电力行业气体绝缘设备中SF6替代气体研究现状综述

研究背景

SF6温室效应潜在值GWP是CO2的23900倍，在大气中的存活寿命为3400年。到目前为止，大气中SF6气体的含量以每年8.7%的速度增长，气体占温室气体总排量已经超过15%，SF6排放的主要来源来自电气设备，约占总含量的70%。1997年《京都议定书》中要求到2020年基本限制SF6气体的使用。另外分解产物的毒性也使得寻找SF6替代气体在气体绝缘设备中使用成为电网发展的迫切要求。

图1 历年电力电源新增装机容量及SF6需求量趋势预测

2 论文主要内容

目前主要研究的替代气体有三类：常规气体(空气、N2和CO2)、SF6混合气体和强电负性气体及其混合气体。针对三类气体除了气体本身的理化性质，还进行了电气性能方面的试验和理论探究见图2所示。首先是从试验数据直观了解不同气体的绝缘性能和灭弧性能。理论方面主要从微观层面分析气体的分子结构评估气体的绝缘性能，结合局部热动力学方程计算微观粒子的热动力学参数和输运参数，判断气体的灭弧性能，并与SF6进行比较，为替代的可能性提供理论支撑。除此之外，气体的分解性能的研究，也是评估气体在设备中使用的安全性和自恢复性能的重要内容。

图2 替代气体的主要研究内容

表1 目前主要替代气体的基本性质

常规气体虽然性质稳定，绝缘强度小于SF6的40%，在部分中低压设备中作为绝缘介质可以替代SF6。SF6混合气体基本可以满足设备的绝缘性能要求，且降低了液化温度适用于高寒地区，但是不能彻底避免SF6的使用，无法从根本上解决温室效应问题。电负性气体的液化温度普遍较高，需要混合缓冲气体使用。近年来，本团队对C4F7N、C5F10O和C6F12O等新型绝缘气体绝缘性能、放电和过热分解特性、分解产物安全性及微水和微氧等关键影响因素对其作用机制等开展了深入研究，初步提出了适用于不同应用场景的替代气体方案，并对新型绝缘气体协同性及与固体材料相容性展开研究。

3 展望

现有替代气体单一使用会有局限性，未来绝缘气体的使用或采用多元混合和气体固体相结合的方式。虽然替代气体的绝缘性能取得了一定的成果和工程实践，而对于灭弧能力并没有较大的突破，进一步探索替代气体的灭弧性能是未来研究的重点。