綠色環保型氣體絕緣材料研究進展

鄧云坤

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，昆明 650217）

0 前言

中高壓電力開關是保障電網安全可靠運行的重要控制和保護輸變電設備，當前以SF6為滅弧和絕緣介質的中高壓電力開關在輸變電系統中占絕對主導地位[1]，全球生產的SF6氣體約50%用于電力行業，其中約有80%的SF6氣體用于中高壓開關設備，我國電力開關行業每年使用的SF6氣體就超過10000噸。

但是，SF6是一種嚴重的溫室效應氣體，其全球變暖潛能(Global Warming Potential, GWP)大約為CO2的3萬倍[2]。在已簽訂的《京都議定書》中，SF6被列入排放受限制的六種溫室效應氣體之一（二氧化碳CO2、甲烷CH4、一氧化二氮N2O，全氟化碳PFC，氫氟碳化物HFCs，六氟化硫SF6）[3]，2016年，在全球175個國家共同簽署的《巴黎協定》中[4]，中國政府承諾CO2排放將于2030年左右達到峰值并爭取盡早達峰，到2030年單位國內生產總值CO2排放比2005年下降60%到65%。此外，在“十三五”規劃中，要積極參與應對全球氣候變化，落實減排承諾。因此，在電力系統中減少、限制甚至禁止使用SF6氣體是電網裝備發展的必然趨勢，尋求環境友好、性能優良的SF6替代氣體，或混合氣體(以下統稱為SF6替代氣體)是該領域的一個重要研究方向和熱點問題。

本文從絕緣性能、滅弧性能的研究情況及環保型電力設備的研制與應用進展三個方面對SF6替代氣體的最新研究進展進行了介紹，并在此基礎上對該領域的現狀與進一步的研究方向進行了探討。

1 環保氣體絕緣性能研究情況

一些潛在的SF6替代氣體的主要性能參數如表1所示[5-18]，強電負性氣體通常具備較高的絕緣強度，但多數電負性氣體都有高沸點或具有毒性等特點；非電負性氣體的絕緣強度雖較低，但其液化溫度也相對較低。因此，需要在替代氣體中混入一些緩沖氣體來降低其液化溫度，從而滿足一些低溫環境下的絕緣與滅弧要求。

SF6混合氣體方面的研究主要針對SF6與CO2、N2、惰性氣體、PFC(全氟烴類)等氣體的混合。其主要目的在于，通過SF6氣體與低液化溫度氣體的混合來降低其液化溫度，具有十分重要的工程意義。同時，SF6與上述氣體混合還可在一定程度上降低成本、減小SF6氣體對環境的影響。干燥空氣、N2和CO2的擊穿電壓遠低于SF6，但將一定比例的SF6加入其中后擊穿電壓可顯著提升，如圖1所示[19]。其中，SF6和N2按一定比例混合后，其絕緣強度會表現出較強的協同效應，因而已在實際電力設備中得到應用。以體積分數混合比例為20%/80%的SF6/N2混合氣體為絕緣介質的240kV等級GIL 已在某機場獲得了應用；電壓等級550 kV、輸送容量300 MW，填充體積分數20%SF6/80% N2混合氣體的 GIL[20]；Osmokrovic 等通過實驗研究了沖擊電壓上升率對SF6/N2混合氣體協同效應的影響，表明混合氣體的協同效應隨電壓上升率增大而減弱，當電壓上升率過高時協同效應幾乎消失，同時指出當體積分數配比為65%/35%時SF6/N2混合氣體的協同效應最強，不均勻場下的協同效應較均勻場更顯著。

圖1 工頻電壓下不同氣體的閃絡電壓[19]

近些年本領域的研究重點在于一些物理化學性質穩定、絕緣強度高、溫室效應較低的氣體，包括CF3I、PFC、CnF2nO、C4-PFN等。

多數PFC氣體具有液化溫度高和造價過高的缺點，通常也需要與N2、CO2等緩沖氣體混合使用，如有研究針對c-C4F8/CO2、 C3F8/CO2、C3F8/N2、C2F6/CO2和 C2F6/N2等混合氣體開展[7,21-24]。其中，c-C4F8的電氣強度約SF6氣體的1.1-1.2倍，而其溫室效應指數約為SF6氣體的36%，因而受到了較大關注。

