绿色环保型气体绝缘材料研究进展

邓云坤

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217）

0 前言

中高压电力开关是保障电网安全可靠运行的重要控制和保护输变电设备，当前以SF6为灭弧和绝缘介质的中高压电力开关在输变电系统中占绝对主导地位[1]，全球生产的SF6气体约50%用于电力行业，其中约有80%的SF6气体用于中高压开关设备，我国电力开关行业每年使用的SF6气体就超过10000吨。

但是，SF6是一种严重的温室效应气体，其全球变暖潜能(Global Warming Potential, GWP)大约为CO2的3万倍[2]。在已签订的《京都议定书》中，SF6被列入排放受限制的六种温室效应气体之一（二氧化碳CO2、甲烷CH4、一氧化二氮N2O，全氟化碳PFC，氢氟碳化物HFCs，六氟化硫SF6）[3]，2016年，在全球175个国家共同签署的《巴黎协定》中[4]，中国政府承诺CO2排放将于2030年左右达到峰值并争取尽早达峰，到2030年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降60%到65%。此外，在“十三五”规划中，要积极参与应对全球气候变化，落实减排承诺。因此，在电力系统中减少、限制甚至禁止使用SF6气体是电网装备发展的必然趋势，寻求环境友好、性能优良的SF6替代气体，或混合气体(以下统称为SF6替代气体)是该领域的一个重要研究方向和热点问题。

本文从绝缘性能、灭弧性能的研究情况及环保型电力设备的研制与应用进展三个方面对SF6替代气体的最新研究进展进行了介绍，并在此基础上对该领域的现状与进一步的研究方向进行了探讨。

1 环保气体绝缘性能研究情况

一些潜在的SF6替代气体的主要性能参数如表1所示[5-18]，强电负性气体通常具备较高的绝缘强度，但多数电负性气体都有高沸点或具有毒性等特点；非电负性气体的绝缘强度虽较低，但其液化温度也相对较低。因此，需要在替代气体中混入一些缓冲气体来降低其液化温度，从而满足一些低温环境下的绝缘与灭弧要求。

SF6混合气体方面的研究主要针对SF6与CO2、N2、惰性气体、PFC(全氟烃类)等气体的混合。其主要目的在于，通过SF6气体与低液化温度气体的混合来降低其液化温度，具有十分重要的工程意义。同时，SF6与上述气体混合还可在一定程度上降低成本、减小SF6气体对环境的影响。干燥空气、N2和CO2的击穿电压远低于SF6，但将一定比例的SF6加入其中后击穿电压可显著提升，如图1所示[19]。其中，SF6和N2按一定比例混合后，其绝缘强度会表现出较强的协同效应，因而已在实际电力设备中得到应用。以体积分数混合比例为20%/80%的SF6/N2混合气体为绝缘介质的240kV等级GIL 已在某机场获得了应用；电压等级550 kV、输送容量300 MW，填充体积分数20%SF6/80% N2混合气体的 GIL[20]；Osmokrovic 等通过实验研究了冲击电压上升率对SF6/N2混合气体协同效应的影响，表明混合气体的协同效应随电压上升率增大而减弱，当电压上升率过高时协同效应几乎消失，同时指出当体积分数配比为65%/35%时SF6/N2混合气体的协同效应最强，不均匀场下的协同效应较均匀场更显著。

图1 工频电压下不同气体的闪络电压[19]

近些年本领域的研究重点在于一些物理化学性质稳定、绝缘强度高、温室效应较低的气体，包括CF3I、PFC、CnF2nO、C4-PFN等。

多数PFC气体具有液化温度高和造价过高的缺点，通常也需要与N2、CO2等缓冲气体混合使用，如有研究针对c-C4F8/CO2、 C3F8/CO2、C3F8/N2、C2F6/CO2和 C2F6/N2等混合气体开展[7,21-24]。其中，c-C4F8的电气强度约SF6气体的1.1-1.2倍，而其温室效应指数约为SF6气体的36%，因而受到了较大关注。

