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SF6替代气体的研究何时才能普及?

发布时间:2018-06-27



武汉大学电气工程学院的研讨人员张晓星、田双双等,在2018年第12期《电工技能学报》上撰文指出,较高的温室效应使得六氟化硫(SF6)在气体绝缘设备中的运用遭到约束,国内外学者致力于寻觅能够代替SF6的环境友好型气体,并取得了相关的研讨效果。

惯例气体、SF6混合气体和电负性气体及其混合气体等多种气体作为绝缘或灭弧介质体现出不同的优势,一起也存在一些劣势。

总结现在研讨的首要代替气体及取得的开展,并从理化性质、绝缘功能、灭弧特性以及机理研讨等方面进行具体的概括总结,剖析不同代替气体在工程运用上的适用范围和约束性。在现有研讨的基础上剖析SF6代替气体其时的开展趋势和运用远景。



SF6因其较强的绝缘功能和灭弧才能广泛运用于气体绝缘设备中,如气体绝缘关闭组合电器(Gas Insulated Switchgears, GIS)、充气柜(Cubic type Gas Insulated Switchgears, C-GIS)、气体绝缘断路器(Gas Circuit Breaker, GCB)和气体绝缘管道母线(GasInsulated Line, GIL)等,其间高压开关设备的用气量约占SF6用气量的80%以上,中压开关设备的用气量约占10%。

跟着电力行业的开展SF6的运用量飞速上涨[1]。SF6气体绝缘设备的调试、检修以及气体的走漏和收回都会使得SF6进入大气环境中。然而,SF6气体被公认为一种对大气环境有较大危害的温室气体,其温室效应潜在值(Global Warming Potential, GWP)是CO2的23 900倍,在大气中的存活寿命为3 400年[2]。

联合国气候变化条约缔约方在1997年签定的《京都议定书》中,将SF6列为六种约束性运用的温室气体之一,并要求约束SF6的运用。美国、欧盟、英国和日本政府均与电力公司协作,提出一系列削减温室气体排放的办法,且美国加州提出从2020年开端逐年下降电气范畴SF6运用量,欧盟计划在2030年将SF6排放量缩减到2014年的2/3[3]。大气中的SF6气体的含量以每年8.7%的速度添加[4],到现在为止,SF6气体占温室气体总排量已经超越15%,因而寻觅环境友好型的SF6代替气体作为绝缘介质用于电气设备刻不容缓。

SF6在大功率电弧、火花放电和电晕放电作用下会发作不同程度的分化,生成各种低氟硫化物(SFx,x=1, 2, 3, 4, 5),假如SF6气体绝缘配备内部一起存在微量的H2O和O2等杂质成分,其分化物还会进一步与之发作反响,生成如SO2F2、SOF2、SO2、HF和H2S等组分气体[5-9],这些分化气体有不同程度的毒性,给电力从业者带来安全隐患[10]。因而SF6的削减和代替是电力行业急需处理的问题,一起具有极大的环境效益和社会效益。

从20世纪70年代各国学者便开端寻觅环境友好型气体,探求不同气体和绝缘功能并剖析代替SF6的可行性。现在首要研讨的代替气体有三类:惯例气体(空气、N2和CO2)、SF6混合气体和强电负性气体及其混合气体。

针对三类气体除了气体自身的理化性质,还进行了电气功能方面的试验和理论探求,试验丈量不同工况下(直流、沟通和冲击电压)代替气体的部分放电特性、击穿特性和灭弧特性等表征绝缘才能的参数,并剖析不同代替气体的绝缘功能遭到气压、电场均匀度和电极距离的影响,从试验数据直观了解不同气体的绝缘功能。

理论方面首要从微观层面剖析气体的分子结构,核算气体的磕碰截面参数,再经过求解玻耳兹曼方程或者蒙特卡洛模仿办法进一步核算电场评价气体的绝缘功能,结合部分热动力学方程核算微观粒子的热动力学参数(比热、质量密度和焓值)和输运参数(扩散系数、粘性系数、导热系数和电导率),判别气体的灭弧功能,并与SF6进行比较,为代替的可能性供给理论支撑。微观参数的核算比较复杂且遭到多种要素的影响,核算的准确性和合理性还需求经过试验验证。

本文剖析了三种类型代替气体的研讨现状总结现有的研讨效果,从理化性质、绝缘功能、灭弧特性、机理研讨以及工程运用等方面进行了具体的概括总结,并指出了不同代替气体的约束和适用范围。最后结合其时研讨现状和存在的问题,指出代替气体未来研讨的趋势和开展的远景。

