中文题目：如何实现环保绝缘气体等压替代SF₆气体并实现工程应用？

英文题目：How to realize the isobaric replacement of SF6 gas by environmentally friendly gas and realize the engineering application?

作者信息：陈新 国网智能电网研究院有限公司

推荐单位：国网智能电网研究院有限公司

中文关键词：全氟异丁腈；环保气体；等压替代；工程应用

英文关键词：Perfluoro-isobutyronitrile；Environmentally friendly gas；Substitution under the same pressure；Engineering application.

问题描述：

解决气体绝缘电气设备中的SF₆气体替代问题已经成为“双碳”背景下电气设备技术发展的方向。目前国家电网公司主要采用SF₆/N2混合气体、新型环保绝缘气体全氟异丁腈（C₄F₇N）的混合气体、干燥空气等技术路线进行试点，均需要提高气压使用。气压提高会带来设备对缺陷的敏感性增强，设备长期运行可靠性降低，因此有必要研究采用与SF₆气体具备同等气压的替代方案。新气体CF₃SO₂F的加入为三元混合气体的组份带来了新的思路。

一般而言，气压的增大会提升混合气体整体的绝缘强度。所以，如何能在等压条件下，提升绝缘性能，降低GWP值，降低液化温度是未来环保替代气体领域中极具挑战的问题。基于此，研究SF₆气体的等压替代技术及在一定电压等级的电力设备中，譬如126kV GIL中的试点应用，进一步推动电网中SF₆气体的替代有着重要意义。

问题背景：

SF₆主要用作电气设备的绝缘和/或灭弧介质，包括SF₆断路器、气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）、负荷开关、气体绝缘输电管（GIL）、变压器和互感器，但随着电力行业的发展，SF₆的使用量飞速上涨，SF₆气体绝缘设备的调试、检修以及气体的泄露和回收都会使得SF₆进入大气环境中。SF₆气体被公认为一种对大气环境有较大危害的温室气体，其温室效应潜在值（GWP）极高。大气中的SF₆气体的含量以每年8.7%的速度飞速增长，美国、欧盟、英国等众多国家均与电力公司合作，提出一系列减少温室气体排放的措施，且美国从2020年开始提出逐年降低电气领域SF₆使用量，欧盟则计划在2030年将SF₆排放量缩减到2014年的2/3。因此寻找环境友好型的SF₆替代气体作为绝缘介质用于电气设备刻不容缓。从20世纪70年代各国学者便开始寻找环境友好型气体，探究不同气体和绝缘性能并分析替代SF₆的可行性是未来的研究重点。

环保替代气体一般需要考虑气体本身的理化性质（毒性和液化温度等，温室效应GWP值），和电气性能方面的试验和理论探究：局部放电特性、击穿特性和灭弧特性等表征绝缘能力的参数。一般而言，气体的GWP, 绝缘强度，以及液化温度相互制约，所以，SF₆替代气体能否能同时满足以上三种指标是当下研究的难题。

当下，市场应用较多的C₄F₇N/CO₂/O₂的三元组份；其主要应用于GIS，GIL等设备中，虽然氧气的加入可以避免C4F7N/CO2分解严重的问题，但相对于SF₆气体，需要提升气压，使气体间分子密度增大，才可以保持三元混合气体的绝缘强度，而如果能寻找一种新的气体去代替O₂，从而组成新的三元气体组分，在相同气压下，绝缘强度比C₄F₇N/CO₂/O₂更大，实现SF₆等压替代，是未来研究的重点和难点。

最新进展：

目前主要研究的替代气体有三类：常规气体（空气、N₂和_CO2）、SF₆混合气体和强电负性气体及混合气体。

国内外针对电气设备中SF₆气体的替代已经研究多年，在2016年以前，主要研究了C-C₄F₈、CF₃I等气体，但都局限于实验室的特性研究，且上述气体在经历高能放电作用下会分解析出固态碳或碘，影响整体绝缘性能。近年来，C₄F₇N,CO₂,O₂的三元混合气体被国内外众多学者所研究，O₂的添加能一定程度缓解C₄F₇N气体和CO₂混合造成的分解严重等问题。

