環(huán)保絕緣氣體設(shè)備研發(fā)與應(yīng)用進(jìn)展

靳夢(mèng)磊,夏亞龍,肖 淞,李 祎,唐 炬,張曉星

(1.武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院, 湖北 武漢 430068;2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院, 四川 成都 610041;3.新能源及電網(wǎng)裝備安全監(jiān)測(cè)湖北省工程研究中心(湖北工業(yè)大學(xué)),湖北 武漢 400068)

0 引 言

采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)的輸配電設(shè)備,由于可靠性高、運(yùn)行維護(hù)周期長(zhǎng)、占地面積小等優(yōu)點(diǎn),在各電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)中應(yīng)用極其廣泛,特別是在110 kV及以上電壓等級(jí)的氣體絕緣輸配電設(shè)備中具有統(tǒng)治地位[1-2]。然而,SF6作為一種全球變暖潛能值(global warming potential, GWP)達(dá)到CO2的23 500倍的溫室氣體,造成了不容忽視的環(huán)境問(wèn)題。事實(shí)上,它是聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專門委員會(huì) (IPCC) 認(rèn)定的迄今為止最強(qiáng)勁的溫室氣體。由于SF6氣體作為絕緣氣體在電氣設(shè)備中的大量使用,致使其在大氣中的濃度持續(xù)增加。為助力解決溫室氣體排放所導(dǎo)致的愈發(fā)嚴(yán)峻的環(huán)境問(wèn)題,以及落實(shí)中國(guó)“2030年碳達(dá)峰,2060年碳中和”的目標(biāo)要求,環(huán)境友好型氣體及設(shè)備研發(fā)刻不容緩[3-5]。

下面綜述了常見環(huán)保絕緣氣體的基礎(chǔ)特性并介紹了近些年國(guó)內(nèi)外環(huán)保絕緣氣體設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用進(jìn)展,最后展望了環(huán)保型氣體絕緣介質(zhì)應(yīng)用可能面臨的問(wèn)題與發(fā)展前景,并提供了相關(guān)建議。

1 常見環(huán)保絕緣氣體

SF6于20世紀(jì)70年代被成功制備并開始作為絕緣與滅弧介質(zhì)在GIS等氣體絕緣設(shè)備中應(yīng)用[6]。早期研究SF6替代氣體主要為解決其液化溫度較高的問(wèn)題。1980年,通用電氣公司J C Devins等對(duì)35種潛在絕緣氣體進(jìn)行了性能測(cè)試,并通過(guò)飽和蒸氣壓特性分析了應(yīng)用可行性,指出:應(yīng)用在0.2 MPa氣壓時(shí)存在性能優(yōu)于SF6的氣體,分別是C4F7N、C2F5Cl、CF3-C≡C-CF3和C2F5CN;其他氣體只有設(shè)備在更高運(yùn)行溫度下才具備替代SF6的潛力:綜合來(lái)看SF6仍是最為理想的氣體絕緣介質(zhì)[7]。此后,SF6在1997年簽署的《京都議定書》中被列為六大溫室氣體目錄,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始從環(huán)保角度對(duì)絕緣氣體展開研究。表1給出了目前常見的環(huán)保絕緣氣體的基礎(chǔ)特性參數(shù)[8]。

表1 SF6及環(huán)保絕緣氣體的基礎(chǔ)特性參數(shù)

根據(jù)研究對(duì)象可將環(huán)保絕緣氣體分為傳統(tǒng)類與混合類:傳統(tǒng)類包括N2、CO2和干燥空氣;混合類包括SF6混合氣體,如SF6/N2、SF6/CO2、SF6/CF4等,以及氟碳類強(qiáng)電子親和性氣體,包括氫氟碳化物(hydrofluorocarbons,HFCs)、全氟化碳(perfluorinated compounds, PFCs)、CF3I、全氟化腈(perfluornitriles, PFNs)、全氟化酮(perfluorinated ketone, PFK)等[9-10]。