CF3I 氣體的GWP值與CO2氣體相當，在大氣中的壽命只有1～2天，且其絕緣強度約為SF6氣體的1.2倍，因而CF3I及其混合氣體作為SF6替代氣體的研究工作近年來也被大量報道[25-28]。CF3I的絕緣性能為SF6的1.2倍以上，且當CF3I體積分數達到70%時CF3I/N2混合氣體的絕緣強度就能達到純SF6的水平。

C5-PFK、C6-PFK和C4-PFN氣 體 的 絕緣強度均超過純SF6氣體的2倍，但這些氣體的液化溫度均過高（如0.1MPa時C5-PFK、C6-PFK和C4-PFN氣體的液化溫度分別約為24℃、49℃和-4.7℃），無法單獨使用，一種有效的解決方法即為混合一定比例低液化溫度的緩沖氣體。近期，國內外針對C5-PFK和C4-PFN氣體及其混合氣體的電氣性能及應用開展了大量研究[8,14-18,29]，并取得了積極進展。

圖2 不同CO2混合氣體的絕緣強度[5, 24, 30-32]

2 環保氣體滅弧性能研究情況

作為中高壓滅弧介質研究的單一的常規氣體主要有CO2、N2和干燥空氣，這三種氣體化學性能比較穩定，價格便宜，不易燃燒且不助燃，液化溫度也遠低于SF6。其中CO2氣體作為潛在的環保型滅弧介質在國內外尤其得到關注。大型電力設備廠商對CO2氣體的滅弧性能及應用開展了大量研究。Matsumura選擇CO2作為滅弧介質,發現從0.2到0.6MPa增加氣壓可以提高把電弧功率損耗從0.32提高到0.78千瓦，也將燃弧時間常數從1.3μs減少了到了0.7μs，電流的峰值為1.1 kA[33]。Uchii研究了CO2及其混合氣體的開斷能力，重點比較了純CO2、SF6和CO2氣體的弧后電流[34-36]。結果表明，在CO2氣體中摻雜O2或CH4的能成功地開斷短路電流，降低弧后電流。Stoller通過實驗對比了干燥空氣、CO2、SF6的開斷性能[37]，并給出開斷性能排序如下：干燥空氣＜CO2＜SF6，在此基礎上，ABB公司研制和推出了72.5kV/31.5kA的CO2高壓斷路器，東芝公司也研制了72.5kV等級、開斷容量31.5kA的CO2斷路器樣機，還提出在CO2中加入少量O2可以顯著提高其熱開斷性能，同時在一定程度上消除碳沉積的影響。然而，上述CO2斷路器所需的充氣壓力和尺寸均較傳統SF6斷路器更高。

壓縮空氣作為滅弧介質在中壓等級的斷路器中也表現出較大的應用潛力，如阿爾斯通公司研制的36 kV電壓等級、以壓縮空氣為滅弧介質的發電機出口斷路器，其額定電流可達到50 kA，短路開斷電流達275 kA。

SF6混合氣體方面，韓國曉星公司的研究人員利用170 kV/50 kA壓氣式斷路器實驗研究了SF6/N2混合氣體的開斷性能發現了75%SF6/25%N2的混合氣體其開斷能力與純SF6相當[38]；三菱公司也在隔離開關中采用SF6/N2混合氣體，并通過永磁體產生的磁場驅動電弧運動，提高開斷能力；Tsukushi利用吹氣式斷路器檢測了SF6氣體混合物的電流中斷能力，發現在大約15 kA的電流下，0.3Mpa的SF6和0.2Mpa的N2混合氣體的di/dt為純SF6的76%[39]；Lee等實驗研究了40種氣體和混合氣體的滅弧性能，結果表明體積分數75%SF6/25%N2混合氣體的開斷能力可以接近純SF6氣體的80%。

此外，研究人員還研究了SF6與其他氣體如He和CF4的混合物。He的熱導率遠高于SF6，SF6-He混合物的介質恢復性能比純SF6高約10%，SF6百分比為20%-75%[40]。CF4氣體具有良好的滅弧性能和較低的液化溫度，在SF6中加入適當的CF4可以實現在絕緣與滅弧性能下降不多的前提下降低氣體的液化溫度，從而滿足高寒地區的需求，參入CF4氣體的SF6混合氣體斷路器可以在-40℃的環境下工作。目前已經生產了一些相當成熟的產品，例如115 kV / 40 kA SF6/CF4混合氣體斷路器；245kV/40 kA，550 kV/40 kA甚至800 kV/40 kA的SF6-CF4混合氣體斷路器。加拿大馬尼托巴水電站為適應其低溫環境，研制了一種充氣壓力為0.7 MPa、以體積分數50%SF6/50%CF4為滅弧介質的115kV/40 kA 高壓斷路器；ABB公司也推出了其研制的額定電壓550 kV、額定電流4 kA、開斷容量為40 kA的SF6/CF4斷路器，并在多爾西換流站穩定運行[41-42]。此外，比利時那慕爾大學的Larin等從理論上分析了SF6/CF4混合氣體在均勻場下的協同效應[43]，并認為該混合氣體協同效應的主要原因是CF4對電離反應抑制作用與SF6對電離反應促進作用的配合。