1 、惯例气体

惯例气体首要为枯燥空气、N2、CO2以及相应的混合气体,因为惯例气体理化性质比较安稳,制备本钱较低,液化温度远低于SF6,且有较低的温室效应,运用于气体绝缘设备中的远景遭到较大重视。

日本日立公司研讨发现气压为0.5MPa空气的绝缘强度大于纯N2和CO2,与N2/O2(O2体积分数为20%)绝缘强度适当,并指出0.6MPa下空气的绝缘强度为SF6/N2(SF6体积分数为5%)的95%[11]。日本名古屋大学研讨了CO2混合N2、O2、He和空气的电流开断才能,研讨发现30% CO2混合O2或He击穿后剩余电弧的电导下降更快,开断才能明显进步[12]。日本AE电力公司研讨了空气和N2在棒-板电极下的部分放电和击穿特性,两者的部分放电开始电压简直相同但空气的击穿电压大于纯N2[13]。

法国图卢兹大学的Yousfi等核算了CO2、N2和O2及其混合气体的电子崩参数,比较了CO2混合N2和O2的临界场强,为剖析绝缘特性供给了理论基础[14]。东京电力公司对CO2和N2进行了很多的试验研讨,探求非规范雷电冲击电压下的击穿特性和伏秒特性,剖析代替SF6运用于GIS中的可能性[15,16]。

ABB公司的P. C. Stoller等研讨了CO2在断路器中的灭弧才能,并与空气和SF6进行比较,CO2的灭弧才能优于空气,有可能代替SF6,但需求优化断路器的结构[17]。挪威科技大学的N. S. Aanensen等测验了空气对440A、630A和880A电流的开断才能,剖析了触头和喷嘴尺度以及空气流速对开断才能的影响[18]。

惯例气体与固体相结合的绝缘办法也有必定的研讨效果,在电极外表添加固体绝缘涂料,添加设备的绝缘才能,日本企图将高气压的N2与固体绝缘材料结合运用在GIS中,不改变设备的尺度的条件下,选用1.0MPaN2与固体绝缘材料结合能够代替0.5MPa的SF6[19]。日本明电舍公司研讨了空气、N2与固体复合绝缘材料在开关设备中的运用,电极添加固体涂料能够使击穿电压进步到本来的1.5倍[20]。

日本东芝三菱输配电株式公社选用CO2与固体绝缘材料结合的办法规划并制作了72.5~31.5kV等级的CO2气体绝缘开关柜,经过测验结果满意绝缘需求[21]。韩国忠北国立大学试验研讨空气与硫化硅橡胶组合绝缘的雷电冲击击穿特性,组合绝缘的击穿电压高于纯枯燥空气,为组合绝缘运用于GIS、GIL以及GCB等设备供给了根本的数据支持[22]。

惯例气体虽然性质安稳,在部分中低压设备中作为绝缘介质能够代替SF6,可是气体分子吸附电子的才能远小于SF6,导致绝缘强度小于SF6的40%。在设备中运用惯例气体一般要增大气压一起增大电气设备的尺度,造成设备占地面积添加,经济本钱也相对添加,不利于大范围的推行运用。

2 、SF6混合气体

20世纪70年代,SF6混合气体作为绝缘介质的研讨逐步打开,其时首要意图是为了处理高寒区域SF6气体简单液化、SF6气体价格昂贵以及SF6对不均匀电场较灵敏等问题。现在SF6混合气体研讨首要包括空气、N2、CO2、N2O、CF4以及一些惰性气体。

温莎大学学者于20世纪70年代在均匀和不均匀电场下施加直流、沟通和脉冲电压研讨SF6与空气,N2O和N2混合气体的击穿特性。SF6/N2(SF6含量在50%~60%)混合气体介电强度可到达SF6的85%~90%,且能够进步在极不均匀电场下的脉冲和沟通击穿强度,运转气压能够比SF6极限压强高600kPa,800kV输电线路的混合气体本钱为SF6的21%[23]。

美国西屋电气公司L. E. Kline等经过求解玻耳兹曼方程电子能量散布,核算SF6及其混合气体(He和N2)的电离系数、附着系数和极限击穿场强,有理论上剖析了SF6及与He和N2混合气体代替SF6的可能性[24]。进入20世纪80年代,A. Lee等研讨SF6和其混合气体在灭弧室的开断才能,评价了十五种气体以及混合气体60Hz沟通电的灭弧功能,结果标明这些参加测验的气体及混合气体灭弧功能均低于SF6[25]。