其中傳統(tǒng)氣體在液化溫度、環(huán)保特性、安全性方面表現(xiàn)優(yōu)異,但其絕緣性能僅為SF6的30%～38%,因此常作為緩沖氣體與SF6或強(qiáng)電子親和性氣體進(jìn)行混合使用;而全氟化碳和CF3I則存在液化溫度高、固體析出嚴(yán)重、環(huán)保性能不佳、安全性差等缺點(diǎn),沒有工程應(yīng)用可行性[8]。相比之下,全氟化酮、全氟化腈兩類物質(zhì)絕緣性能高于SF6且環(huán)保特性優(yōu)異,雖然液化溫度較高,但與CO2等常規(guī)氣體混合使用可以滿足設(shè)備最低運(yùn)行溫度的要求,具有在中、高壓氣體絕緣設(shè)備的應(yīng)用潛力。

目前,諸多輸配電設(shè)備生產(chǎn)廠家也推出了以全氟化酮、全氟化腈為絕緣介質(zhì)的環(huán)保型設(shè)備,通過(guò)了型式試驗(yàn)并開展了示范運(yùn)行及推廣工作。下面主要針對(duì)國(guó)內(nèi)外全氟化酮、全氟化腈環(huán)保絕緣氣體的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

2 國(guó)外氣體絕緣設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用

目前,國(guó)外對(duì)以環(huán)保絕緣氣體為絕緣介質(zhì)的多電壓等級(jí)輸配電設(shè)備研發(fā)都取得了一定進(jìn)展。自2015年以來(lái),通用電氣公司與ABB公司基于3M公司的Novec絕緣氣體,率先推出系列環(huán)保絕緣氣體輸配電設(shè)備,隨后其他廠家也陸續(xù)開展應(yīng)用。表2和圖1為3M公司部分環(huán)保絕緣氣體設(shè)備安裝案例。

圖1 3M部分環(huán)保絕緣氣體設(shè)備安裝案例地圖

圖2 ABB公司的環(huán)保型380 kV GIS安裝在德國(guó)TransnetBW公司的Weier變電站

圖3 日立能源的世界首個(gè)環(huán)保型420 kV罐式斷路器

圖4 韓國(guó)首個(gè)環(huán)保型170 kV GIS

圖5 Vista綠色地下配電開關(guān)柜

圖6 云南12 kV環(huán)保型氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜

圖7 安裝完成的110 kV C4環(huán)保氣體GIS完整間隔

表2 3M部分環(huán)保絕緣氣體設(shè)備安裝案例

從應(yīng)用3M環(huán)保絕緣氣體的設(shè)備安裝案例情況來(lái)看,自2015年起,國(guó)外包含多種類型、多種電壓等級(jí)的環(huán)保絕緣氣體輸配電設(shè)備陸續(xù)被投運(yùn)使用。部分典型案例如下:

2015年,ABB公司成功使用AirPlus,即C5F10O/Air混合氣體用于瑞士蘇黎世的EWZ公司170 kV GIS,該GIS是世界上第一個(gè)采用環(huán)保絕緣氣體的氣體絕緣開關(guān)設(shè)備。自2015年以來(lái),EWZ公司成功運(yùn)行了第一批中、高壓環(huán)保絕緣氣體應(yīng)用的試點(diǎn)裝置[11]。

2016年,通用電氣公司聯(lián)合3M公司推出了世界首臺(tái)采用C4F7N/CO2混合氣體作為絕緣介質(zhì)的氣體絕緣輸電管道,該420 kV/63 kA GIL的工作絕對(duì)氣壓為1.06 MPa,運(yùn)行溫度為-25～40 ℃[12]。首臺(tái)該型GIL安裝于倫敦南部的Sellindge變電站,長(zhǎng)度約為300 m的兩條回路投運(yùn)至今未發(fā)現(xiàn)異常。

2018年,ABB公司贏得德國(guó)輸電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商TransnetBW的約4000萬(wàn)美元訂單,用于升級(jí)德國(guó)巴登符騰堡州Obermooweiler的高壓變電站。作為升級(jí)不可或缺的一部分,ABB公司安裝了世界首個(gè)環(huán)保型380 kV GIS,該設(shè)備采用環(huán)保絕緣氣體混合物,符合SF6行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[13]。

