[44]

近期在高絕緣性能的新型環(huán)保氣體方面，ABB公司對C5-PFK氣體開展了較多的開斷能力研究，表明C5-PFK混合氣體的弧后電流峰值和持續(xù)時間與SF6接近，但是開斷性能較SF6降低約20%。Dhotre通過流體動力學(xué)仿真模擬研究了高壓斷路器中SF6、C5-PFK/CO2/O2和CO2/O2氣體混合氣體的開斷過程。表1所示為幾種氣體的滅弧應(yīng)用性能參數(shù)對比，C5-PFK/CO2/O2混合氣體在0.7至0.8 Mpa壓力下可得到與0.6Mpa壓力下SF6氣體相當(dāng)?shù)慕^緣強(qiáng)度，且其近區(qū)短路故障開斷能力約為SF6氣體的80%～87%；而C4-PFN/CO2混合氣體在0.67 Mpa至0.82 Mpa壓力下可得到與0.6 Mpa壓力下SF6氣體相當(dāng)?shù)慕^緣強(qiáng)度，且其近區(qū)短路故障開斷能力可達(dá)到SF6氣體的83%至100%[2,49-50]。

表1 SF6替代氣體滅弧性能參數(shù)對比[2, 49, 50]

3 環(huán)保氣體的應(yīng)用情況

ALSTON公司（現(xiàn)GE公司）已將C4-PFN/CO2混合氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)在不同電壓等級的電力設(shè)備上進(jìn)行應(yīng)用，主要有g(shù)3-420kV GIB(-25℃)、g3-245kV CT（-30℃）、g3-145kV GIS（-25℃）。

在中壓領(lǐng)域，ABB公司推出了以C5-PFK/空氣為絕緣介質(zhì)的環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)柜ZX2 AirPlus，該環(huán)保型開關(guān)柜保留了現(xiàn)有GIS的緊湊性及其他優(yōu)點(diǎn)，新氣體的全球變暖潛能值（GWP）小于1，大大降低了對環(huán)境的影響。此外，ABB公司還開發(fā)了以C5-PFK/CO2混合氣體為絕緣和滅弧介質(zhì)的電壓等級170kV、開斷容量40kA環(huán)保型GIS樣機(jī)，該GIS樣機(jī)以原245 kV ELK-14GIS降容至170kV使用，最低使用溫度為5℃，其中C5-PFK氣體分壓為39kPa，總充氣壓力為0.7Mpa絕對壓力。

國內(nèi)，云南電科院、西安交通大學(xué)和西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制了采用C4-PFN混合氣體作為絕緣介質(zhì)的10kV戶外高壓負(fù)荷開關(guān)，該設(shè)備可處于“微負(fù)壓”狀態(tài)下工作，將能有效解決常規(guī)開關(guān)設(shè)備在平原地區(qū)充氣后到高原地區(qū)應(yīng)用出現(xiàn)的“鼓包”問題，尤其適用于云南、貴州等高海拔地區(qū)。武漢大學(xué)開發(fā)了以C6-PFK混合氣體為絕緣介質(zhì)的環(huán)保絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備，并通過了相關(guān)型式試驗(yàn)。

表2匯總了幾種主要的環(huán)保氣體分別在中壓和高壓電力設(shè)備中替代SF6應(yīng)用時的關(guān)鍵參數(shù)。

常規(guī)氣體在電力開關(guān)設(shè)備中作為絕緣與滅弧介質(zhì)應(yīng)用的主要有CO2及其混合氣體、N2、空氣等，相對電壓等級較低，目前最高為145kV，且主要以中壓氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（c-GIS）為主。

在10kV電壓等級上，環(huán)保型氣體開關(guān)設(shè)備主要以空氣或N2絕緣、真空斷路器開斷的形式，如ABB公司的SafeRing/SafePlus Air和ZX0 Air干燥空氣絕緣環(huán)網(wǎng)柜和緊湊型開關(guān)柜。

CO2氣體在較高電壓等級的滅弧介質(zhì)中實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品應(yīng)用，如ABB公司和日本東芝公司分別研制的72.5kV電壓等級純CO2氣體斷路器，以及ABB公司以245kV LTB-E斷路器降容得到的145kV、開斷能力31.5kA的純CO2氣體斷路器。在之后的持續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，為了提高CO2斷路器的熱開斷性能和減少開斷過程中C、CO等分解產(chǎn)物，東芝公司在CO2中加入少量O2。

