环保型C5F10O混合气体设备研制现状与展望
2023-09-12夏亚龙李富祥兰新生廖丽娟易选泽张晨萌谢施君
夏亚龙,李富祥,兰新生,廖丽娟,易选泽,张晨萌,谢施君,刘 涛
(1.国网四川省电力公司电力科学研究院, 四川 成都 610041;2.电力物联网四川省重点实验室, 四川 成都 610041;3.国网四川省电力公司资阳供电公司,四川 资阳 641300;4.国网四川省电力公司, 四川 成都 610041)
0 引 言
SF6气体因优异的绝缘和灭弧性能被广泛应用于电力设备中[1],但它是迄今为止发现温室效应最强的气体[2-3],被联合国政府间气候变化专门委员会在多项条款中限制排放[4-5]。近年来全球气候变暖日益严重,积极应对气候变化、推动绿色低碳发展,已成为全球共识和大势所趋。2020年9月22日,国家主席习近平在第七十五届联合国大会表示:“中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,碳排放力争于2030年前达到峰值,争取在2060年前实现碳中和”。目前全球SF6年排放量已达8100 t,相当于约1亿辆新车每年产生的碳排放量。SF6造成的温室效应不容忽视,亟需寻找一种环境友好型介质替代电气设备中的温室气体SF6。2022年8月24日,工信部等五部门联合发文《加快电力装备绿色低碳创新发展行动计划》,明确提出要加快开展新型低温室效应环保绝缘气体等相关装备的研制。
近期学者们发现了绝缘能力极佳的新型环保绝缘介质C5F10O,其全球变暖潜能值(global warming potential, GWP)仅为1,大气寿命低至0.04年,表现出优异的环保性能。尽管其液化温度相对较高,但与液化温度较低的N2、CO2、空气等气体混合使用,具备作为绝缘介质替代SF6的潜力[6-8]。C5F10O混合气体中缓冲气体含量越多,液化温度越低,其绝缘性能也会降低。找到一种合适的混合方案,既能保证设备的绝缘水平,又能满足运行环境温度,是混合气体工程应用的关键核心技术。另一方面,由于气体绝缘设备不可避免地会发生一些放电缺陷,混合气体在放电后还应该具备优良的分解特性,其分解产物不会对设备和运维人员造成危害,也不会腐蚀设备内部固体材料,避免固体材料因腐蚀导致绝缘水平下降[9-13]。
为此,下面总结了针对不同混合方案下C5F10O混合气体的理化特性、绝缘特性、分解特性及其与设备内金属材料的相容性,结合国内外环保型C5F10O混合气体绝缘设备示范应用案例,发现C5F10O混合气体具备工程应用的潜力,相关成果可为进一步开发环保型C5F10O混合气体绝缘设备及其扩大应用提供支撑。
1 C5F10O混合气体理化特性
1.1 C5F10O混合气体液化温度
通过求解安托万方程,可计算混合气体的饱和蒸气压曲线,进而获取混合气体在不同压强下的液化温度。不同C5F10O分压下C5F10O/N2、C5F10O/CO2混合气体的液化温度随压强变化规律如图1所示。
图1 不同C5F10O分压下混合气体液化温度
由于N2液化温度低于CO2,相同混合方案下,C5F10O/N2的液化温度低于C5F10O/CO2混合气体。相同分压下,随着混合气体总压的升高,一方面液化温度较高的C5F10O体积分数减小使得混合气体液化温度降低;另一方面混合气体压强的升高引起液化温度上升,两者的共同作用使得相同分压下,混合气体的液化温度受总压的影响不大。可以看出,当C5F10O分压小于20 kPa时,0.1~0.6 MPa下C5F10O/N2和C5F10O/CO2混合气体的液化温度都低于-10 ℃。
1.2 C5F10O混合气体GWP
欧洲议会和理事会关于某些氟化温室气体的第842/2006号条例(EC)提出了混合气体的GWP计算方法。由于C5F10O和纯CO2混合气体的GWP为1,因此C5F10O/CO2混合气体的GWP也为1。N2不是温室效应气体,其GWP为0,C5F10O/N2混合气体的GWP小于C5F10O/CO2混合气体。图2为C5F10O/N2混合气体的GWP。当C5F10O分压小于25 kPa时,C5F10O/N2混合气体的GWP整体小于0.76。C5F10O混合气体表现出极佳的环保性能,相比于GWP高达23 500的传统温室气体SF6,其GWP下降超过99.99%。
图2 C5F10O混合气体GWP
2 C5F10O混合气体绝缘特性
2.1 C5F10O混合气体工频绝缘特性
通过试验测量球-球电极间隙2 mm下C5F10O混合气体工频击穿电压,对比混合气体与相同压强下纯SF6的绝缘强度。C5F10O混合气体相对SF6绝缘强度如图3所示。
图3 C5F10O混合气体相对SF6工频绝缘强度
在混合气体压强小于0.2 MPa时,C5F10O/CO2混合气体绝缘性能优于C5F10O/N2;0.1 MPa、分压25 kPa下C5F10O/CO2混合气体的绝缘水平达到相同压强下纯SF6的95.40%。混合气体压强大于0.2 MPa后,C5F10O/N2的绝缘水平高于相同工况下的C5F10O/CO2,但仍低于相同压强下SF6气体的绝缘强度;压强0.2 MPa时,15 kPa分压C5F10O混合气体的绝缘水平仅约为SF6的70%左右。
