新环保气体c4f7n或将替代六氟化硫气体|气体指南-凯发k8国际首页登录

目前，gil绝缘介质大多采用sf6气体，但sf6气体具有强温室效应（全球变暖系数gwp为23800），对环境影响较大，被国际上列为限制使用的温室气体。近年来国内外热点关注sf6替代气体研究，如采用压缩空气、sf6混合气体，及c4f7n、c-c4f8、cf3i等新环保气体，并研制环保gil，以改善设备的环保效益。20世纪初，siemens公司和abb公司研制了sf6/n2混合气体gil，投入工程应用；国家电网公司研制了sf6/n2混合气体特高压gil样机，额定电压1100kv。美国ge公司采用c4f7n/co2构成的g3（green gasfor grid）气体，研制了420kv gil，2017年在英国投运。可见，环保型gil技术还处于起步阶段，采用sf6混合气体或完全无sf6的环保气体，高电压等级设备的研发，及环保气体推广应用于电气设备等技术，均需开展深入的探索研究。

 

（1）新环保气体c4f7n

 

c4f7n的gwp为2100，大气寿命（在空气中的存续时间）约为30a，与sf6的gwp为23800及大气寿命3200a相比，具有良好的环保价值。

c4f7n在常压下的液化温度为−4.7 ℃，大多与co2、n2或空气等缓冲气体混合使用，以满足设备的使用环境温度。不同体积分数c4f7n的饱和蒸汽压曲线如图1所示，标注的小圆圈表征0.4mpa、0.6mpa下液化温度分别为−20 ℃、−30 ℃对应的c4f7n体积分数。

 

在相同气压下，c4f7n绝缘强度为sf6的近2倍，c4f7n及其与co2混合气体的绝缘特性见图2，可看出c4f7n/co2的绝缘强度随c4f7n体积分数增加线性增长，体积分数为20%时，绝缘强度接近甚至超过sf6的值。当c4f7n体积分数为4%~10%，0.67 mpa的c4f7n/co2绝缘强度为0.55mpa sf6的87%，气压提高至0.82mpa时，绝缘强度可达到sf6的96%，gwp为330~690，降为sf6的5%以下。

根据ge公司报道，c4f7n/co2混合气体的导热性能不如sf6，420kv gil分别充sf6和c4f7n/co2（0.65mpa，4% c4f7n）开展温升试验，电流为3.15ka、4 ka和5 ka时，测量到的温升结果如图3所示，可看出sf6的导热性能明显优于c4f7n/co2，但后者的最大温升未超过10k，可在壳体上增加散热片或在导体上开孔，以提升混合气体的散热性能。

 

（2）c4f7n混合气体gil

 

ge公司研制采用c4f7n/co2的环保型420kv gil，提出了两种气体配置方案：①采用4�f7n 96%co2方案，需大幅提高气压，对sf6气体绝缘设备设计稍作改动，最低使用温度达−25 ℃；②采用10�f7n 90%co2方案，设备气压变化较小，原有设计可不变，最低使用温度为−5 ℃。ge公司研制出420kv环保gil，考虑到使用环境要求，采用了第1种气体配置方案，设备气压约为0.9mpa，在英国曼宁顿应用。

 

在现有c4f7n混合气体环保gil研究基础上，国家重点研发计划“环保型管道输电关键技术”拟开展环保气体设计和制备、环保气体放电规律和绝缘特性、支撑绝缘子和整机的样机研制等关键技术研究，解决各项技术难题，研制出采用c4f7n混合气体绝缘的环保型1000kv gil样机，并通过试验考核。

 

目前，该项目已开展了近1 a的重点攻关，取得的主要研究进展有：

 

1）提出了基于量子化学的新环保气体分子设计方法，建立了气体设计的构效关系模型，设计出新环保绝缘气体分子sf5cn和sf5cfo。

2）攻克了c4f7n合成技术和制备工艺，打破国外技术垄断，实现了c4f7n高纯气体（纯度> 99.9%）的国产化工业制备。

3）建立了c4f7n气体的性能检测体系，试验获得了c4f7n及其混合气体的间隙和沿面绝缘特性（间隙距离≤10mm）。

4）开展了c4f7n与材料相容性、分解特性和老化规律等基础研究，制定了c4f7n充气与回收、环保gil放电监测等运维技术方案，正在开展样机的关键部件设计和制造。

 

目前的研究成果：

 

（1）国内对压缩空气gil技术进行了探索研究，建议运行气压取1~1.5mpa，导体外径和外壳内径分别选70mm、190mm，但由于运行气压过高，在电力系统中应用的风险大，未开发产品。

（2）sf6/n2混合气体研究较多，sf6体积分数大多为10%~50%，设备气压为0.5~0.7mpa；导体表面设计场强控制为17.6~22.6kv/mm，绝缘子沿面设计场强不超过10kv/mm，外壳内表面场强须小于1 kv/mm；国外研制的sf6/n2混合气体gil有成熟应用经验，运行情况良好，国内研制了sf6/n2混合气体特高压gil样机，也通过了带电考核。

（3）c4f7n气体制备问题基本解决，但c4f7n及其混合气体的研究和应用尚属起步，如应用于gil的相容性、绝缘恢复特性和运维技术等，仍需大量研究支撑；c4f7n混合气体420 kv gil已投运，奠定了较好的基础，但运行中仍存在不确定性，研制c4f7n混合气体的特高压环保gil面临尺度效应、气体供应不足和标准缺失等多项挑战。

（4）环保型gil技术中，sf6/n2混合气体gil关键技术和样机研制均较成熟，可推广应用于110~1000kv电压等级，在城市管廊及用地紧张区域的地下铺设gil，也可逐步取代变电站gis长母线；对于c4f7n混合气体gil，仍需开展多项关键技术的攻关研究，借鉴现有研究成果，可同时开展110~550kv电压等级的样机研制及应用，便于提升设备的环保效益。