環保型C5F10O混合氣體設備研制現狀與展望

夏亞龍,李富祥,蘭新生,廖麗娟,易選澤,張晨萌,謝施君,劉 濤

(1.國網四川省電力公司電力科學研究院, 四川 成都 610041;2.電力物聯網四川省重點實驗室, 四川 成都 610041;3.國網四川省電力公司資陽供電公司,四川 資陽 641300;4.國網四川省電力公司, 四川 成都 610041)

0 引 言

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

近期學者們發現了絕緣能力極佳的新型環保絕緣介質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,表現出優異的環保性能。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,既能保證設備的絕緣水平,又能滿足運行環境溫度,是混合氣體工程應用的關鍵核心技術。另一方面,由于氣體絕緣設備不可避免地會發生一些放電缺陷,混合氣體在放電后還應該具備優良的分解特性,其分解產物不會對設備和運維人員造成危害,也不會腐蝕設備內部固體材料,避免固體材料因腐蝕導致絕緣水平下降[9-13]。

為此,下面總結了針對不同混合方案下C5F10O混合氣體的理化特性、絕緣特性、分解特性及其與設備內金屬材料的相容性,結合國內外環保型C5F10O混合氣體絕緣設備示范應用案例,發現C5F10O混合氣體具備工程應用的潛力,相關成果可為進一步開發環保型C5F10O混合氣體絕緣設備及其擴大應用提供支撐。

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,可計算混合氣體的飽和蒸氣壓曲線,進而獲取混合氣體在不同壓強下的液化溫度。不同C5F10O分壓下C5F10O/N2、C5F10O/CO2混合氣體的液化溫度隨壓強變化規律如圖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體積分數減小使得混合氣體液化溫度降低;另一方面混合氣體壓強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。可以看出,當C5F10O分壓小于20 kPa時,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C5F10O分壓小于25 kPa時,C5F10O/N2混合氣體的GWP整體小于0.76。C5F10O混合氣體表現出極佳的環保性能,相比于GWP高達23 500的傳統溫室氣體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下純SF6的絕緣強度。C5F10O混合氣體相對SF6絕緣強度如圖3所示。

圖3 C5F10O混合氣體相對SF6工頻絕緣強度

在混合氣體壓強小于0.2 MPa時,C5F10O/CO2混合氣體絕緣性能優于C5F10O/N2;0.1 MPa、分壓25 kPa下C5F10O/CO2混合氣體的絕緣水平達到相同壓強下純SF6的95.40%。混合氣體壓強大于0.2 MPa后,C5F10O/N2的絕緣水平高于相同工況下的C5F10O/CO2,但仍低于相同壓強下SF6氣體的絕緣強度;壓強0.2 MPa時,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

環保型C5F10O混合氣體電氣設備發生放電后,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構,使得電極間的放電電壓大幅降低,進而降低電氣設備的絕緣水平。試驗發現,在混合氣體中加入適當的O2可有效抑制固體顆粒的析出,同時還可以提升混合氣體絕緣水平。當C5F10O所占比例為4.17%時,不同含量O2下混合氣體相對SF6絕緣強度如圖4所示。

圖4 O2對C5F10O混合氣體絕緣水平影響規律

C5F10O混合氣體絕緣水平整體上低于相同壓強下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提高充入設備的壓力,C5F10O混合氣體絕緣水平有望達到SF6相當水平。

3 C5F10O混合氣體分解特性

搭建氣體放電分解試驗特性平臺,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混合氣體進行20次擊穿試驗,采集擊穿后的氣體并利用氣相色譜質譜聯用儀對分解產物進行定性與定量分析,評估C5F10O混合氣體的穩定性,C5F10O/N2、C5F10O/CO2混合氣體擊穿20次后分解產物定性分析結果如圖5所示。

圖5 C5F10O混合氣體擊穿后分解產物定性分析結果

C5F10O/N2混合氣體在多次擊穿后主要分解產物包括: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出減小的規律,分壓20 kPa、總壓0.1 MPa時,濃度最高值為9.37 μL/L。分解產物中CO的濃度最高,在15～30 μL/L范圍內,如圖6(a)所示。對于C5F10O/CO2混合氣體,定性分析結果顯示分解產物種類更少,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物定性分析結果

4 C5F10O混合氣體與金屬材料相容性

武漢大學唐炬教授團隊搭建了C5F10O與金屬材料氣固界面相互作用試驗平臺,測試了120～220 ℃范圍內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

對照實驗組中金屬銅材料為紫紅色且色澤鮮亮,試驗溫度為120 ℃和170 ℃時銅表面顏色逐漸變為金黃色,其中,試驗溫度為170 ℃時銅片表面有部分區域顏色變暗,試驗溫度為220 ℃時銅表面呈現粉紅色。試驗前后金屬鋁、銀表面的顏色并沒有發生類似銅表面明顯的顏色變化。進一步對其微觀形貌的試驗測試發現,金屬銅會被C5F10O腐蝕,不適合在C5F10O混合氣體絕緣設備中應用,金屬鋁和銀具有良好的相容性,可以用作C5F10O混合氣體絕緣設備金屬材料。

5 C5F10O混合氣體設備研制與應用

5.1 國外C5F10O混合氣體設備示范應用

2014年,ABB公司以C5F10O/空氣混合氣體為絕緣介質,研制出22 kV環保型C5F10O混合氣體環網開關柜,其結構如圖8所示。2015年,該環保型開關柜在蘇黎世的一個變電站進行掛網試運行[18-19]。

圖8 ABB公司研制的C5F10O混合氣體開關柜結構

5.2 國內C5F10O混合氣體設備示范應用

2022年,國網四川省電力公司電力科學研究院、武漢大學等團隊以C5F10O、N2和O2混合氣體為絕緣介質,研制出35 kV環保型C5F10O混合氣體電流互感器,并在國網資陽供電公司110 kV寶林變電站實現首次示范應用,如圖9所示。截至目前3臺互感器運行狀況良好。

圖9 35 kV環保型C5F10O混合氣體電流互感器示范應用

6 結 論

現有研究表明,環保型C5F10O混合氣體有望作為絕緣介質在氣體絕緣設備中廣泛應用。研究團隊將持續跟蹤目前已示范應用的35 kV環保型電流互感器運行情況,定期對運行后氣體進行定量和定性分析,指導環保型C5F10O混合氣體設備的研制和優化。為推動C5F10O混合氣體的擴大應用,該領域還亟需開展以下工作:

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

2)開展基于C5F10O混合氣體特征分解產物的絕緣缺陷識別和診斷技術,為環保型C5F10O混合氣體絕緣設備運維提供指導。