環保絕緣氣體設備研發與應用進展

靳夢磊,夏亞龍,肖 淞,李 祎,唐 炬,張曉星

(1.武漢大學電氣與自動化學院, 湖北 武漢 430068;2.國網四川省電力公司電力科學研究院, 四川 成都 610041;3.新能源及電網裝備安全監測湖北省工程研究中心(湖北工業大學),湖北 武漢 400068)

0 引 言

采用SF6氣體作為絕緣介質的輸配電設備,由于可靠性高、運行維護周期長、占地面積小等優點,在各電壓等級的電力系統中應用極其廣泛,特別是在110 kV及以上電壓等級的氣體絕緣輸配電設備中具有統治地位[1-2]。然而,SF6作為一種全球變暖潛能值(global warming potential, GWP)達到CO2的23 500倍的溫室氣體,造成了不容忽視的環境問題。事實上,它是聯合國政府間氣候變化專門委員會 (IPCC) 認定的迄今為止最強勁的溫室氣體。由于SF6氣體作為絕緣氣體在電氣設備中的大量使用,致使其在大氣中的濃度持續增加。為助力解決溫室氣體排放所導致的愈發嚴峻的環境問題,以及落實中國“2030年碳達峰,2060年碳中和”的目標要求,環境友好型氣體及設備研發刻不容緩[3-5]。

下面綜述了常見環保絕緣氣體的基礎特性并介紹了近些年國內外環保絕緣氣體設備的研發與應用進展,最后展望了環保型氣體絕緣介質應用可能面臨的問題與發展前景,并提供了相關建議。

1 常見環保絕緣氣體

SF6于20世紀70年代被成功制備并開始作為絕緣與滅弧介質在GIS等氣體絕緣設備中應用[6]。早期研究SF6替代氣體主要為解決其液化溫度較高的問題。1980年,通用電氣公司J C Devins等對35種潛在絕緣氣體進行了性能測試,并通過飽和蒸氣壓特性分析了應用可行性,指出:應用在0.2 MPa氣壓時存在性能優于SF6的氣體,分別是C4F7N、C2F5Cl、CF3-C≡C-CF3和C2F5CN;其他氣體只有設備在更高運行溫度下才具備替代SF6的潛力:綜合來看SF6仍是最為理想的氣體絕緣介質[7]。此后,SF6在1997年簽署的《京都議定書》中被列為六大溫室氣體目錄,國內外學者開始從環保角度對絕緣氣體展開研究。表1給出了目前常見的環保絕緣氣體的基礎特性參數[8]。

表1 SF6及環保絕緣氣體的基礎特性參數

根據研究對象可將環保絕緣氣體分為傳統類與混合類:傳統類包括N2、CO2和干燥空氣;混合類包括SF6混合氣體,如SF6/N2、SF6/CO2、SF6/CF4等,以及氟碳類強電子親和性氣體,包括氫氟碳化物(hydrofluorocarbons,HFCs)、全氟化碳(perfluorinated compounds, PFCs)、CF3I、全氟化腈(perfluornitriles, PFNs)、全氟化酮(perfluorinated ketone, PFK)等[9-10]。

其中傳統氣體在液化溫度、環保特性、安全性方面表現優異,但其絕緣性能僅為SF6的30%～38%,因此常作為緩沖氣體與SF6或強電子親和性氣體進行混合使用;而全氟化碳和CF3I則存在液化溫度高、固體析出嚴重、環保性能不佳、安全性差等缺點,沒有工程應用可行性[8]。相比之下,全氟化酮、全氟化腈兩類物質絕緣性能高于SF6且環保特性優異,雖然液化溫度較高,但與CO2等常規氣體混合使用可以滿足設備最低運行溫度的要求,具有在中、高壓氣體絕緣設備的應用潛力。

目前,諸多輸配電設備生產廠家也推出了以全氟化酮、全氟化腈為絕緣介質的環保型設備,通過了型式試驗并開展了示范運行及推廣工作。下面主要針對國內外全氟化酮、全氟化腈環保絕緣氣體的應用現狀進行綜述。

