温室效应与SF6气体替代方案

1997年，在日本京都召开的“气候变化条约第3次缔约国会议”颁布的京都协议书中，SF6气体被列为产生地球温室效应的六种气体之一，也在被削减之列。原因是虽然在大气中它的排放量远远小于CO2、CH4等其他气体（例如，有的研究数字表明SF6排放量约仅占所有产生温室效应气体总量的2%），但其产生温室效应的地球变暖能力系数GWP（Global Warming Potential）是23900，即相对于CO2的倍数；同时它的化学稳定性极强，在大气中寿命可长达100年以上不分解，近些年许多国外文献又有其在大气中的寿命为3200年的说法，总之其温室效应持续时间特别长。对SF6气体绝缘开关柜而言，如何降低SF6使用量，研究SF6和其他气体的混合物的绝缘性能、化学稳定特性、开断特性以及对高压电场分布的影响等问题，同时寻求能够替代SF6的气体，已成为10余年来高压电器制造领域一项重要的研究课题。

图3-37　SF6、N2和CO2工频击穿电压与气体压力的关系曲线

1.可替代SF6绝缘功能的气体

从国外大量研究结果来看，寻求能够彻底替代SF6绝缘和灭弧功能并且环境友好的单一气体尚不可能在短期内实现。对中压GIS而言，仅从替代绝缘功能的角度考虑则有一定的可能性。根据对SF6与N2的混合气体、压缩状态的干燥空气、纯N2、绝CO2等气体的放电机理，在不同电场、不同电压和极性、不同混合比例以及气体压力时绝缘特性的变化研究后发现，在现阶段，以下几类气体或混合气体有一定的使用价值：

（1）纯N2、干燥压缩空气、纯CO2属于一些环境友好的气体，但由于都不是负电性介质，它们的绝缘强度比SF6低得多。例如，纯N2绝缘强度只为SF6的1/2～1/3。如要达到柜内充SF6后的技术指标，N2的压力必须是SF6气体的3～4倍才能使用。图3-37中所示为CO2、N2和SF6气体在棒—板间隙电场中工频击穿强度的对比曲线。研究CO2在1.0MPa压力及以下的各种工频、雷电冲击电压放电特性的关系表明，导体表面粗糙度、绝缘体表面涂层材料、污秽状况对气体绝缘强度有不同程度的影响，有的可导致绝缘强度变化百分之十几甚至更多，因而这些因素在设计使用CO2气体的GIS时应予以注意[10]。

（2）试验发现，以N2为主和少量（百分之几至百分之几十）SF6的混合气体具有接近纯SF6的绝缘强度，图3-38～图3-40所示为纯N2和SF6混合气体在不同比例、不同气压的工频击穿电压和雷电冲击击穿电压变化曲线[11]。因而如柜内充入这种混合气体，可达到削减SF6用量的目的。

2.降低SF6气体用量或完全不用SF6气体的GIS

图3-38　纯N2和SF6混合气体的工频击穿电压与气体压力的关系

图3-39　纯N2和SF6混合气体工频击穿电压与SF6比例的关系

图3-40　纯N2和SF6混合气体的雷电冲击击穿电压与气体压力的关系

（a）正极性；（b）负极性

在环保型气体绝缘开关设备中，由于少量采用或者完全不采用SF6作为绝缘，因此，对绝缘结构电场分布的优化设计要求更高。实践表明，高压力气体和混合气体在不同电场中、不同电压作用下的放电行为较在常压状态空气中复杂得多，因而在设计工作中用专门软件计算的同时，经多次试验验证、修改仍是必要的手段。使用上述的有关气体并附加其他技术措施，国内外均已成功地研制、生产了一些新型的C-GIS。一种方式是对柜内真空断路器、隔离开关、高压部件的电场进一步优化改进，充分利用复合绝缘，实现最大限度的小型化，缩小装置的体积，从而降低SF6气体的用量，例如，日本富士电机24kV的C-GIS 2000型充气柜，SF6气体的用量从原来的12kg降低到4.4kg；另一种措施是在装置小型化基础上在导体表面添加固体绝缘层，在相间、对地等部位增设隔板，从而使开关装置在充入干燥空气或氮气时完全达到原来充SF6的绝缘强度，例如，最早由日本富士电机推出24kV的C-GIS 2000型和三菱公司24kV的HS-X型充气柜。经多年不断研究和固体绝缘技术的进步，三菱公司在2007年实现了7.2～72kV系列充干燥空气C-GIS的商品化。国内在近几年内也加大了开发环保型充气柜的力度，典型的成果则见于上海天灵开关厂有限公司、沈阳华利集团等单位研制的C-GIS产品。例如，上海天灵开关厂近来研制成功了几种采取不同措施降低SF6气体用量或完全替代SF6气体的C-GIS，有以下几种：

（1）40.5kV的N2S型C-GIS，柜内气体成分为SF6∶N2=50%∶50%，充气压力0.12MPa（20℃时绝对值），最大电气参数31.5kA、2500A。

（2）N2N型CGIS与N2S型的最大电气参数相同，但它充入的气体为微正压的纯N2，对应最大电气参数的体积是900mm（宽）×2300mm（高）×1700mm（深），其特点是压力小，不必像高压力CGIS那样用8mm厚钢板制造气箱，容易密封。

