环保绝缘气体设备研发与应用进展

靳梦磊,夏亚龙,肖 淞,李 祎,唐 炬,张晓星

(1.武汉大学电气与自动化学院, 湖北 武汉 430068;2.国网四川省电力公司电力科学研究院, 四川 成都 610041;3.新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心(湖北工业大学),湖北 武汉 400068)

0 引 言

采用SF6气体作为绝缘介质的输配电设备,由于可靠性高、运行维护周期长、占地面积小等优点,在各电压等级的电力系统中应用极其广泛,特别是在110 kV及以上电压等级的气体绝缘输配电设备中具有统治地位[1-2]。然而,SF6作为一种全球变暖潜能值(global warming potential, GWP)达到CO2的23 500倍的温室气体,造成了不容忽视的环境问题。事实上,它是联合国政府间气候变化专门委员会 (IPCC) 认定的迄今为止最强劲的温室气体。由于SF6气体作为绝缘气体在电气设备中的大量使用,致使其在大气中的浓度持续增加。为助力解决温室气体排放所导致的愈发严峻的环境问题,以及落实中国“2030年碳达峰,2060年碳中和”的目标要求,环境友好型气体及设备研发刻不容缓[3-5]。

下面综述了常见环保绝缘气体的基础特性并介绍了近些年国内外环保绝缘气体设备的研发与应用进展,最后展望了环保型气体绝缘介质应用可能面临的问题与发展前景,并提供了相关建议。

1 常见环保绝缘气体

SF6于20世纪70年代被成功制备并开始作为绝缘与灭弧介质在GIS等气体绝缘设备中应用[6]。早期研究SF6替代气体主要为解决其液化温度较高的问题。1980年,通用电气公司J C Devins等对35种潜在绝缘气体进行了性能测试,并通过饱和蒸气压特性分析了应用可行性,指出:应用在0.2 MPa气压时存在性能优于SF6的气体,分别是C4F7N、C2F5Cl、CF3-C≡C-CF3和C2F5CN;其他气体只有设备在更高运行温度下才具备替代SF6的潜力:综合来看SF6仍是最为理想的气体绝缘介质[7]。此后,SF6在1997年签署的《京都议定书》中被列为六大温室气体目录,国内外学者开始从环保角度对绝缘气体展开研究。表1给出了目前常见的环保绝缘气体的基础特性参数[8]。

表1 SF6及环保绝缘气体的基础特性参数

根据研究对象可将环保绝缘气体分为传统类与混合类:传统类包括N2、CO2和干燥空气;混合类包括SF6混合气体,如SF6/N2、SF6/CO2、SF6/CF4等,以及氟碳类强电子亲和性气体,包括氢氟碳化物(hydrofluorocarbons,HFCs)、全氟化碳(perfluorinated compounds, PFCs)、CF3I、全氟化腈(perfluornitriles, PFNs)、全氟化酮(perfluorinated ketone, PFK)等[9-10]。

其中传统气体在液化温度、环保特性、安全性方面表现优异,但其绝缘性能仅为SF6的30%～38%,因此常作为缓冲气体与SF6或强电子亲和性气体进行混合使用;而全氟化碳和CF3I则存在液化温度高、固体析出严重、环保性能不佳、安全性差等缺点,没有工程应用可行性[8]。相比之下,全氟化酮、全氟化腈两类物质绝缘性能高于SF6且环保特性优异,虽然液化温度较高,但与CO2等常规气体混合使用可以满足设备最低运行温度的要求,具有在中、高压气体绝缘设备的应用潜力。

目前,诸多输配电设备生产厂家也推出了以全氟化酮、全氟化腈为绝缘介质的环保型设备,通过了型式试验并开展了示范运行及推广工作。下面主要针对国内外全氟化酮、全氟化腈环保绝缘气体的应用现状进行综述。

2 国外气体绝缘设备研发及应用

目前,国外对以环保绝缘气体为绝缘介质的多电压等级输配电设备研发都取得了一定进展。自2015年以来,通用电气公司与ABB公司基于3M公司的Novec绝缘气体,率先推出系列环保绝缘气体输配电设备,随后其他厂家也陆续开展应用。表2和图1为3M公司部分环保绝缘气体设备安装案例。

图1 3M部分环保绝缘气体设备安装案例地图

图2 ABB公司的环保型380 kV GIS安装在德国TransnetBW公司的Weier变电站

图3 日立能源的世界首个环保型420 kV罐式断路器

图4 韩国首个环保型170 kV GIS

图5 Vista绿色地下配电开关柜

图6 云南12 kV环保型气体绝缘环网柜

图7 安装完成的110 kV C4环保气体GIS完整间隔

表2 3M部分环保绝缘气体设备安装案例

从应用3M环保绝缘气体的设备安装案例情况来看,自2015年起,国外包含多种类型、多种电压等级的环保绝缘气体输配电设备陆续被投运使用。部分典型案例如下:

2015年,ABB公司成功使用AirPlus,即C5F10O/Air混合气体用于瑞士苏黎世的EWZ公司170 kV GIS,该GIS是世界上第一个采用环保绝缘气体的气体绝缘开关设备。自2015年以来,EWZ公司成功运行了第一批中、高压环保绝缘气体应用的试点装置[11]。

2016年,通用电气公司联合3M公司推出了世界首台采用C4F7N/CO2混合气体作为绝缘介质的气体绝缘输电管道,该420 kV/63 kA GIL的工作绝对气压为1.06 MPa,运行温度为-25～40 ℃[12]。首台该型GIL安装于伦敦南部的Sellindge变电站,长度约为300 m的两条回路投运至今未发现异常。

