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新环保气体C4F7N或将替代六氟化硫气体

文章出处:责任编辑:作者:人气:-发表时间:2018-11-06 09:43:00【
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。
 
 
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%C4F7N+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%C4F7N+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。
 
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