SF6替代气体的饱和蒸气压特性研究

李丽,郭泽,邹庄磊,唐念,樊小鹏

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院,510080,广州;2.中国南方电网公司六氟化硫重点实验室,510080,广州;3.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室,710049,西安)

SF6气体是电力系统中广泛应用的一种绝缘和灭弧介质。由于SF6具有无与伦比的绝缘和灭弧能力,多年来尽管许多学者做了大量的研究,仍然没能找到与SF6气体具有相似性能的单一或者混合气体[1-2]。近些年来,由于全球变暖形势日益严峻,新的环境保护政策对电力工业提出了新的要求,而寻找SF6替代气体对降低电力系统的碳排放具有重要意义。

饱和蒸气压特性是影响SF6替代气体的一个重要因素,对实际电力设备中气体配比方案的决定具有指导意义。以SF6气体为例,其在高压断路器中的典型充气压力为绝对压力0.6 MPa,而该压力恰为SF6在-25 ℃时的饱和蒸气压,因此在探索潜在SF6替代气体时必须考虑这些气体的饱和蒸气压特性,以保证不会发生液化。通常液化温度越高的气体绝缘性能越高,因此实际产品中需要采用高绝缘气体与低沸点气体进行混合使用,从而在保证较高绝缘强度的同时,能够在相应的温度和气压下不发生液化。

关于SF6替代气体的研究已经持续了数十年,研究对象主要包括几类:①常规气体,包括压缩空气、N2、CO2等[3-5],其中压缩空气和N2作为绝缘介质在中压开关设备中取得了一些应用[6],而CO2被认为是最有可能替代SF6用于高压断路器中作为灭弧介质的气体或为其主要成分[7];②氟化腈(Perfluoronitriles,PFN)和氟化酮(Perfluoroketones,PFK)类气体,其中C4-PFN((CF3)2CFCN)和C5-PFK(CF3COCF(CF3)2)获得了极大关注[8-13],其分别与CO2和干燥空气的混合气体作为绝缘和灭弧介质的样机已经开始试运行;③全氟烃(Perfluorocarbon,PFC)及其卤代物,如CF4、CF3I、C3F8、c-C4F8等[14-18],而SF6-CF4作为绝缘和灭弧介质的高压断路器在极寒地区取得了非常成功的应用[19];④氢氟烯烃(Hydrofluoroolefins,HFO)类气体,主要有HFO-1234ze(Z)、HFO-1234ze(E)、HFO-1234yf以及HFO-1336m等[20],这几种气体为同分异构体,具有优异的绝缘性能;⑤氢氟烃(Hydrofluorocarbon,HFC)类气体,例如HFC-32、HFC-125、HFC-227等[21-22]。总体而言,第1类气体的优势是价格便宜,全球变暖潜能(GWP)值和液化温度均非常低,但绝缘性能较差,应用时需要对设备尺寸做出较大改变;第2类气体近年来获得了极大关注,其GWP值较低,且与CO2、空气具有较好的协同效应,与CO2、干燥空气混合后绝缘性能和液化温度能够达到与SF6相当的水平;第3类气体是研究相对较多的一类气体,但其GWP值较高,且液化温度也较高,不是SF6替代气体的最佳方案;第4类和第5类气体相关的研究较少,主要被用作制冷剂。

本文旨在通过研究SF6替代气体的饱和蒸气压特性,为其绝缘性能、灭弧性能的进一步研究以及在电力设备中的应用提供指导。

1 计算方法

饱和蒸气压可通过实验、计算等多种方法获得,计算方法中最常用的方程为Clausius-Claperon方程、Clapeyron方程和Antoine方程,其中Antoine方程是Clausius-Claperon方程的一种改进形式,具有较宽的压力适用范围。Antoine方程的一般形式为

logP=A-B/(T+C)

(1)

式中:P表示气体的饱和蒸气压;T表示气体温度;A、B、C为与物质种类相关的Antoine常数,可查表或由实验数据拟合获得。

Antoine方程仅适用于计算单一气体的饱和蒸气压,对于混合气体则需要结合气液平衡定律来进行计算。式(2)～式(5)列出了用于求解二元混合气体饱和蒸气压特性的计算公式

logP1=A1-B1/(T+C1)

(2)

logP2=A2-B2/(T+C2)

(3)

P1x=Py

(4)

P2(1-x)=P(1-y)

(5)

式中:P1和P2分别为混合气体中两种组分的饱和蒸气压;A1、B1、C1和A2、B2、C2分别为组分1和组分2的Antoine常数;x和y分别表示组分1在液相和气相中的摩尔分数;P为混合气体的饱和蒸气压。

2 结果分析

2.1 常规气体

本节针对几种常规气体N2、CO2、SF6、CF4和CF3I的饱和蒸气压特性进行对比分析。表1给出了这几种常规气体的基本物理性质,除CF3I外的气体均为对称结构,N2和CO2的绝缘强度接近,均为SF6的30%左右,且GWP值极低,因而适宜作为缓冲气体与绝缘强度较高的气体混合,用于电力设备。CF4的绝缘性能较差,仅略好于N2和CO2,且GWP值较高,不适宜作为SF6替代气体广泛推广使用。CF3I的绝缘强度略高于SF6,并且GWP值也较低,但其液化温度较高,因而不能单独作为绝缘介质,应与其他缓冲气体混合使用。

