電力行業氣體絕緣設備中SF6替代氣體研究現狀綜述

研究背景

SF6溫室效應潛在值GWP是CO2的23900倍，在大氣中的存活壽命為3400年。到目前為止，大氣中SF6氣體的含量以每年8.7%的速度增長，氣體占溫室氣體總排量已經超過15%，SF6排放的主要來源來自電氣設備，約占總含量的70%。1997年《京都議定書》中要求到2020年基本限制SF6氣體的使用。另外分解產物的毒性也使得尋找SF6替代氣體在氣體絕緣設備中使用成為電網發展的迫切要求。

圖1 歷年電力電源新增裝機容量及SF6需求量趨勢預測

2 論文主要內容

目前主要研究的替代氣體有三類：常規氣體(空氣、N2和CO2)、SF6混合氣體和強電負性氣體及其混合氣體。針對三類氣體除了氣體本身的理化性質，還進行了電氣性能方面的試驗和理論探究見圖2所示。首先是從試驗數據直觀了解不同氣體的絕緣性能和滅弧性能。理論方面主要從微觀層面分析氣體的分子結構評估氣體的絕緣性能，結合局部熱動力學方程計算微觀粒子的熱動力學參數和輸運參數，判斷氣體的滅弧性能，并與SF6進行比較，為替代的可能性提供理論支撐。除此之外，氣體的分解性能的研究，也是評估氣體在設備中使用的安全性和自恢復性能的重要內容。

圖2 替代氣體的主要研究內容

表1 目前主要替代氣體的基本性質

常規氣體雖然性質穩定，絕緣強度小于SF6的40%，在部分中低壓設備中作為絕緣介質可以替代SF6。SF6混合氣體基本可以滿足設備的絕緣性能要求，且降低了液化溫度適用于高寒地區，但是不能徹底避免SF6的使用，無法從根本上解決溫室效應問題。電負性氣體的液化溫度普遍較高，需要混合緩沖氣體使用。近年來，本團隊對C4F7N、C5F10O和C6F12O等新型絕緣氣體絕緣性能、放電和過熱分解特性、分解產物安全性及微水和微氧等關鍵影響因素對其作用機制等開展了深入研究，初步提出了適用于不同應用場景的替代氣體方案，并對新型絕緣氣體協同性及與固體材料相容性展開研究。

3 展望

現有替代氣體單一使用會有局限性，未來絕緣氣體的使用或采用多元混合和氣體固體相結合的方式。雖然替代氣體的絕緣性能取得了一定的成果和工程實踐，而對于滅弧能力并沒有較大的突破，進一步探索替代氣體的滅弧性能是未來研究的重點。