CF3I及其混合氣體作為滅弧介質代替SF6氣體研究工作報道近年來也較多。Yanabu等人研究了CF3I/CO2混合氣體的開斷能力[44-48]，發現CF3I體積分數為30%的混合氣體在小電流開斷時的開斷能力與純CF3I相當，實驗比較了不同氣體的電弧時間常數和功率損耗系數，最終給燃弧時間常數從小到大依次排序為：SF6＜CF3I ＜ CO2＜ H2＜ air ＜ N2，電弧功率損耗系數從大到小排序為：H2＞ SF6＞ CO2＞ air ＞ N2＞CF3I。圖3展示了不同電流下CF3I與N2和CO2混合物的相對開斷能力。結果表明，CF3I混合氣體不能用于大電流情況下的短路電流，只可用于小電流的絕緣和斷路工作。在小電流情況下，例如1 kA或3 kA，當CF3I的混合比例超過20%或30%時，CF3I-CO2混合氣體的開斷性能接近純CF3I的開斷性能。Cressault等人計算了CF3I與CO2、空氣、N2混合氣體等離子體的物性參數特性[6]，為電弧等離子體仿真研究提供了必要的數據基礎。

圖3 CF3I純氣體及其與N2和CO2的混合氣體的相對開斷能力比較[44]

近期在高絕緣性能的新型環保氣體方面，ABB公司對C5-PFK氣體開展了較多的開斷能力研究，表明C5-PFK混合氣體的弧后電流峰值和持續時間與SF6接近，但是開斷性能較SF6降低約20%。Dhotre通過流體動力學仿真模擬研究了高壓斷路器中SF6、C5-PFK/CO2/O2和CO2/O2氣體混合氣體的開斷過程。表1所示為幾種氣體的滅弧應用性能參數對比，C5-PFK/CO2/O2混合氣體在0.7至0.8 Mpa壓力下可得到與0.6Mpa壓力下SF6氣體相當的絕緣強度，且其近區短路故障開斷能力約為SF6氣體的80%～87%；而C4-PFN/CO2混合氣體在0.67 Mpa至0.82 Mpa壓力下可得到與0.6 Mpa壓力下SF6氣體相當的絕緣強度，且其近區短路故障開斷能力可達到SF6氣體的83%至100%[2,49-50]。

表1 SF6替代氣體滅弧性能參數對比[2, 49, 50]

3 環保氣體的應用情況

ALSTON公司（現GE公司）已將C4-PFN/CO2混合氣體作為絕緣和滅弧介質在不同電壓等級的電力設備上進行應用，主要有g3-420kV GIB(-25℃)、g3-245kV CT（-30℃）、g3-145kV GIS（-25℃）。

在中壓領域，ABB公司推出了以C5-PFK/空氣為絕緣介質的環保型氣體絕緣開關柜ZX2 AirPlus，該環保型開關柜保留了現有GIS的緊湊性及其他優點，新氣體的全球變暖潛能值（GWP）小于1，大大降低了對環境的影響。此外，ABB公司還開發了以C5-PFK/CO2混合氣體為絕緣和滅弧介質的電壓等級170kV、開斷容量40kA環保型GIS樣機，該GIS樣機以原245 kV ELK-14GIS降容至170kV使用，最低使用溫度為5℃，其中C5-PFK氣體分壓為39kPa，總充氣壓力為0.7Mpa絕對壓力。

國內，云南電科院、西安交通大學和西北工業大學聯合研制了采用C4-PFN混合氣體作為絕緣介質的10kV戶外高壓負荷開關，該設備可處于“微負壓”狀態下工作，將能有效解決常規開關設備在平原地區充氣后到高原地區應用出現的“鼓包”問題，尤其適用于云南、貴州等高海拔地區。武漢大學開發了以C6-PFK混合氣體為絕緣介質的環保絕緣金屬封閉開關設備，并通過了相關型式試驗。