印度科学研讨所R. S. Nema等给出核算SF6及其混合气体在均匀和不均匀场强下的击穿电压的公式,并供给了核算不同SF6混合物(N2、空气、N2O,其间SF6含量为5%~100%)击穿电压对应的系数[26]。温莎大学的R. S.Safar等研讨了负极性脉冲电压不均匀电场下SF6与N2、空气和CO2混合气体的击穿特性,三种混合气体中SF6/CO2击穿电压最高乃至略高于纯SF6[27]。

西安交通大学的邱毓昌带领团队对SF6与空气、N2O、N2和CO2等的混合气体在不同电场条件下的绝缘特性进行了系统研讨[28]并与国内出产厂家协作先后开发了SF6混合气体绝缘变压器、电容器以及开关柜等电力设备。SF6混合气体作为绝缘介质的电力设备也在实践工程得到了运用,德国西门子公司研发的世界上第一条SF6/N2混合气体GIL于2001年在瑞士日内瓦国际机场投入运转[29],现在SF6/N2混合气体GIL已成功运用在245~550kV线路中。

根据直流高压设备在电力系统建设中的需求逐步增高,华北电力大学李庆民、王健等学者建立了直流电压同轴圆柱电极下金属微粒在SF6/N2混合气体中的运动模型,为研讨微粒对SF6/N2混合气体绝缘功能的影响供给研讨基础[30]。西安交通大学的张乔根等对SF6/N2混合气体进行了研讨和剖析,并提出一种新的核算和衡量协同效应的办法,并发现混合气体的低气压下负极性雷电冲击的击穿电压和高气压下正极性雷电冲击的击穿电压出现负协同效应[31]。

研讨发现CF4具有杰出的灭弧功能[32],因而与SF6混合气体的绝缘功能也遭到重视。韩国仁荷大学的学者C. H. Hwang等试验研讨了SF6/CF4混合气体在25.8kVGIS中的击穿特性[33]。韩国汉阳大学的学者S. H. Lee等比较了N2、SF6和CF4在低温下高压套管内的击穿特性,CF4液化温度较低且高寒环境中体现出较杰出的绝缘特性[34]。

上海交通大学的肖登明团队对SF6/CF4混合气体微观参数进行了核算,经过蒙特卡洛模仿SF6/CF4混合气体放电的电子崩参数,评论了混合CF4后SF6电子崩参数的变化[35,36]。西安交通大学赵虎和李兴文等对SF6/CF4混合气体击穿特性打开研讨,经过求解玻耳兹曼方程求解冷态气体和热态气体的电子能量散布、电离和吸附反响系数得到折合临界场强,判别混合气体的击穿特性[37,38]。

M. J. Pinheiro等经过两项近似求解玻耳兹曼方程得到SF6与He、Xe、CO2和N2混合气体的有用电离系数和临界击穿场强,核算结果发现四种混合气体SF6与N2混合气体的临界击穿场强最高[39]。日本神州大学的K. Tomita等研讨了20%SF6与80%Ar混合气体在断路器中的开断才能,剖析了电弧平息的开展进程并丈量灭弧进程中的电子密度,混合气体电弧的平息速度大于纯Ar[40]。

西安交通大学的王伟宗、荣命哲等核算了高压断路器中300~3 500K高温下SF6与He混合气体的有用电离系数和临界击穿场强,混合气体具有较好的开断才能归因于He原子自身具有较高的比热和热导率[41]。

SF6混合气体在绝缘电气设备的推行和运用能够必定程度削减SF6气体的运用量和排放量,可是不能彻底防止SF6的运用,无法从根本上处理温室效应问题。SF6混合其他气体后液化温度会下降,具有必定的工程意义,可是SF6混合气体绝缘功能和灭弧功能都有不同程度的下降,其适用范围遭到约束。

3、电负性气体及其混合气体

3.1  电负性气体

除上述惯例气体和SF6混合气体外,一些物理化学性质安稳、绝缘强度高且温室效应较低的电负性气体在电气范畴中的研讨取得一些效果。一些氢氟碳化物(Hydrofluorocarbons, HFCs)和全氟化碳(Perfluorocarbons, PFCs)气体因其优良的介电特性、较强的电负性和相对较低的温室效应而被重视。常见的电负性气体有CF3I、c-C4F8、C3F8和C2F6等。表1为几种气体的特性参数[42]。

