環(huán)保型C5F10O混合氣體設(shè)備研制現(xiàn)狀與展望

夏亞龍,李富祥,蘭新生,廖麗娟,易選澤,張晨萌,謝施君,劉 濤

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院, 四川 成都 610041;2.電力物聯(lián)網(wǎng)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 四川 成都 610041;3.國網(wǎng)四川省電力公司資陽供電公司,四川 資陽 641300;4.國網(wǎng)四川省電力公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

SF6氣體因優(yōu)異的絕緣和滅弧性能被廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備中[1],但它是迄今為止發(fā)現(xiàn)溫室效應(yīng)最強(qiáng)的氣體[2-3],被聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會在多項(xiàng)條款中限制排放[4-5]。近年來全球氣候變暖日益嚴(yán)重,積極應(yīng)對氣候變化、推動綠色低碳發(fā)展,已成為全球共識和大勢所趨。2020年9月22日,國家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國大會表示:“中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度,采取更加有力的政策和措施,碳排放力爭于2030年前達(dá)到峰值,爭取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”。目前全球SF6年排放量已達(dá)8100 t,相當(dāng)于約1億輛新車每年產(chǎn)生的碳排放量。SF6造成的溫室效應(yīng)不容忽視,亟需尋找一種環(huán)境友好型介質(zhì)替代電氣設(shè)備中的溫室氣體SF6。2022年8月24日,工信部等五部門聯(lián)合發(fā)文《加快電力裝備綠色低碳創(chuàng)新發(fā)展行動計(jì)劃》,明確提出要加快開展新型低溫室效應(yīng)環(huán)保絕緣氣體等相關(guān)裝備的研制。

近期學(xué)者們發(fā)現(xiàn)了絕緣能力極佳的新型環(huán)保絕緣介質(zhì)C5F10O,其全球變暖潛能值(global warming potential, GWP)僅為1,大氣壽命低至0.04年,表現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)保性能。盡管其液化溫度相對較高,但與液化溫度較低的N2、CO2、空氣等氣體混合使用,具備作為絕緣介質(zhì)替代SF6的潛力[6-8]。C5F10O混合氣體中緩沖氣體含量越多,液化溫度越低,其絕緣性能也會降低。找到一種合適的混合方案,既能保證設(shè)備的絕緣水平,又能滿足運(yùn)行環(huán)境溫度,是混合氣體工程應(yīng)用的關(guān)鍵核心技術(shù)。另一方面,由于氣體絕緣設(shè)備不可避免地會發(fā)生一些放電缺陷,混合氣體在放電后還應(yīng)該具備優(yōu)良的分解特性,其分解產(chǎn)物不會對設(shè)備和運(yùn)維人員造成危害,也不會腐蝕設(shè)備內(nèi)部固體材料,避免固體材料因腐蝕導(dǎo)致絕緣水平下降[9-13]。

為此,下面總結(jié)了針對不同混合方案下C5F10O混合氣體的理化特性、絕緣特性、分解特性及其與設(shè)備內(nèi)金屬材料的相容性,結(jié)合國內(nèi)外環(huán)保型C5F10O混合氣體絕緣設(shè)備示范應(yīng)用案例,發(fā)現(xiàn)C5F10O混合氣體具備工程應(yīng)用的潛力,相關(guān)成果可為進(jìn)一步開發(fā)環(huán)保型C5F10O混合氣體絕緣設(shè)備及其擴(kuò)大應(yīng)用提供支撐。

1 C5F10O混合氣體理化特性

1.1 C5F10O混合氣體液化溫度

通過求解安托萬方程,可計(jì)算混合氣體的飽和蒸氣壓曲線,進(jìn)而獲取混合氣體在不同壓強(qiáng)下的液化溫度。不同C5F10O分壓下C5F10O/N2、C5F10O/CO2混合氣體的液化溫度隨壓強(qiáng)變化規(guī)律如圖1所示。

圖1 不同C5F10O分壓下混合氣體液化溫度

由于N2液化溫度低于CO2,相同混合方案下,C5F10O/N2的液化溫度低于C5F10O/CO2混合氣體。相同分壓下,隨著混合氣體總壓的升高,一方面液化溫度較高的C5F10O體積分?jǐn)?shù)減小使得混合氣體液化溫度降低;另一方面混合氣體壓強(qiáng)的升高引起液化溫度上升,兩者的共同作用使得相同分壓下,混合氣體的液化溫度受總壓的影響不大?？梢钥闯?當(dāng)C5F10O分壓小于20 kPa時(shí),0.1～0.6 MPa下C5F10O/N2和C5F10O/CO2混合氣體的液化溫度都低于-10 ℃。