CF3I 气体的GWP值与CO2气体相当，在大气中的寿命只有1～2天，且其绝缘强度约为SF6气体的1.2倍，因而CF3I及其混合气体作为SF6替代气体的研究工作近年来也被大量报道[25-28]。CF3I的绝缘性能为SF6的1.2倍以上，且当CF3I体积分数达到70%时CF3I/N2混合气体的绝缘强度就能达到纯SF6的水平。

C5-PFK、C6-PFK和C4-PFN气 体 的 绝缘强度均超过纯SF6气体的2倍，但这些气体的液化温度均过高（如0.1MPa时C5-PFK、C6-PFK和C4-PFN气体的液化温度分别约为24℃、49℃和-4.7℃），无法单独使用，一种有效的解决方法即为混合一定比例低液化温度的缓冲气体。近期，国内外针对C5-PFK和C4-PFN气体及其混合气体的电气性能及应用开展了大量研究[8,14-18,29]，并取得了积极进展。

图2 不同CO2混合气体的绝缘强度[5, 24, 30-32]

2 环保气体灭弧性能研究情况

作为中高压灭弧介质研究的单一的常规气体主要有CO2、N2和干燥空气，这三种气体化学性能比较稳定，价格便宜，不易燃烧且不助燃，液化温度也远低于SF6。其中CO2气体作为潜在的环保型灭弧介质在国内外尤其得到关注。大型电力设备厂商对CO2气体的灭弧性能及应用开展了大量研究。Matsumura选择CO2作为灭弧介质,发现从0.2到0.6MPa增加气压可以提高把电弧功率损耗从0.32提高到0.78千瓦，也将燃弧时间常数从1.3μs减少了到了0.7μs，电流的峰值为1.1 kA[33]。Uchii研究了CO2及其混合气体的开断能力，重点比较了纯CO2、SF6和CO2气体的弧后电流[34-36]。结果表明，在CO2气体中掺杂O2或CH4的能成功地开断短路电流，降低弧后电流。Stoller通过实验对比了干燥空气、CO2、SF6的开断性能[37]，并给出开断性能排序如下：干燥空气＜CO2＜SF6，在此基础上，ABB公司研制和推出了72.5kV/31.5kA的CO2高压断路器，东芝公司也研制了72.5kV等级、开断容量31.5kA的CO2断路器样机，还提出在CO2中加入少量O2可以显著提高其热开断性能，同时在一定程度上消除碳沉积的影响。然而，上述CO2断路器所需的充气压力和尺寸均较传统SF6断路器更高。

压缩空气作为灭弧介质在中压等级的断路器中也表现出较大的应用潜力，如阿尔斯通公司研制的36 kV电压等级、以压缩空气为灭弧介质的发电机出口断路器，其额定电流可达到50 kA，短路开断电流达275 kA。

SF6混合气体方面，韩国晓星公司的研究人员利用170 kV/50 kA压气式断路器实验研究了SF6/N2混合气体的开断性能发现了75%SF6/25%N2的混合气体其开断能力与纯SF6相当[38]；三菱公司也在隔离开关中采用SF6/N2混合气体，并通过永磁体产生的磁场驱动电弧运动，提高开断能力；Tsukushi利用吹气式断路器检测了SF6气体混合物的电流中断能力，发现在大约15 kA的电流下，0.3Mpa的SF6和0.2Mpa的N2混合气体的di/dt为纯SF6的76%[39]；Lee等实验研究了40种气体和混合气体的灭弧性能，结果表明体积分数75%SF6/25%N2混合气体的开断能力可以接近纯SF6气体的80%。

此外，研究人员还研究了SF6与其他气体如He和CF4的混合物。He的热导率远高于SF6，SF6-He混合物的介质恢复性能比纯SF6高约10%，SF6百分比为20%-75%[40]。CF4气体具有良好的灭弧性能和较低的液化温度，在SF6中加入适当的CF4可以实现在绝缘与灭弧性能下降不多的前提下降低气体的液化温度，从而满足高寒地区的需求，参入CF4气体的SF6混合气体断路器可以在-40℃的环境下工作。目前已经生产了一些相当成熟的产品，例如115 kV / 40 kA SF6/CF4混合气体断路器；245kV/40 kA，550 kV/40 kA甚至800 kV/40 kA的SF6-CF4混合气体断路器。加拿大马尼托巴水电站为适应其低温环境，研制了一种充气压力为0.7 MPa、以体积分数50%SF6/50%CF4为灭弧介质的115kV/40 kA 高压断路器；ABB公司也推出了其研制的额定电压550 kV、额定电流4 kA、开断容量为40 kA的SF6/CF4断路器，并在多尔西换流站稳定运行[41-42]。此外，比利时那慕尔大学的Larin等从理论上分析了SF6/CF4混合气体在均匀场下的协同效应[43]，并认为该混合气体协同效应的主要原因是CF4对电离反应抑制作用与SF6对电离反应促进作用的配合。