表1  气体的特性参数
SF6代替气体研讨现状总述

近些年,CF3I作为一种功能安稳的典型电负性气体遭到绝缘介质研讨范畴的重视,CF3I气体有理化功能、热力学性质以及电气功能方面都体现杰出。墨西哥学者De Urquijo J. 经过脉冲汤森试验研讨了CF3I的电子漂移速度,有用电离系数和临界电场强度等参数。研讨标明纯CF3I的电子漂移速度要略低于SF6,且纯CF3I的临界场强为437Td(1Td= 10-17V·cm2),大于纯SF6(SF6为360Td)[43]。

法国Laplace试验室Cressault核算了CF3I的平衡组成、热力学性质(质量密度、焓值和定压比热)和传输特性(电导率、热导率和粘度)并与SF6进行比照。核算结果证明CF3I和SF6的导热率挨近,CF3I在传导热量和灭弧方面能够到达与SF6的水平;纯CF3I和CF3I混合气体的电导率都要低于纯SF6,这也证明了CF3I及其混合气体具有较强的绝缘才能,相对SF6更简单按捺放电的发生和开展[44]。

东京电机大学研讨人员经过在球-球空隙下施加规范雷电冲击电压,纯CF3I的击穿功能是SF6的1.2倍左右[45]。东京大学武田敏信等研讨了纯CF3I与聚四氟乙烯界面上冲击电压下的绝缘特性,CF3I的第一次沿面闪络电压是SF6的1~1.2倍,之后降到SF6的0.6倍左右并坚持,界面上有碘固体分出影响绝缘功能[46]。碘的出现可能导致介电强度的下降:经过长期屡次(1 300次)高压击穿,CF3I的闪络电压下降11%[47]。

东京大学比照了波头时刻为16ns、峰值为200kV的冲击电压下CF3I与SF6在不同均匀度电场下的伏秒特性,结果标明电场运用率越高,CF3I的伏秒特性越好;在低电场运用率下,SF6的伏秒特性更佳[48]。比较SF6气体,CF3I气体的伏秒特性受电场不均匀程度影响更严重[45]。

日本神州工业大学运用气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)研讨了不同放电量下部分放电CF3I分化产品的组成以及变化趋势。发现CF3I部分放电分化发生C2F6、C2F4、C2F5I、C3F8、CHF3、C3F6和CH3I等产品,其间CH3I是放电累积到必定时刻后出现的气体。分化产品中C2F6含量最高,其次是C2F4,其他的产品含量很少,CF3I部分放电后并不能彻底康复到原始状况[49]。

重庆大学学者经过密度泛函理论对常温常压下含有微量水分的CF3I放电分化进程进行仿真剖析,研讨标明水的存在会破坏CF3I自身的动态平衡,下降其绝缘功能[50]。

日本京都大学的宅間董(Takuma Tadasu)等对c-C4F8气体的绝缘功能进行了探求,发现纯洁的c-C4F8气体在均匀电场下的绝缘功能是SF6气体的1.18~1.25倍,但该气体液化温度较高无法在低温高海拔区域运用[51]。

中国电力科学研讨院电工研讨所研讨了c-C4F8的部分放电特性,证明纯c-C4F8气体的部分放电开始电压是纯SF6气体的1.3倍左右[52];一起研讨了c-C4F8在部分过热、部分放电、火花放电及电弧放电等毛病下的分化产品,并对毛病生成物的危害性进行了讨论[53]。

20世纪80年代,J. C. Devins研讨了C3F8和C2F6等多种电负性气体的击穿电压,认为C3F8绝缘功能大于C2F6[54]。上海交通大学学者根据稳态汤森(Steady State Townsend, SST)选用两项近似办法求解玻耳兹曼方程,运用批改的磕碰截面核算了C3F8临界击穿场强为338Td,认为其绝缘功能与SF6适当[55]。墨西哥学者DeUrquijo J. 核算了C2F6临界击穿场强为304Td,约为SF6的0.84[56]。

CF3I和c-C4F8绝缘功能可到达SF6的1.2倍以上,体现出较大的代替潜力,C3F8和C2F6绝缘功能略低于SF6,且遭到气压、温度等要素的影响较大。因为纯电负性气体遍及具有相对较高的液化温度(尤其是CF3I、c-C4F8和C3F8),使得难以直接取得运用,有必要与液化温度较低的缓冲气体混合运用。