国外研究方面：

ABB公司在2012年推出首台以CO₂气体为灭弧介质的72.5kV瓷柱式高压断路器；ABB公司采用SF₆/N₂混合气体，配用液压弹簧机构，在加拿大、澳大利亚等高寒地区运行；2016年以来，GE和ABB公司联合3M公司研发了基于C₄F₇N和C₅F₁₀O气体的GIL、GIS等设备，并投入实际工程应用。

国内研究方面：

中国电科院、武汉大学、黎明化工、北京宇极、西安交通大学等单位在2017年以来开展合作研究，突破了C4F7N气体的自主批量制备技术，研制了1000kV GIL样机。考虑到使用温度和绝缘强度，设备中C₄F₇N混合气体工作于高气压、低比例条件，气压的提高使得气体对缺陷的敏感程度提高，设备制造工艺要求也相应提高，上述问题仍有待进一步研究解决。此外，2022年12月5日，国内首台110千伏C4环保气体GIS在上海110千伏宁国变电站顺利投运。该混合气体组份为C₄F₇N,CO₂,O₂，是亚太地区首套进行投运的C4替代技术的GIS设备。且C4F7N等环保气体的制备已逐步行成国产化，突破气体制备的卡脖子技术；

新增气体CF₃SO₂F绝缘强度高于SF₆, GWP值不到SF₆的六分之一，它的出现也可以一定程度缓解甚至避免需要提升气压达到绝缘强度高的问题。

未来需要攻克的重难点方向在于：突破GWP值，液化温度，绝缘强度相互制约的瓶颈；新气体的加入在运行过程中稳定性的验证，以及GWP值是否会随着运行过程中增大也是未来值得研究的方向。另外，在三元混合气体的研究方面，以下四项重点也是亟需解决的问题。

需要通过理论计算的方法，计算出C₄F₇N三元混合后的绝缘强度和液化温度，组份类型和气压比例；计算模型的可靠性需要进一步验证。

需要研究典型电极结构下混合气体的工频和冲击放电特性，以获得间隙和沿面结构下C₄F₇N多元混合气体的工频/冲击放电场强；研究典型局放形式下混合气体的局放特征及分解产物特征，从而获得表征混合气体放电形式的特征产物。

在材料方面，需要研究CF₃SO₂F气体与设备内部典型电极材料、绝缘材料、辅助材料等的相容性。 C₄F₇N多元混合气体与典型材料的相容性值得考量，根据试验结果建立多元混合气体的气固相容评价模型，评估实际设备的长期稳定运行能力。

研究的C₄F₇N多元混合气体的126kV GIL样机，后续需要开展型式试验。 C₄F₇N多元混合气体的充气、检漏、组分检测等装置，需要制定相应的运维策略。

重要意义：

随着电网覆盖率不断拓宽、高压特高压建设规模不断扩大，全球GIS需求不断增长，预计到2025年全球GIS市场规模将达到270亿美元左右。由此来看，环保绝缘气体市场空间广阔，在环保压力下，环保绝缘气体将取代传统绝缘气体，未来更具发展前景。

我国“十四五”国家重点研发计划“储能与智能电网技术”重点专项中提出，针对电力系统中大量设备使用的SF₆（六氟化硫）绝缘气体带来温室效应的问题，研究探索新型环保绝缘气体及其应用技术。未来，在“碳中和”背景下，我国环保绝缘气体替代传统绝缘气体步伐将加快，叠加政策对环保绝缘气体开发支持力度加大，我国环保绝缘气体市场需求有望快速增长。成果可在110kV变电站开展试点应用，积累运行和运维数据，技术成熟后可推广应用于其他110kV变电站。由于提出的混合绝缘气体完全不含SF₆，且能实现等气压等体积直接替代，具有优于现有技术的优势，推广应用后将会显著降低电气设备中SF₆气体的使用，具有极大应用前景。

                                   摘自“2023中国电机工程学会电力领域重大问题难题”