CF3I及其混合气体作为灭弧介质代替SF6气体研究工作报道近年来也较多。Yanabu等人研究了CF3I/CO2混合气体的开断能力[44-48]，发现CF3I体积分数为30%的混合气体在小电流开断时的开断能力与纯CF3I相当，实验比较了不同气体的电弧时间常数和功率损耗系数，最终给燃弧时间常数从小到大依次排序为：SF6＜CF3I ＜ CO2＜ H2＜ air ＜ N2，电弧功率损耗系数从大到小排序为：H2＞ SF6＞ CO2＞ air ＞ N2＞CF3I。图3展示了不同电流下CF3I与N2和CO2混合物的相对开断能力。结果表明，CF3I混合气体不能用于大电流情况下的短路电流，只可用于小电流的绝缘和断路工作。在小电流情况下，例如1 kA或3 kA，当CF3I的混合比例超过20%或30%时，CF3I-CO2混合气体的开断性能接近纯CF3I的开断性能。Cressault等人计算了CF3I与CO2、空气、N2混合气体等离子体的物性参数特性[6]，为电弧等离子体仿真研究提供了必要的数据基础。

图3 CF3I纯气体及其与N2和CO2的混合气体的相对开断能力比较[44]

近期在高绝缘性能的新型环保气体方面，ABB公司对C5-PFK气体开展了较多的开断能力研究，表明C5-PFK混合气体的弧后电流峰值和持续时间与SF6接近，但是开断性能较SF6降低约20%。Dhotre通过流体动力学仿真模拟研究了高压断路器中SF6、C5-PFK/CO2/O2和CO2/O2气体混合气体的开断过程。表1所示为几种气体的灭弧应用性能参数对比，C5-PFK/CO2/O2混合气体在0.7至0.8 Mpa压力下可得到与0.6Mpa压力下SF6气体相当的绝缘强度，且其近区短路故障开断能力约为SF6气体的80%～87%；而C4-PFN/CO2混合气体在0.67 Mpa至0.82 Mpa压力下可得到与0.6 Mpa压力下SF6气体相当的绝缘强度，且其近区短路故障开断能力可达到SF6气体的83%至100%[2,49-50]。

表1 SF6替代气体灭弧性能参数对比[2, 49, 50]

3 环保气体的应用情况

ALSTON公司（现GE公司）已将C4-PFN/CO2混合气体作为绝缘和灭弧介质在不同电压等级的电力设备上进行应用，主要有g3-420kV GIB(-25℃)、g3-245kV CT（-30℃）、g3-145kV GIS（-25℃）。

在中压领域，ABB公司推出了以C5-PFK/空气为绝缘介质的环保型气体绝缘开关柜ZX2 AirPlus，该环保型开关柜保留了现有GIS的紧凑性及其他优点，新气体的全球变暖潜能值（GWP）小于1，大大降低了对环境的影响。此外，ABB公司还开发了以C5-PFK/CO2混合气体为绝缘和灭弧介质的电压等级170kV、开断容量40kA环保型GIS样机，该GIS样机以原245 kV ELK-14GIS降容至170kV使用，最低使用温度为5℃，其中C5-PFK气体分压为39kPa，总充气压力为0.7Mpa绝对压力。

国内，云南电科院、西安交通大学和西北工业大学联合研制了采用C4-PFN混合气体作为绝缘介质的10kV户外高压负荷开关，该设备可处于“微负压”状态下工作，将能有效解决常规开关设备在平原地区充气后到高原地区应用出现的“鼓包”问题，尤其适用于云南、贵州等高海拔地区。武汉大学开发了以C6-PFK混合气体为绝缘介质的环保绝缘金属封闭开关设备，并通过了相关型式试验。