3.2  电负性气体混合气体

缓冲气体一般选择为N2或CO2,这两种气体性质安稳,液化温度分别为-196℃和-78℃,与电负性气体混合后可极大的改善液化温度功能。

日本名古屋大学的Y. Yokomizu等对CF3I/CO2高温等离子体进行了相关研讨,发现温度低于10 000K条件下,CF3I/CO2的电导率随CF3I添加而提高,在7 000K左右,其热导率与CF3I有关;当CF3I在混合气体的质量分数高于0.9后,其电弧电导率下降,灭弧才能增强[57]。

东京电机大学试验研讨雷电冲击电压下球-球电极的50%击穿电压,CF3I/CO2中CF3I含量为60%时,其绝缘强度能够到达纯SF6水平,30%/70%的CF3I/CO2混合气体绝缘强度为纯SF6的0.75~0.8倍,跟着CF3I体积分数的添加,CF3I/CO2混合气体的击穿强度呈线性添加[58]。

法国格勒诺布尔大学研讨人员运用球-球电极模型模仿准均匀电场测验CF3I/N2混合气体的直流击穿绝缘特性。相同份额下,CF3I/N2击穿电压比SF6/N2低,跟着CF3I混合比的添加,CF3I/N2混合气体的直流击穿电压呈近似的线性添加趋势,而SF6/N2出现出非线性添加趋势[59]。

华北电力大学的屠幼萍经过直流击穿试验证明30%/70%的CF3I/N2与20%/80%的SF6/N2的绝缘功能适当[60]。重庆大学学者试验探求了CF3I/N2的击穿特性及受气压和电场均匀度的影响程度,指出气压0.3MPa时30%CF3I与70%N2混合能够作为绝缘介质运用在绝缘要求不高的中压电力设备中[61]。

东京大学运用相同冲击电压在电场运用系数为0.89、距离为10mm的球-板电极下对CF3I/N2及CF3I/空气等混合气体的伏秒特性进行了研讨,试验结果标明:CF3I气体的混合比到达60%时,CF3I/N2及CF3I/空气混合气体的伏秒特性与SF6气体近似相同[48]。

重庆大学学者研讨了混合比、压强、电极距离等要素对CF3I/N2和CF3I/CO2两种混合气体工频部分放电特性的影响规则,并与相同条件下SF6及其混合气体进行了比照剖析,研讨结果标明:N2、CO2等缓冲气体能够下降混合气体的液化温度,CF3I/CO2混合气体的部分放电开始电压是相同条件下SF6/CO2的0.9~1.1倍,CF3I体积分数为30%~70%的CF3I/CO2混合气体PD功能到达纯SF6的0.74倍左右,CF3I体积分数为20%的CF3I/N2混合气体的工频部分放电开始电压到达相同条件下SF6/N2混合气体的0.92~0.94倍。CF3I/CO2混合气体体现出杰出的协同效应,协同效应值为0.53[2,62-64],并剖析了CF3I/CO2混合气体运用在C-GIS中代替SF6的可行性[65]。

东京电机大学研讨人员研讨了CF3I/CO2和CF3I/N2混合气体在开断近区毛病(Short Line Fault, SLF)和断路器端部毛病(BreakerTerminal Fault, BTF)中的开断功能,CF3I/CO2混合气体的开断功能体现出协同效应,而CF3I/N2混合气体协同效应不明显,CF3I的混合份额到达20%时,CF3I/CO2混合气体的SLF开断功能能够到达纯CF3I的95%;CF3I/N2(30%/70%)的BTF开断功能是SF6的0.32倍,而相同CF3I含量的CF3I/CO2混合气体BTF开断功能能够到达纯CF3I的水平[66,67]。

墨西哥学者Urquijo证明相同含量下,CF3I/CO2混合气体的电子漂移速度要低于CF3I/N2[43]。上海交通大学的肖登明教授经过求解玻耳兹曼方程在SST试验条件下证明CF3I与Ar、Xe、He、N2及CO2混合气体中CF3I/N2临界击穿场强最大,CF3I/CO2次之[42];CF3I含量超越70%的CF3I/N2和CF3I/CO2混合气体电子漂移速度随电场的变化趋势与SF6挨近,含量为75%的CF3I/CO2或CF3I/N2的临界击穿场强能够到达纯SF6水平[68]。

西安交通大学电力设备与电气绝缘国家要点试验室核算出了CF3I/N2和CF3I/CO2不同份额下混合气体的有用电离系数和临界场强,结果标明,当CF3I的体积含量大于65%时,CF3I/N2的临界击穿场强高于同份额SF6/N2,当CF3I的体积含量大于40%时,CF3I/CO2的临界击穿场强高于同份额SF6/CO2[69]。