表1 常规气体的基本物理性质

图1所示为几种常规气体N2、CO2、SF6、CF4和CF3I的饱和蒸气压特性,相关计算值与文献[20]的结果相吻合。可以看出,N2的饱和蒸气压远高于其他几种气体,在电力设备常用的温度和气压条件下不会发生液化。低温情况下,CF4的饱和蒸气压高于CO2,高温情况下则相反。SF6的饱和蒸气压介于易液化和不易液化的气体之间,-25 ℃条件下约为0.609 MPa,如需用于极寒地区,需要与其他气体混合使用。CF3I的饱和蒸气压最低,-25 ℃条件下约为0.093 7 MPa,低于标准大气压,因而不能单独作为绝缘介质,需要与其他气体混合使用。

图1 常规气体的饱和蒸气压

2.2 PFN和PFK类气体

本节针对PFN和PFK类气体的饱和蒸气压特性进行对比分析。表2所示为几种PFN和PFK类气体的基本物理性质,这几种气体均为非对称结构,且摩尔质量较高,高于SF6气体。C4-PFN的绝缘强度极高,约为SF6的2.2倍,且液化温度相对较低,其缺点是GWP值较高,但考虑到实际中其通常是与CO2混合使用,且C4-PFN的比例极低,因而混合气体的GWP值远低于SF6气体。几种PFK类气体的绝缘强度也远高于SF6气体,且其绝缘性能随C原子数的增多而增强,但相应的沸点也随相对分子质量的提高而升高。C4-PFK的GWP值较高,且是一种有毒气体,因而不能应用于电力系统,C6-PFK的沸点极高,也不适宜电力设备。C5-PFK具有较高的绝缘强度和极低的GWP值,且液化温度也相对较低,具有一定的应用前景。

表2 PFN和PFK类气体的基本物理性质

图2所示为PFN和PFK类气体的饱和蒸气压计算结果,相关计算值与文献[20]的结果相吻合。可以看出,PFN类气体的饱和蒸气压高于PFK类气体,且随着C原子数的增多,饱和蒸气压急剧下降。在-25 ℃时,C4-PFN的饱和蒸气压约为0.040 1 MPa,而C4-PFK、C5-PFK和C6-PFK的饱和蒸气压分别为0.035 1、0.010 1和0.002 78 MPa。当这几种气体与缓冲气体混合时,在不考虑气体间饱和蒸气压相互影响的情况下,若用于零表压(绝对压力0.1 MPa)设备,C4-PFN的体积分数为40%,C4-PFK、C5-PFK和C6-PFK的体积分数分别为35%、10%和3%,而当充气压力为绝对压力0.6 MPa时,C4-PFN的体积分数为6.7%,C4-PFK、C5-PFK和C6-PFK的体积分数分别为5.8%、1.7%和0.5%。可见,C4-PFN无论是在中压还是在高压电力系统均有很好的应用前景,而C5-PFK在中压系统有一定的应用前景,如需用于高压系统则仅能用于户内设备,或者通过一定的辅助加热措施对气体进行加热后用于户外设备。

2.3 HFO类气体

本节针对HFO类气体的饱和蒸气压特性进行对比分析。表3所示为几种HFO类气体的基本物理性质,这类气体为碳氢氟组成的烯烃,主要作为制冷剂用于汽车空调等。此类气体GWP值较低,且绝缘强度较高,具有一定的应用潜力,但该类气体的沸点较高,因而如需作为绝缘介质使用,需要与其他气体进行混合。

图3所示为HFO类气体的饱和蒸气压计算结果,相关计算值与文献[20]的结果相吻合。可以看出,这几种分子作为同分异构体,虽然具有相同的相对原子质量,但饱和蒸气压特性仍存在较大差异。HFO-1234yf的饱和蒸气压最高,接下来依次为HFO-1234ze(E)和HFO-1234ze(Z),HFO-1336m的饱和蒸气压最低。在-25 ℃时,这几种气体的饱和蒸气压从高到低依次为0.116、0.079 3、0.022 9和0.008 55 MPa,在-5 ℃时依次为0.257、0.18、0.058 6和0.022 5 MPa。可以看出,这几种气体均不能单独作为绝缘介质应用于高压电力设备,如需用于中压设备,HFO-1234yf纯气体可用于户内和户外设备,而HFO-1234ze(E)纯气体仅可用于户内设备,其他气体则无法单独作为绝缘介质。

图3 HFO类的饱和蒸气压

2.4 PFC类气体

本节针对PFC类气体的饱和蒸气压特性进行对比分析。表4所示为几种PFC类气体的基本物理性质,这类气体为碳氟组成的烷烃,具有不可燃、无毒、电气强度相对较高等特点,是早期研究最多的一类SF6替代气体,但该类气体的液化温度和GWP值较高,且造价也较高,为了降低液化温度,需要与N2、CO2等缓冲气体混合使用。