表2汇总了几种主要的环保气体分别在中压和高压电力设备中替代SF6应用时的关键参数。

常规气体在电力开关设备中作为绝缘与灭弧介质应用的主要有CO2及其混合气体、N2、空气等，相对电压等级较低，目前最高为145kV，且主要以中压气体绝缘金属封闭开关设备（c-GIS）为主。

在10kV电压等级上，环保型气体开关设备主要以空气或N2绝缘、真空断路器开断的形式，如ABB公司的SafeRing/SafePlus Air和ZX0 Air干燥空气绝缘环网柜和紧凑型开关柜。

CO2气体在较高电压等级的灭弧介质中实现了产品应用，如ABB公司和日本东芝公司分别研制的72.5kV电压等级纯CO2气体断路器，以及ABB公司以245kV LTB-E断路器降容得到的145kV、开断能力31.5kA的纯CO2气体断路器。在之后的持续优化设计中，为了提高CO2断路器的热开断性能和减少开断过程中C、CO等分解产物，东芝公司在CO2中加入少量O2。

近年来，德国西门子公司和日本三菱公司重点研究了空气绝缘技术及应用。西门子公司推出了145kV 8VN1 blue GIS，该设备以洁净空气（采用80%N2和20%O2的混合气体）绝缘、真空开断。三菱公司开发了以干燥空气绝缘、真空开断的高压HG-VA GIS，电压等级达到72kV。由于干燥空气绝缘强度在相同压力下仅约为SF6气体的1/3，其结构形式在SF6气体GIS上做了一些调整和优化，原充气压力与原SF6气体GIS相比略有提升，如原SF6气体HG-VG GIS为0.15Mpa绝对压力，而干燥空气HG-VA GIS充气压力为0.25Mpa绝对压力，且耐压和短时耐受电流值均有下降。

国内，近年来有数十家企业在中压环保型开关柜领域投入大量研发，并取得了显著的进展。上海天灵开关厂先后推出了N2或SF6-N2混合气体中压N2S/N2X系列开关柜和了N2N系列无SF6气体绝缘开关柜，N2N系列开关柜采用低压力的氮气(N2)作为绝缘气体，利用气体和局部固体相结合的界面绝缘技术。沈阳华德海泰电器在环保型中压开关柜方面重点研究和应用了干燥空气绝缘技术，先后推出了以干燥空气/N2绝缘、真空断路器开断的XGN118-12环保气体绝缘环网柜、HG3-40.5环保型气体绝缘金属封闭开关设备（C-GIS）、HG6-72.5kV环保型气体绝缘组合电器(MTS)等设备。

表2 不同SF6替代气体在中高压设备中应用的关键参数与环境影响

4 结束语

本文综述了SF6替代气体的研究及应用情况，主要进展可归纳如下：

1）SF6与N2、CF4的混合气体可作为绝缘或灭弧介质应用，以降低SF6气体对环境的影响，但该方法无法彻底解决SF6气体应用带来的环境问题；

2）N2和干燥空气可作为绝缘介质应用在中压电力设备中，且已有大量商业产品应用，但由于绝缘性能较低，难以在更高电压等级推广；

3）C5-PFK的绝缘强度和液化温度均较高，C5-PFK/空气混合气体可应用于中压领域；

4）在高压电力设备中，C5-PFK和C4-PFN与CO2或CO2/O2的混合气体具有较大应用潜力，C5-PFK混合气体GWP值低，但仅适用于户内设备，C4-PFN混合气体GWP值略高，但可应用于户外环境。

综上，现有针对C5-PFK、C4-PFN等新型环保气体的研究，大多针对其与CO2、空气的混合气体，而对于其他缓冲气体效果的研究报道较少。另一方面，C5-PFK、C4-PFN气体由于分解后无法完全复合，其混合气体作为灭弧介质的分解与复合仍需进一步研究；同时，现有断路器结构大多针对SF6气体的性质进行设计，如将新型环保气体作为灭弧介质应用，需要针对性地开展断路器灭弧室设计与优化研究，以充分发挥气体的灭弧性能，提升断路器开断能力。