氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）用新型氣體研究

黃濰 王志強 呂品

摘要：SF₆氣體作為絕緣和滅弧介質在中、高壓電力設備中占主導地位。但SF₆氣體溫室效應問題嚴重，削減SF₆氣體在GIS中的應用，開發能夠替代SF₆的新型絕緣氣體是電氣領域亟待解決的問題。本文以全氟化腈和全氟化酮兩種新型氣體為研究對象，對其理化特性、絕緣特性及滅弧特性進行分析，來論證其替代SF₆氣體的可行性。

關鍵詞：GIS;新型氣體;絕緣性能;滅弧性能

1.引言

純凈的SF₆氣體是一種無色、無味、無毒和不燃的惰性氣體，其耐電強度很高，在均勻的電場中約為空氣耐電強度的2.5倍左右。但SF₆氣體同時也是一種很強的溫室氣體，全球變暖潛能值（GWP）為CO₂氣體的23900倍，排放到大氣后能存在3200年。

全球每年高壓電力設備中使用的SF₆氣體超過8000噸，占總量的80%以上，由于不可避免存在泄漏，回收處理不當等因素，導致大氣中SF₆氣體含量逐年上升，1998年到2012年增長近一倍。《京都議定書》（1997年），《巴黎協定》（2016年）等相關政策或法規均提出控制溫室氣體排放，力爭在本世紀下半葉實現溫室氣體凈零排放。

人工合成的全氟化腈及全氟化酮氣體絕緣強度高、全球變暖潛能值低、熱傳導特性優良、化學穩定性良好。替代SF₆氣體作為絕緣和滅弧介質應用在開關設備中不會對產品產生腐蝕或其他負面影響，且能夠大幅降低溫室氣體排放，減輕環境壓力，對綠色發展、低碳循環發展具有積極意義。

2.新型氣體的理化特性

全氟化腈（Fluoronitrile）分子式為C₄F₇N，又稱為g³氣體（取自綠色、氣體、電網的英文）。

全氟化酮（Fluoroketone）分子式為C₅F₁₀O，又稱為C5氣體。

新型氣體的理化特性見表1所示。

可以看出，新型氣體在綠色環保上更具有優勢。g³氣體的全球變暖潛能值僅為SF₆氣體的10%，C5氣體的全球變暖潛能值只有1（與CO₂氣體一致）;兩種氣體在大氣中存留的年限分別為35年和0.04年，與SF₆氣體的3200年相比有了大幅縮減。

3.新型氣體的絕緣性能和滅弧性能

g³氣體、C5氣體和SF₆氣體的絕緣擊穿電壓曲線見圖1所示。

標準大氣壓下，g³氣體的絕緣強度為27.5kV、C5氣體為18.4kV、SF₆氣體為14kV。在絕緣性能上，新型氣體的表現要優于SF₆氣體。

SF₆對電子的親和力強、電流過零前弧隙大量自由電子被SF₆吸附，弧隙電導率急驟下降;電流過零后，電弧時間常數小，弧隙介質強度恢復快，更有利于滅弧。因此SF₆氣體是迄今最為理想的滅弧介質。

g³氣體和C5氣體的滅弧性能可以達到SF₆氣體的80%。而且在出線端故障試驗、近區故障試驗、容性電流試驗中，通過提高設備充氣壓力、更改設計結構、優化元件材料等方式，g³氣體和C5氣體也能夠達到與SF₆氣體接近的滅弧性能。

新型氣體優秀的絕緣性能和接近SF₆氣體的滅弧性能也為其在GIS中替代傳統氣體提供了更多可行性。

4.新型氣體在GIS中的應用

g³氣體的沸點-4.7℃，C5氣體的沸點26.9℃，在低溫下就會發生液化，因此想在GIS中使用必須加入緩沖氣體來減低沸點。CO₂氣體絕緣性能是SF₆氣體的40%-70%，滅弧性能是SF₆氣體的50%-65%，在空氣中大量存在又沒有任何污染。將g³氣體、C5氣體分別與CO₂氣體混合后應用到GIS斷路器中，斷路器設備的性能及額定特性見表2所示。

使用g³+CO₂混合氣體及C5+CO₂混合氣體的GIS斷路器，在性能上能夠滿足額定值的要求，同時加入CO₂作為緩沖氣體又可以滿足低溫工況的需要。目前Alstom公司的F35型145kV g³+CO₂混合氣體GIS，ABB公司的GLK-14型170kV C5+CO₂混合氣體GIS已在歐洲多個工程中成功應用。

5.結語

通過對g³氣體和C5氣體理化特性、絕緣性能及滅弧性能的研究，到最后在GIS斷路器中加入g³+CO₂及C5+CO₂混合氣體的實施推廣，證明了在氣體絕緣金屬封閉開關設備中新型氣體替代SF₆氣體的可行性。新型氣體的使用可以大幅減少溫室氣體排放，對于保護環境、綠色發展具有積極意義。

參考文獻

[1] 黎斌. SF₆高壓電器設計[M]. 北京：機械工業出版社，2015.

[2] 肖登明. 氣體絕緣與GIS. 上海：交通大學出版社，2017.