图4所示为PFC类气体的饱和蒸气压计算结果,相关计算值与文献[23]的结果相吻合。这几种气体按照饱和蒸气压从高到低依次为C2F6、C3F8、1-C3F6、c-C4F8,在-25 ℃时的值分别为0.939、0.168、0.124和0.048 3 MPa,在-5 ℃时的值分别为1.7、0.35、0.265和0.108 MPa。可见,从饱和蒸气压计算结果来看,除C2F6外,其他气体均无法单独应用于高压电力设备,而1-C3F6的绝缘强度约是SF6的92%,GWP值远低于SF6气体,且其-25 ℃时的饱和蒸气压约为0.124 MPa,高于标准大气压,因而可以作为绝缘介质用于零表压的中压设备。

表4 PFC类气体的基本物理性质

图4 PFC类气体的饱和蒸气压

2.5 HFC类气体

本节针对HFC类气体的饱和蒸气压特性进行对比分析。表5所示为几种HFC类气体的基本物理性质,这类气体为碳氟氢组成的烷烃,是一种制冷剂。该类气体不会对臭氧层造成破坏,但GWP值也较高,仍然是一种温室气体。目前HFC类气体的绝缘和灭弧特性的相关研究较少,本文对其饱和蒸气压特性进行计算分析。

表5 HFC类气体的基本物理性质

图5所示为HFC类气体的饱和蒸气压计算结果,相关计算值与实验值相吻合。可以看出,HFC-32和HFC-125的饱和蒸气压相近,高于HFC-134a和HFC-227气体。在-25 ℃时,HFC-32和HFC-125的饱和蒸气压分别为0.158和0.219 MPa,而HFC-134a和HFC-227的饱和蒸气压分别为0.017和0.012 2 MPa;在-5 ℃时,HFC-32和HFC-125的饱和蒸气压分别为0.411和0.568 MPa,而HFC-134a和HFC-227的饱和蒸气压分别为0.154和0.112 MPa。如果仅从饱和蒸气压角度考虑,这几种气体均有一定的应用前景,其中HFC-32和HFC-125可单独用于中压系统,而HFC-134a和HFC-227需要与缓冲气体混合使用。

图5 HFC类气体的饱和蒸气压

2.6 混合气体

以上研究均是针对纯气体的饱和蒸气压特性进行分析,本节针对具有应用前景的混合气体的饱和蒸气压特性进行分析。

图6所示为不同高绝缘气体与CO2的混合气体的饱和蒸气压,其中高绝缘气体的体积分数均为10%,CO2的体积分数均为90%。通过与CO2进行混合,混合气体的饱和蒸气压相比于高绝缘气体得到明显提高。可以看出,不同的高绝缘气体与CO2混合后,饱和蒸气压均随气体温度的升高而明显升高,按照饱和蒸气压从高到低依次为SF6、HFC-125、1-C3F6、HFO-1234yf、C4-PFN、C5-PFK。考虑户外设备的最低温度限制为-25 ℃,这几种混合气体的最高充气压力分别可以达到2.2、1.34、0.913、0.871、0.36、0.098 4 MPa。可见,在该比例下,除C4-PFN和C5-PFK外,其他几种混合气体均能应用于充气压力为0.6 MPa的高压电力设备。

图6 高绝缘气体与CO2混合气体的饱和蒸气压

图7所示为-25 ℃下高绝缘气体与CO2的混合气体的饱和蒸气压。由于高绝缘气体的饱和蒸气压明显低于缓冲气体CO2,因而混合气体的饱和蒸气压随着高绝缘气体比例的提高而明显下降。例如:对于零表压的户外设备(最低温度-25 ℃),C4-PFN和C5-PFK的最高体积分数分别约为40%和10%,而当充气压力升至0.6 MPa,C4-PFN和C5-PFK的最高体积分数分别降为约5.8%和1.5%。-25 ℃是常见的户外电力设备的最低温度,而0.1和0.6 MPa则分别为常见的中压和高压电力设备的充气压力,由此可见,C4-PFN混合气体在中压和高压户外电力设备均有较好的应用前景,而由于1.5%的体积分数较低,C5-PFK混合气体仅适用于中压电力设备,只能用于户内设备,或者通过一定的辅助加热措施对气体进行加热后用于户外设备。

图7 -25 ℃下高绝缘气体与CO2混合气体的饱和蒸气压

3 结 语

饱和蒸气压特性是筛选SF6替代气体的一个非常关键的因素,直接决定了气体的使用范围。本文采用最常用的Antoine方程,并结合气液平衡定律,分别对常规气体、PFK和PFN类气体、HFO类气体、PFC类气体、HFC类气体及其与CO2的混合气体的饱和蒸气压特性进行了计算分析,并对这几类SF6替代气体在电力设备中的应用提出了建议。然而,饱和蒸气压特性并不是决定SF6替代气体的唯一因素,还需要结合其绝缘性能、灭弧性能、GWP值等关键因素,以及气体的稳定性、分解物毒性、设备兼容性等其他因素来综合考虑。