1.2 C5F10O混合氣體GWP

歐洲議會和理事會關(guān)于某些氟化溫室氣體的第842/2006號條例(EC)提出了混合氣體的GWP計(jì)算方法。由于C5F10O和純CO2混合氣體的GWP為1,因此C5F10O/CO2混合氣體的GWP也為1。N2不是溫室效應(yīng)氣體,其GWP為0,C5F10O/N2混合氣體的GWP小于C5F10O/CO2混合氣體。圖2為C5F10O/N2混合氣體的GWP。當(dāng)C5F10O分壓小于25 kPa時(shí),C5F10O/N2混合氣體的GWP整體小于0.76。C5F10O混合氣體表現(xiàn)出極佳的環(huán)保性能,相比于GWP高達(dá)23 500的傳統(tǒng)溫室氣體SF6,其GWP下降超過99.99%。

圖2 C5F10O混合氣體GWP

2 C5F10O混合氣體絕緣特性

2.1 C5F10O混合氣體工頻絕緣特性

通過試驗(yàn)測量球-球電極間隙2 mm下C5F10O混合氣體工頻擊穿電壓,對比混合氣體與相同壓強(qiáng)下純SF6的絕緣強(qiáng)度。C5F10O混合氣體相對SF6絕緣強(qiáng)度如圖3所示。

圖3 C5F10O混合氣體相對SF6工頻絕緣強(qiáng)度

在混合氣體壓強(qiáng)小于0.2 MPa時(shí),C5F10O/CO2混合氣體絕緣性能優(yōu)于C5F10O/N2;0.1 MPa、分壓25 kPa下C5F10O/CO2混合氣體的絕緣水平達(dá)到相同壓強(qiáng)下純SF6的95.40%?；旌蠚怏w壓強(qiáng)大于0.2 MPa后,C5F10O/N2的絕緣水平高于相同工況下的C5F10O/CO2,但仍低于相同壓強(qiáng)下SF6氣體的絕緣強(qiáng)度;壓強(qiáng)0.2 MPa時(shí),15 kPa分壓C5F10O混合氣體的絕緣水平僅約為SF6的70%左右。

2.2 O2對C5F10O混合氣體工頻絕緣特性影響

環(huán)保型C5F10O混合氣體電氣設(shè)備發(fā)生放電后,由于碳元素的存在會在電極表面析出黑色的固體顆粒,這些析出物破壞了電極表面光滑的結(jié)構(gòu),使得電極間的放電電壓大幅降低,進(jìn)而降低電氣設(shè)備的絕緣水平。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在混合氣體中加入適當(dāng)?shù)腛2可有效抑制固體顆粒的析出,同時(shí)還可以提升混合氣體絕緣水平。當(dāng)C5F10O所占比例為4.17%時(shí),不同含量O2下混合氣體相對SF6絕緣強(qiáng)度如圖4所示。

圖4 O2對C5F10O混合氣體絕緣水平影響規(guī)律

C5F10O混合氣體絕緣水平整體上低于相同壓強(qiáng)下SF6,加入O2后混合氣體整體絕緣水平得到提升,通過選擇合適的混合比例并適當(dāng)提高充入設(shè)備的壓力,C5F10O混合氣體絕緣水平有望達(dá)到SF6相當(dāng)水平。

3 C5F10O混合氣體分解特性

搭建氣體放電分解試驗(yàn)特性平臺,分別對C5F10O分壓依次為10 kPa、20 kPa和30 kPa以及混合氣體總壓為0.1～0.6 MPa的C5F10O/N2和C5F10O/CO2混合氣體進(jìn)行20次擊穿試驗(yàn),采集擊穿后的氣體并利用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀對分解產(chǎn)物進(jìn)行定性與定量分析,評估C5F10O混合氣體的穩(wěn)定性,C5F10O/N2、C5F10O/CO2混合氣體擊穿20次后分解產(chǎn)物定性分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 C5F10O混合氣體擊穿后分解產(chǎn)物定性分析結(jié)果

C5F10O/N2混合氣體在多次擊穿后主要分解產(chǎn)物包括:CO、CF4、C2F6、C3F8、C2F4、CHF3、C4F10、C3F6、C3F7H等。其中,C2F4、C2F6、C3F6、C3F8濃度較低,均小于3.5 μL/L;CF4濃度隨著C5F10O分壓的升高不斷增加,最大值也僅為4.35 μL/L(分壓30 kPa、總壓0.1 MPa);CHF3濃度隨著混合氣體總壓的升高整體呈現(xiàn)出減小的規(guī)律,分壓20 kPa、總壓0.1 MPa時(shí),濃度最高值為9.37 μL/L。分解產(chǎn)物中CO的濃度最高,在15～30 μL/L范圍內(nèi),如圖6(a)所示。對于C5F10O/CO2混合氣體,定性分析結(jié)果顯示分解產(chǎn)物種類更少,C3F8和C3F7H沒有檢測到,CO濃度相對較高,如圖6(b)所示,其余分解產(chǎn)物整體上含量要低于C5F10O/N2混合氣體。