表2匯總了幾種主要的環保氣體分別在中壓和高壓電力設備中替代SF6應用時的關鍵參數。

常規氣體在電力開關設備中作為絕緣與滅弧介質應用的主要有CO2及其混合氣體、N2、空氣等，相對電壓等級較低，目前最高為145kV，且主要以中壓氣體絕緣金屬封閉開關設備（c-GIS）為主。

在10kV電壓等級上，環保型氣體開關設備主要以空氣或N2絕緣、真空斷路器開斷的形式，如ABB公司的SafeRing/SafePlus Air和ZX0 Air干燥空氣絕緣環網柜和緊湊型開關柜。

CO2氣體在較高電壓等級的滅弧介質中實現了產品應用，如ABB公司和日本東芝公司分別研制的72.5kV電壓等級純CO2氣體斷路器，以及ABB公司以245kV LTB-E斷路器降容得到的145kV、開斷能力31.5kA的純CO2氣體斷路器。在之后的持續優化設計中，為了提高CO2斷路器的熱開斷性能和減少開斷過程中C、CO等分解產物，東芝公司在CO2中加入少量O2。

近年來，德國西門子公司和日本三菱公司重點研究了空氣絕緣技術及應用。西門子公司推出了145kV 8VN1 blue GIS，該設備以潔凈空氣（采用80%N2和20%O2的混合氣體）絕緣、真空開斷。三菱公司開發了以干燥空氣絕緣、真空開斷的高壓HG-VA GIS，電壓等級達到72kV。由于干燥空氣絕緣強度在相同壓力下僅約為SF6氣體的1/3，其結構形式在SF6氣體GIS上做了一些調整和優化，原充氣壓力與原SF6氣體GIS相比略有提升，如原SF6氣體HG-VG GIS為0.15Mpa絕對壓力，而干燥空氣HG-VA GIS充氣壓力為0.25Mpa絕對壓力，且耐壓和短時耐受電流值均有下降。

國內，近年來有數十家企業在中壓環保型開關柜領域投入大量研發，并取得了顯著的進展。上海天靈開關廠先后推出了N2或SF6-N2混合氣體中壓N2S/N2X系列開關柜和了N2N系列無SF6氣體絕緣開關柜，N2N系列開關柜采用低壓力的氮氣(N2)作為絕緣氣體，利用氣體和局部固體相結合的界面絕緣技術。沈陽華德海泰電器在環保型中壓開關柜方面重點研究和應用了干燥空氣絕緣技術，先后推出了以干燥空氣/N2絕緣、真空斷路器開斷的XGN118-12環保氣體絕緣環網柜、HG3-40.5環保型氣體絕緣金屬封閉開關設備（C-GIS）、HG6-72.5kV環保型氣體絕緣組合電器(MTS)等設備。

表2 不同SF6替代氣體在中高壓設備中應用的關鍵參數與環境影響

4 結束語

本文綜述了SF6替代氣體的研究及應用情況，主要進展可歸納如下：

1）SF6與N2、CF4的混合氣體可作為絕緣或滅弧介質應用，以降低SF6氣體對環境的影響，但該方法無法徹底解決SF6氣體應用帶來的環境問題；

2）N2和干燥空氣可作為絕緣介質應用在中壓電力設備中，且已有大量商業產品應用，但由于絕緣性能較低，難以在更高電壓等級推廣；

3）C5-PFK的絕緣強度和液化溫度均較高，C5-PFK/空氣混合氣體可應用于中壓領域；

4）在高壓電力設備中，C5-PFK和C4-PFN與CO2或CO2/O2的混合氣體具有較大應用潛力，C5-PFK混合氣體GWP值低，但僅適用于戶內設備，C4-PFN混合氣體GWP值略高，但可應用于戶外環境。

綜上，現有針對C5-PFK、C4-PFN等新型環保氣體的研究，大多針對其與CO2、空氣的混合氣體，而對于其他緩沖氣體效果的研究報道較少。另一方面，C5-PFK、C4-PFN氣體由于分解后無法完全復合，其混合氣體作為滅弧介質的分解與復合仍需進一步研究；同時，現有斷路器結構大多針對SF6氣體的性質進行設計，如將新型環保氣體作為滅弧介質應用，需要針對性地開展斷路器滅弧室設計與優化研究，以充分發揮氣體的滅弧性能，提升斷路器開斷能力。