近年來，德國西門子公司和日本三菱公司重點(diǎn)研究了空氣絕緣技術(shù)及應(yīng)用。西門子公司推出了145kV 8VN1 blue GIS，該設(shè)備以潔凈空氣（采用80%N2和20%O2的混合氣體）絕緣、真空開斷。三菱公司開發(fā)了以干燥空氣絕緣、真空開斷的高壓HG-VA GIS，電壓等級達(dá)到72kV。由于干燥空氣絕緣強(qiáng)度在相同壓力下僅約為SF6氣體的1/3，其結(jié)構(gòu)形式在SF6氣體GIS上做了一些調(diào)整和優(yōu)化，原充氣壓力與原SF6氣體GIS相比略有提升，如原SF6氣體HG-VG GIS為0.15Mpa絕對壓力，而干燥空氣HG-VA GIS充氣壓力為0.25Mpa絕對壓力，且耐壓和短時耐受電流值均有下降。

國內(nèi)，近年來有數(shù)十家企業(yè)在中壓環(huán)保型開關(guān)柜領(lǐng)域投入大量研發(fā)，并取得了顯著的進(jìn)展。上海天靈開關(guān)廠先后推出了N2或SF6-N2混合氣體中壓N2S/N2X系列開關(guān)柜和了N2N系列無SF6氣體絕緣開關(guān)柜，N2N系列開關(guān)柜采用低壓力的氮?dú)?N2)作為絕緣氣體，利用氣體和局部固體相結(jié)合的界面絕緣技術(shù)。沈陽華德海泰電器在環(huán)保型中壓開關(guān)柜方面重點(diǎn)研究和應(yīng)用了干燥空氣絕緣技術(shù)，先后推出了以干燥空氣/N2絕緣、真空斷路器開斷的XGN118-12環(huán)保氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜、HG3-40.5環(huán)保型氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（C-GIS）、HG6-72.5kV環(huán)保型氣體絕緣組合電器(MTS)等設(shè)備。

表2 不同SF6替代氣體在中高壓設(shè)備中應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)與環(huán)境影響

4 結(jié)束語

本文綜述了SF6替代氣體的研究及應(yīng)用情況，主要進(jìn)展可歸納如下：

1）SF6與N2、CF4的混合氣體可作為絕緣或滅弧介質(zhì)應(yīng)用，以降低SF6氣體對環(huán)境的影響，但該方法無法徹底解決SF6氣體應(yīng)用帶來的環(huán)境問題；

2）N2和干燥空氣可作為絕緣介質(zhì)應(yīng)用在中壓電力設(shè)備中，且已有大量商業(yè)產(chǎn)品應(yīng)用，但由于絕緣性能較低，難以在更高電壓等級推廣；

3）C5-PFK的絕緣強(qiáng)度和液化溫度均較高，C5-PFK/空氣混合氣體可應(yīng)用于中壓領(lǐng)域；

4）在高壓電力設(shè)備中，C5-PFK和C4-PFN與CO2或CO2/O2的混合氣體具有較大應(yīng)用潛力，C5-PFK混合氣體GWP值低，但僅適用于戶內(nèi)設(shè)備，C4-PFN混合氣體GWP值略高，但可應(yīng)用于戶外環(huán)境。

綜上，現(xiàn)有針對C5-PFK、C4-PFN等新型環(huán)保氣體的研究，大多針對其與CO2、空氣的混合氣體，而對于其他緩沖氣體效果的研究報道較少。另一方面，C5-PFK、C4-PFN氣體由于分解后無法完全復(fù)合，其混合氣體作為滅弧介質(zhì)的分解與復(fù)合仍需進(jìn)一步研究；同時，現(xiàn)有斷路器結(jié)構(gòu)大多針對SF6氣體的性質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如將新型環(huán)保氣體作為滅弧介質(zhì)應(yīng)用，需要針對性地開展斷路器滅弧室設(shè)計(jì)與優(yōu)化研究，以充分發(fā)揮氣體的滅弧性能，提升斷路器開斷能力。