2018年,ABB公司赢得德国输电网运营商TransnetBW的约4000万美元订单,用于升级德国巴登符腾堡州Obermooweiler的高压变电站。作为升级不可或缺的一部分,ABB公司安装了世界首个环保型380 kV GIS,该设备采用环保绝缘气体混合物,符合SF6行业标准[13]。

日立能源(原ABB电网)于2022年11月宣布,将为欧洲领先的电网运营商TenneT在德国的埃尔茨豪森220 MW抽水蓄能电站提供世界首台环保型420 kV GIS和先进的预装式模块化并网解决方案,整个项目将于2026年竣工,该应用能够有效减少SF6近2.3 t[14]。此外,日立能源将于2023年中期为美国Eversource公司的345 kV变电站提供全球首台420 kV环保型罐式断路器,不仅能够实现远距离大容量输电,同时避免SF6气体的大量使用[15]。

2016年,为开发环保型170 kV GIS,韩国LS电气公司与通用电气公司签订技术合作,该GIS采用C4F7N/CO2/O2混合气体作为绝缘介质,于2020年在国际认证测试所韩国电气研究院(KERI)完成了性能测试,并获得世界首个国际短路试验联盟(STL)对环保型170 kV/50 kA GIS的短路认证。2022年,LS电气获得韩国首个170 kV环保型GIS项目订单,将于2023年11月前完成10台该型环保GIS的供应,并将于2024年初正式投入运营[16]。

2021年,S&C Electric Company于美国芝加哥推出采用C4F7N/CO2气体的38 kV地下配电开关柜。该开关柜与同公司使用SF6的Vista开关设备具有相同的性能、可靠性、额定值和占地面积,且在潜水式和中压开关柜中的总碳足迹最低[17]。

整体上,国外对于环保绝缘气体的研发起步较早,应用面已经涵盖低、中、高多种电压等级以及GIS、GIL、CT等多种类型气体绝缘设备。事实上,通用电气公司、日立能源对于旗下环保绝缘气体设备研发应用的路线图已制定至2025年,未来环保绝缘气体的应用势必会涵盖更多电压等级和种类,环保绝缘气体设备应用方兴未艾。

3 国内气体绝缘设备研发及应用

国内对于环保绝缘气体设备的研发及应用现处于起步阶段。2016年以来,电网公司联合诸多科研院校、研究机构和设备生产厂家开展了一系列环保绝缘气体应用可行性研究及设备研发。表3为近年来国内部分环保绝缘气体设备的研发及应用情况[18]。

表3 国内环保绝缘气体设备研发及应用情况

其中,南方电网云南曲靖麒麟供电局于2021年4月29日在麒麟区10 kV幸福小区线投运的环保型气体绝缘环网柜,系国内首台采用环保气体作为“开断介质+绝缘介质”的12 kV环网柜在电网示范运行。该开关设备创新性采用C4F7N混合环保气体作为开断和绝缘介质的“微负压+零表压”产品路线,特别适用于高海拔、低温的区域,实现了环保气体在低充气压力下开断和绝缘技术的重大突破,有效解决了气体绝缘开关设备在微负压下的开断和绝缘问题,以及气体绝缘开关设备运行于高海拔地区的充气隔室漏气和鼓包问题,为低碳环保、坚强配电网提供安全可靠的有力支持[19]。

上海110 kV宁国变电站于2022年12月5日顺利投运国内首台(套)110 kV C4F7N环保气体GIS。在GIS设备全寿命周期内,采用的C4F7N环保气体在相同压力下绝缘性能约为SF6气体的两倍,且能够减少近100%的碳排放,满足电网设备安全运行要求。该设备投运是落实“双碳”行动的又一成功实践,标志着电力系统设备选型向环境友好类型又迈进一步,对环保组合电器设备在电力系统进一步推广应用具有重要意义[20]。

总体来看,现今国内中、低电压等级下环保绝缘气体输配电设备的研发应用颇有进展,但高电压等级下的应用多处于型式试验阶段,示范应用较少。环保绝缘气体设备的投运需要进一步积累实际应用数据与相关运维经验验证其应用可靠性,设备运行产生的有害气体处理与检测、气体与设备内部材料的相容性等可能面临的技术问题仍需进一步研究解决。

4 结 论

上面对常见环保绝缘气体的基本特性参数进行了比较,分析了其应用于气体绝缘输配电设备的可行性;介绍了目前国内外对于环保绝缘气体的示范应用情况。目前环保绝缘气体的主要应用集中在全氟化酮、全氟化腈上,尤其是C5F10O、C4F7N混合气体。国外已经推出多种类型、多种电压等级的环保绝缘气体输配电设备并实现示范运行,国内相关应用多集中于低、中电压等级设备,高电压等级设备应用处于起步阶段。

尽管近些年对于环保型气体绝缘介质的研究取得了一些突破,但仍存在设备运行产生的有害气体处理与检测、灭弧场景需要考虑的断路器结构调整等技术问题需要解决,仍需进一步积累设备研发、实际应用与运维策略的总结,逐步排查并解决各类理论和技术问题。环保绝缘气体的应用发展需要电气、物理、化学等多学科领域的交叉融合,需要进一步联合设备制造企业、电网公司、科研院所等开展合作研发,逐步探索并实现环保绝缘气体的进一步推广应用,助力减少气体绝缘输配电设备对使用SF6的依赖,最终促进电力工业“2030年碳排放达峰,2060年碳中和”减排目标的实现。