圖6 C5F10O混合氣體擊穿后分解產(chǎn)物定性分析結(jié)果

4 C5F10O混合氣體與金屬材料相容性

武漢大學(xué)唐炬教授團(tuán)隊(duì)搭建了C5F10O與金屬材料氣固界面相互作用試驗(yàn)平臺,測試了120～220 ℃范圍內(nèi)C5F10O/N2混合氣體與銅、鋁和銀等金屬的氣固界面相互作用,評估了C5F10O與電氣設(shè)備中常見金屬的相容性[14-17]。圖7給出了3種常見金屬銅、鋁、銀與C5F10O/N2混合氣體加熱老化后表面顏色變化。

圖7 常見金屬與C5F10O/N2混合氣體接觸后表面顏色

對照實(shí)驗(yàn)組中金屬銅材料為紫紅色且色澤鮮亮,試驗(yàn)溫度為120 ℃和170 ℃時(shí)銅表面顏色逐漸變?yōu)榻瘘S色,其中,試驗(yàn)溫度為170 ℃時(shí)銅片表面有部分區(qū)域顏色變暗,試驗(yàn)溫度為220 ℃時(shí)銅表面呈現(xiàn)粉紅色。試驗(yàn)前后金屬鋁、銀表面的顏色并沒有發(fā)生類似銅表面明顯的顏色變化。進(jìn)一步對其微觀形貌的試驗(yàn)測試發(fā)現(xiàn),金屬銅會被C5F10O腐蝕,不適合在C5F10O混合氣體絕緣設(shè)備中應(yīng)用,金屬鋁和銀具有良好的相容性,可以用作C5F10O混合氣體絕緣設(shè)備金屬材料。

5 C5F10O混合氣體設(shè)備研制與應(yīng)用

5.1 國外C5F10O混合氣體設(shè)備示范應(yīng)用

2014年,ABB公司以C5F10O/空氣混合氣體為絕緣介質(zhì),研制出22 kV環(huán)保型C5F10O混合氣體環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜,其結(jié)構(gòu)如圖8所示。2015年,該環(huán)保型開關(guān)柜在蘇黎世的一個(gè)變電站進(jìn)行掛網(wǎng)試運(yùn)行[18-19]。

圖8 ABB公司研制的C5F10O混合氣體開關(guān)柜結(jié)構(gòu)

5.2 國內(nèi)C5F10O混合氣體設(shè)備示范應(yīng)用

2022年,國網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院、武漢大學(xué)等團(tuán)隊(duì)以C5F10O、N2和O2混合氣體為絕緣介質(zhì),研制出35 kV環(huán)保型C5F10O混合氣體電流互感器,并在國網(wǎng)資陽供電公司110 kV寶林變電站實(shí)現(xiàn)首次示范應(yīng)用,如圖9所示。截至目前3臺互感器運(yùn)行狀況良好。

圖9 35 kV環(huán)保型C5F10O混合氣體電流互感器示范應(yīng)用

6 結(jié) 論

現(xiàn)有研究表明,環(huán)保型C5F10O混合氣體有望作為絕緣介質(zhì)在氣體絕緣設(shè)備中廣泛應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)將持續(xù)跟蹤目前已示范應(yīng)用的35 kV環(huán)保型電流互感器運(yùn)行情況,定期對運(yùn)行后氣體進(jìn)行定量和定性分析,指導(dǎo)環(huán)保型C5F10O混合氣體設(shè)備的研制和優(yōu)化。為推動C5F10O混合氣體的擴(kuò)大應(yīng)用,該領(lǐng)域還亟需開展以下工作:

1)研究C5F10O混合氣體與電氣設(shè)備中吸附劑、絕緣件等非金屬固體材料間的相容性,指導(dǎo)研發(fā)其他新型環(huán)保氣體絕緣設(shè)備提供支撐;

2)開展基于C5F10O混合氣體特征分解產(chǎn)物的絕緣缺陷識別和診斷技術(shù),為環(huán)保型C5F10O混合氣體絕緣設(shè)備運(yùn)維提供指導(dǎo)。