（3）12kV的N2X型C-GIS充入气体为纯N2，是完全环境友好的GIS；24kV的N2X型CGIS充入10%SF6气体，其余为纯N2，两种额定电压柜的充气表压均为0.12MPa（20℃时绝对值），N2X型CGIS为单母线三相共箱结构。设计的特点是：12～24kV柜体尺寸相同、它沿袭了N2S型的设计要素，同样在充气零表压时仍保持额定绝缘水平，主母线充气但相邻柜体之间采用硅橡胶连接器插接，因而现场拼柜时无需充、放气操作。在进线方式上，它也可提供电缆或绝缘母线从柜顶进线的方案。柜体尺寸为500mm（宽）×1050mm（深）×2300mm（高）；最大额定电流为3150A，最大短路开断电流为40kA；对应12/24kV的开关柜，额定绝缘水平均符合中国标准，即工频电压为42/65kV，冲击电压为75/125kV。

图3-41所示为N2X型CGIS断路器柜的结构简图。图3-42所示为设计新颖的直动式三工位开关，其特点是三相导体设计成圆柱形，因而其相间、对地的电场都较均匀，这对于减小绝缘气体的电场强度十分有益，因而用于N2X型和N2S型对开关装置整体设计都有重要的意义[12]。(www.xing528.com)

图3-41　上海天灵开关厂N2X型C-GIS断路器柜结构简图

1—低压室；2—三工位开关操动机构；3—三工位开关；4—真空断路器固封极柱；5—真空断路器操动机构；6—泄压口；7—主母线；8—气箱；9—内锥插座；10—电流互感器；11—高压电缆

图3-42　用于N2X型和N2S型C-GIS的直动式三工位开关

沈阳华利集团的40.5kV HG3型CGIS箱内完全充干燥空气，额定气压0.03MPa（20℃时绝对值），最大电气参数31.5kA、2500A。在2010年推出的72.5kV的ZHN3型C-GIS采用小型化设计，将SF6气体的用量极大地降低到传统设计方案所需的1/10，其最大参数为31.5kA、2500A，额定充气压力为0.02MPa（20℃时绝对压力），外形尺寸仅1000mm（宽）×2700mm（高）×2400mm（深）。ZHN3型CGIS的结构简图如图3-43[13]所示。

3.SF6新替代气体CF3I

图3-43　沈阳华利集团的ZHN3型C-GIS断路器柜
结构简图

1—真空断路器操动机构；2—三工位开关操动机构；3—三工位开关；4—三工位开关气箱；5—低压室；6—柜体；7—真空断路器；8—真空断路器气箱；9—插拔式避雷器；10—主母线；11—高压电缆

近几年来，国外在探索SF6气体替代研究工作中对CF3I气体（化学名称三氟碘甲烷）正予以极大的重视。CF3I原为一种灭火剂，无色、无味、无毒，Du Pont公司、Honeywell公司还证实了它的不致癌性。对其环保特性的测试表明，它的地球变暖能力系数GWP仅为0.4，消耗臭氧的能力系数ODP（Ozone Depleting Potential）接近于零，在阳光下很快分解，存在的寿命极短，约为0.005年，因而是一种环境友好的气体。

在物理特性方面，CF3I的分子量等于195.9，约为空气的6.7倍，它也是电负性气体，因此也具有良好的绝缘强度和开断高压电弧的能力。但由于纯CF3I气体的液化温度太高，无法实际应用。研究发现，CF3I气体与一定比例的N2或CO2混合之后，混合气体的液化温度可以降低，在气压0.5MPa（绝对值）时，CF3I与N2不同比例混合气体的液化温度见表3-5。作为对比，同样压力时气体的液化温度SF6约为-32℃，纯CF3I约为25℃。之所以选择0.5MPa作为比较的基准，因为该值通常是高压六氟化硫断路器的额定充气压力。从表3-5中数字可见，CF3I占气体总量为30%的混合气体液化温度约为-12℃，可适应室内GIS运行在-5℃以及更低一点的环境温度。

表3-5　CF3I与N2不同比例混合气体的液化温度

经大量电气试验研究发现，在开断特性方面，CF3I与CO2混合气体优于CF3I与N2混合气体。对不同比例CF3I与CO2混合气体的击穿特性研究是在球径50mm的电极、间距10mm电场中进行的，气体被分别施以正、负极性雷电冲击电压，测试结果如图3-44和图3-45所示。两图中，SF6气体的50%放电电压值用虚线画出，以利于分析对比的方便。从这些曲线可以看出，纯CF3I气体的绝缘强度优于SF6气体的，前者约为后者的1.2倍，但因其液化温度高不能实用；CF3I占60%的混合气体具有与SF6基本相同的绝缘强度；当CF3I所占比例进一步降低到约30%时，混合气体的绝缘强度约达SF6气体绝缘强度的0.75～0.80，但这时的液化温度正是前述的-12℃左右，因而得出CF3I与CO2这一比例的混合气体极有可能成为GIS新绝缘气体的结论[14-15]。

国内对CF3I与N2混合气体绝缘特性的另一重要指标——局部放电起始电压进行了详细试验研究。被试混合气体中CF3I的比例分别为10%、20%、30%和40%四种，在不同气体压力0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa和0.30MPa时对针—板间隙施加工频电压进行局放的测量。研究结果表明，N2的加入大大改善了纯CF3I气体对不均匀电场的敏感程度；CF3I为20%的CF3I、N2混合气体局放起始电压是SF6气体的70%左右，从而也证明了这一比例的CF3I、N2混合气体替代GIS中SF6的可能性[16]。

图3-44　CF3I与CO2混合气体冲击电压击穿特性（正极性）

图3-45　CF3I与CO2混合气体冲击电压击穿特性（负极性）