日立能源(原ABB電網(wǎng))于2022年11月宣布,將為歐洲領(lǐng)先的電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商TenneT在德國(guó)的埃爾茨豪森220 MW抽水蓄能電站提供世界首臺(tái)環(huán)保型420 kV GIS和先進(jìn)的預(yù)裝式模塊化并網(wǎng)解決方案,整個(gè)項(xiàng)目將于2026年竣工,該應(yīng)用能夠有效減少SF6近2.3 t[14]。此外,日立能源將于2023年中期為美國(guó)Eversource公司的345 kV變電站提供全球首臺(tái)420 kV環(huán)保型罐式斷路器,不僅能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離大容量輸電,同時(shí)避免SF6氣體的大量使用[15]。

2016年,為開發(fā)環(huán)保型170 kV GIS,韓國(guó)LS電氣公司與通用電氣公司簽訂技術(shù)合作,該GIS采用C4F7N/CO2/O2混合氣體作為絕緣介質(zhì),于2020年在國(guó)際認(rèn)證測(cè)試所韓國(guó)電氣研究院(KERI)完成了性能測(cè)試,并獲得世界首個(gè)國(guó)際短路試驗(yàn)聯(lián)盟(STL)對(duì)環(huán)保型170 kV/50 kA GIS的短路認(rèn)證。2022年,LS電氣獲得韓國(guó)首個(gè)170 kV環(huán)保型GIS項(xiàng)目訂單,將于2023年11月前完成10臺(tái)該型環(huán)保GIS的供應(yīng),并將于2024年初正式投入運(yùn)營(yíng)[16]。

2021年,S&C Electric Company于美國(guó)芝加哥推出采用C4F7N/CO2氣體的38 kV地下配電開關(guān)柜。該開關(guān)柜與同公司使用SF6的Vista開關(guān)設(shè)備具有相同的性能、可靠性、額定值和占地面積,且在潛水式和中壓開關(guān)柜中的總碳足跡最低[17]。

整體上,國(guó)外對(duì)于環(huán)保絕緣氣體的研發(fā)起步較早,應(yīng)用面已經(jīng)涵蓋低、中、高多種電壓等級(jí)以及GIS、GIL、CT等多種類型氣體絕緣設(shè)備。事實(shí)上,通用電氣公司、日立能源對(duì)于旗下環(huán)保絕緣氣體設(shè)備研發(fā)應(yīng)用的路線圖已制定至2025年,未來(lái)環(huán)保絕緣氣體的應(yīng)用勢(shì)必會(huì)涵蓋更多電壓等級(jí)和種類,環(huán)保絕緣氣體設(shè)備應(yīng)用方興未艾。

3 國(guó)內(nèi)氣體絕緣設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用

國(guó)內(nèi)對(duì)于環(huán)保絕緣氣體設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用現(xiàn)處于起步階段。2016年以來(lái),電網(wǎng)公司聯(lián)合諸多科研院校、研究機(jī)構(gòu)和設(shè)備生產(chǎn)廠家開展了一系列環(huán)保絕緣氣體應(yīng)用可行性研究及設(shè)備研發(fā)。表3為近年來(lái)國(guó)內(nèi)部分環(huán)保絕緣氣體設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用情況[18]。

表3 國(guó)內(nèi)環(huán)保絕緣氣體設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用情況

其中,南方電網(wǎng)云南曲靖麒麟供電局于2021年4月29日在麒麟?yún)^(qū)10 kV幸福小區(qū)線投運(yùn)的環(huán)保型氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜,系國(guó)內(nèi)首臺(tái)采用環(huán)保氣體作為“開斷介質(zhì)+絕緣介質(zhì)”的12 kV環(huán)網(wǎng)柜在電網(wǎng)示范運(yùn)行。該開關(guān)設(shè)備創(chuàng)新性采用C4F7N混合環(huán)保氣體作為開斷和絕緣介質(zhì)的“微負(fù)壓+零表壓”產(chǎn)品路線,特別適用于高海拔、低溫的區(qū)域,實(shí)現(xiàn)了環(huán)保氣體在低充氣壓力下開斷和絕緣技術(shù)的重大突破,有效解決了氣體絕緣開關(guān)設(shè)備在微負(fù)壓下的開斷和絕緣問(wèn)題,以及氣體絕緣開關(guān)設(shè)備運(yùn)行于高海拔地區(qū)的充氣隔室漏氣和鼓包問(wèn)題,為低碳環(huán)保、堅(jiān)強(qiáng)配電網(wǎng)提供安全可靠的有力支持[19]。