2 國外氣體絕緣設備研發及應用

目前,國外對以環保絕緣氣體為絕緣介質的多電壓等級輸配電設備研發都取得了一定進展。自2015年以來,通用電氣公司與ABB公司基于3M公司的Novec絕緣氣體,率先推出系列環保絕緣氣體輸配電設備,隨后其他廠家也陸續開展應用。表2和圖1為3M公司部分環保絕緣氣體設備安裝案例。

圖1 3M部分環保絕緣氣體設備安裝案例地圖

圖2 ABB公司的環保型380 kV GIS安裝在德國TransnetBW公司的Weier變電站

圖3 日立能源的世界首個環保型420 kV罐式斷路器

圖4 韓國首個環保型170 kV GIS

圖5 Vista綠色地下配電開關柜

圖6 云南12 kV環保型氣體絕緣環網柜

圖7 安裝完成的110 kV C4環保氣體GIS完整間隔

表2 3M部分環保絕緣氣體設備安裝案例

從應用3M環保絕緣氣體的設備安裝案例情況來看,自2015年起,國外包含多種類型、多種電壓等級的環保絕緣氣體輸配電設備陸續被投運使用。部分典型案例如下:

2015年,ABB公司成功使用AirPlus,即C5F10O/Air混合氣體用于瑞士蘇黎世的EWZ公司170 kV GIS,該GIS是世界上第一個采用環保絕緣氣體的氣體絕緣開關設備。自2015年以來,EWZ公司成功運行了第一批中、高壓環保絕緣氣體應用的試點裝置[11]。

2016年,通用電氣公司聯合3M公司推出了世界首臺采用C4F7N/CO2混合氣體作為絕緣介質的氣體絕緣輸電管道,該420 kV/63 kA GIL的工作絕對氣壓為1.06 MPa,運行溫度為-25～40 ℃[12]。首臺該型GIL安裝于倫敦南部的Sellindge變電站,長度約為300 m的兩條回路投運至今未發現異常。

2018年,ABB公司贏得德國輸電網運營商TransnetBW的約4000萬美元訂單,用于升級德國巴登符騰堡州Obermooweiler的高壓變電站。作為升級不可或缺的一部分,ABB公司安裝了世界首個環保型380 kV GIS,該設備采用環保絕緣氣體混合物,符合SF6行業標準[13]。

日立能源(原ABB電網)于2022年11月宣布,將為歐洲領先的電網運營商TenneT在德國的埃爾茨豪森220 MW抽水蓄能電站提供世界首臺環保型420 kV GIS和先進的預裝式模塊化并網解決方案,整個項目將于2026年竣工,該應用能夠有效減少SF6近2.3 t[14]。此外,日立能源將于2023年中期為美國Eversource公司的345 kV變電站提供全球首臺420 kV環保型罐式斷路器,不僅能夠實現遠距離大容量輸電,同時避免SF6氣體的大量使用[15]。

2016年,為開發環保型170 kV GIS,韓國LS電氣公司與通用電氣公司簽訂技術合作,該GIS采用C4F7N/CO2/O2混合氣體作為絕緣介質,于2020年在國際認證測試所韓國電氣研究院(KERI)完成了性能測試,并獲得世界首個國際短路試驗聯盟(STL)對環保型170 kV/50 kA GIS的短路認證。2022年,LS電氣獲得韓國首個170 kV環保型GIS項目訂單,將于2023年11月前完成10臺該型環保GIS的供應,并將于2024年初正式投入運營[16]。

2021年,S&C Electric Company于美國芝加哥推出采用C4F7N/CO2氣體的38 kV地下配電開關柜。該開關柜與同公司使用SF6的Vista開關設備具有相同的性能、可靠性、額定值和占地面積,且在潛水式和中壓開關柜中的總碳足跡最低[17]。