2.2 O2对C5F10O混合气体工频绝缘特性影响
环保型C5F10O混合气体电气设备发生放电后,由于碳元素的存在会在电极表面析出黑色的固体颗粒,这些析出物破坏了电极表面光滑的结构,使得电极间的放电电压大幅降低,进而降低电气设备的绝缘水平。试验发现,在混合气体中加入适当的O2可有效抑制固体颗粒的析出,同时还可以提升混合气体绝缘水平。当C5F10O所占比例为4.17%时,不同含量O2下混合气体相对SF6绝缘强度如图4所示。
图4 O2对C5F10O混合气体绝缘水平影响规律
C5F10O混合气体绝缘水平整体上低于相同压强下SF6,加入O2后混合气体整体绝缘水平得到提升,通过选择合适的混合比例并适当提高充入设备的压力,C5F10O混合气体绝缘水平有望达到SF6相当水平。
3 C5F10O混合气体分解特性
搭建气体放电分解试验特性平台,分别对C5F10O分压依次为10 kPa、20 kPa和30 kPa以及混合气体总压为0.1~0.6 MPa的C5F10O/N2和C5F10O/CO2混合气体进行20次击穿试验,采集击穿后的气体并利用气相色谱质谱联用仪对分解产物进行定性与定量分析,评估C5F10O混合气体的稳定性,C5F10O/N2、C5F10O/CO2混合气体击穿20次后分解产物定性分析结果如图5所示。
图5 C5F10O混合气体击穿后分解产物定性分析结果
C5F10O/N2混合气体在多次击穿后主要分解产物包括:CO、CF4、C2F6、C3F8、C2F4、CHF3、C4F10、C3F6、C3F7H等。其中,C2F4、C2F6、C3F6、C3F8浓度较低,均小于3.5 μL/L;CF4浓度随着C5F10O分压的升高不断增加,最大值也仅为4.35 μL/L(分压30 kPa、总压0.1 MPa);CHF3浓度随着混合气体总压的升高整体呈现出减小的规律,分压20 kPa、总压0.1 MPa时,浓度最高值为9.37 μL/L。分解产物中CO的浓度最高,在15~30 μL/L范围内,如图6(a)所示。对于C5F10O/CO2混合气体,定性分析结果显示分解产物种类更少,C3F8和C3F7H没有检测到,CO浓度相对较高,如图6(b)所示,其余分解产物整体上含量要低于C5F10O/N2混合气体。
图6 C5F10O混合气体击穿后分解产物定性分析结果
4 C5F10O混合气体与金属材料相容性
武汉大学唐炬教授团队搭建了C5F10O与金属材料气固界面相互作用试验平台,测试了120~220 ℃范围内C5F10O/N2混合气体与铜、铝和银等金属的气固界面相互作用,评估了C5F10O与电气设备中常见金属的相容性[14-17]。图7给出了3种常见金属铜、铝、银与C5F10O/N2混合气体加热老化后表面颜色变化。
图7 常见金属与C5F10O/N2混合气体接触后表面颜色
对照实验组中金属铜材料为紫红色且色泽鲜亮,试验温度为120 ℃和170 ℃时铜表面颜色逐渐变为金黄色,其中,试验温度为170 ℃时铜片表面有部分区域颜色变暗,试验温度为220 ℃时铜表面呈现粉红色。试验前后金属铝、银表面的颜色并没有发生类似铜表面明显的颜色变化。进一步对其微观形貌的试验测试发现,金属铜会被C5F10O腐蚀,不适合在C5F10O混合气体绝缘设备中应用,金属铝和银具有良好的相容性,可以用作C5F10O混合气体绝缘设备金属材料。
5 C5F10O混合气体设备研制与应用
5.1 国外C5F10O混合气体设备示范应用
2014年,ABB公司以C5F10O/空气混合气体为绝缘介质,研制出22 kV环保型C5F10O混合气体环网开关柜,其结构如图8所示。2015年,该环保型开关柜在苏黎世的一个变电站进行挂网试运行[18-19]。
图8 ABB公司研制的C5F10O混合气体开关柜结构
5.2 国内C5F10O混合气体设备示范应用
2022年,国网四川省电力公司电力科学研究院、武汉大学等团队以C5F10O、N2和O2混合气体为绝缘介质,研制出35 kV环保型C5F10O混合气体电流互感器,并在国网资阳供电公司110 kV宝林变电站实现首次示范应用,如图9所示。截至目前3台互感器运行状况良好。
图9 35 kV环保型C5F10O混合气体电流互感器示范应用
6 结 论
现有研究表明,环保型C5F10O混合气体有望作为绝缘介质在气体绝缘设备中广泛应用。研究团队将持续跟踪目前已示范应用的35 kV环保型电流互感器运行情况,定期对运行后气体进行定量和定性分析,指导环保型C5F10O混合气体设备的研制和优化。为推动C5F10O混合气体的扩大应用,该领域还亟需开展以下工作:
1)研究C5F10O混合气体与电气设备中吸附剂、绝缘件等非金属固体材料间的相容性,指导研发其他新型环保气体绝缘设备提供支撑;
2)开展基于C5F10O混合气体特征分解产物的绝缘缺陷识别和诊断技术,为环保型C5F10O混合气体绝缘设备运维提供指导。