上海110 kV寧國(guó)變電站于2022年12月5日順利投運(yùn)國(guó)內(nèi)首臺(tái)(套)110 kV C4F7N環(huán)保氣體GIS。在GIS設(shè)備全壽命周期內(nèi),采用的C4F7N環(huán)保氣體在相同壓力下絕緣性能約為SF6氣體的兩倍,且能夠減少近100%的碳排放,滿足電網(wǎng)設(shè)備安全運(yùn)行要求。該設(shè)備投運(yùn)是落實(shí)“雙碳”行動(dòng)的又一成功實(shí)踐,標(biāo)志著電力系統(tǒng)設(shè)備選型向環(huán)境友好類型又邁進(jìn)一步,對(duì)環(huán)保組合電器設(shè)備在電力系統(tǒng)進(jìn)一步推廣應(yīng)用具有重要意義[20]。

總體來(lái)看,現(xiàn)今國(guó)內(nèi)中、低電壓等級(jí)下環(huán)保絕緣氣體輸配電設(shè)備的研發(fā)應(yīng)用頗有進(jìn)展,但高電壓等級(jí)下的應(yīng)用多處于型式試驗(yàn)階段,示范應(yīng)用較少。環(huán)保絕緣氣體設(shè)備的投運(yùn)需要進(jìn)一步積累實(shí)際應(yīng)用數(shù)據(jù)與相關(guān)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證其應(yīng)用可靠性,設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的有害氣體處理與檢測(cè)、氣體與設(shè)備內(nèi)部材料的相容性等可能面臨的技術(shù)問(wèn)題仍需進(jìn)一步研究解決。

4 結(jié) 論

上面對(duì)常見環(huán)保絕緣氣體的基本特性參數(shù)進(jìn)行了比較,分析了其應(yīng)用于氣體絕緣輸配電設(shè)備的可行性;介紹了目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于環(huán)保絕緣氣體的示范應(yīng)用情況。目前環(huán)保絕緣氣體的主要應(yīng)用集中在全氟化酮、全氟化腈上,尤其是C5F10O、C4F7N混合氣體。國(guó)外已經(jīng)推出多種類型、多種電壓等級(jí)的環(huán)保絕緣氣體輸配電設(shè)備并實(shí)現(xiàn)示范運(yùn)行,國(guó)內(nèi)相關(guān)應(yīng)用多集中于低、中電壓等級(jí)設(shè)備,高電壓等級(jí)設(shè)備應(yīng)用處于起步階段。

盡管近些年對(duì)于環(huán)保型氣體絕緣介質(zhì)的研究取得了一些突破,但仍存在設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的有害氣體處理與檢測(cè)、滅弧場(chǎng)景需要考慮的斷路器結(jié)構(gòu)調(diào)整等技術(shù)問(wèn)題需要解決,仍需進(jìn)一步積累設(shè)備研發(fā)、實(shí)際應(yīng)用與運(yùn)維策略的總結(jié),逐步排查并解決各類理論和技術(shù)問(wèn)題。環(huán)保絕緣氣體的應(yīng)用發(fā)展需要電氣、物理、化學(xué)等多學(xué)科領(lǐng)域的交叉融合,需要進(jìn)一步聯(lián)合設(shè)備制造企業(yè)、電網(wǎng)公司、科研院所等開展合作研發(fā),逐步探索并實(shí)現(xiàn)環(huán)保絕緣氣體的進(jìn)一步推廣應(yīng)用,助力減少氣體絕緣輸配電設(shè)備對(duì)使用SF6的依賴,最終促進(jìn)電力工業(yè)“2030年碳排放達(dá)峰,2060年碳中和”減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。