整體上,國外對于環保絕緣氣體的研發起步較早,應用面已經涵蓋低、中、高多種電壓等級以及GIS、GIL、CT等多種類型氣體絕緣設備。事實上,通用電氣公司、日立能源對于旗下環保絕緣氣體設備研發應用的路線圖已制定至2025年,未來環保絕緣氣體的應用勢必會涵蓋更多電壓等級和種類,環保絕緣氣體設備應用方興未艾。

3 國內氣體絕緣設備研發及應用

國內對于環保絕緣氣體設備的研發及應用現處于起步階段。2016年以來,電網公司聯合諸多科研院校、研究機構和設備生產廠家開展了一系列環保絕緣氣體應用可行性研究及設備研發。表3為近年來國內部分環保絕緣氣體設備的研發及應用情況[18]。

表3 國內環保絕緣氣體設備研發及應用情況

其中,南方電網云南曲靖麒麟供電局于2021年4月29日在麒麟區10 kV幸福小區線投運的環保型氣體絕緣環網柜,系國內首臺采用環保氣體作為“開斷介質+絕緣介質”的12 kV環網柜在電網示范運行。該開關設備創新性采用C4F7N混合環保氣體作為開斷和絕緣介質的“微負壓+零表壓”產品路線,特別適用于高海拔、低溫的區域,實現了環保氣體在低充氣壓力下開斷和絕緣技術的重大突破,有效解決了氣體絕緣開關設備在微負壓下的開斷和絕緣問題,以及氣體絕緣開關設備運行于高海拔地區的充氣隔室漏氣和鼓包問題,為低碳環保、堅強配電網提供安全可靠的有力支持[19]。

上海110 kV寧國變電站于2022年12月5日順利投運國內首臺(套)110 kV C4F7N環保氣體GIS。在GIS設備全壽命周期內,采用的C4F7N環保氣體在相同壓力下絕緣性能約為SF6氣體的兩倍,且能夠減少近100%的碳排放,滿足電網設備安全運行要求。該設備投運是落實“雙碳”行動的又一成功實踐,標志著電力系統設備選型向環境友好類型又邁進一步,對環保組合電器設備在電力系統進一步推廣應用具有重要意義[20]。

總體來看,現今國內中、低電壓等級下環保絕緣氣體輸配電設備的研發應用頗有進展,但高電壓等級下的應用多處于型式試驗階段,示范應用較少。環保絕緣氣體設備的投運需要進一步積累實際應用數據與相關運維經驗驗證其應用可靠性,設備運行產生的有害氣體處理與檢測、氣體與設備內部材料的相容性等可能面臨的技術問題仍需進一步研究解決。

4 結 論

上面對常見環保絕緣氣體的基本特性參數進行了比較,分析了其應用于氣體絕緣輸配電設備的可行性;介紹了目前國內外對于環保絕緣氣體的示范應用情況。目前環保絕緣氣體的主要應用集中在全氟化酮、全氟化腈上,尤其是C5F10O、C4F7N混合氣體。國外已經推出多種類型、多種電壓等級的環保絕緣氣體輸配電設備并實現示范運行,國內相關應用多集中于低、中電壓等級設備,高電壓等級設備應用處于起步階段。

盡管近些年對于環保型氣體絕緣介質的研究取得了一些突破,但仍存在設備運行產生的有害氣體處理與檢測、滅弧場景需要考慮的斷路器結構調整等技術問題需要解決,仍需進一步積累設備研發、實際應用與運維策略的總結,逐步排查并解決各類理論和技術問題。環保絕緣氣體的應用發展需要電氣、物理、化學等多學科領域的交叉融合,需要進一步聯合設備制造企業、電網公司、科研院所等開展合作研發,逐步探索并實現環保絕緣氣體的進一步推廣應用,助力減少氣體絕緣輸配電設備對使用SF6的依賴,最終促進電力工業“2030年碳排放達峰,2060年碳中和”減排目標的實現。