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六氟化硫在电力工业中的应用及未来发展

2016-05-24 08:38:33    出处:泰竽气体有限公司     浏览次数:
   近年来,由于温室效应对气候的影响越来越明显,同时如何应对温室效应也在国际上得到了更多的重视。作为重要的温室效应气体之一的六氟化硫,其主要应用在电气设备、金属熔炼、电子制造业,以及大气示踪之上。作为六氟化硫的主要消耗产业,为了符合国际上对环保的要求,通过研究和技术改进,电子制造业和大气示踪上都已经基本停止了六氟化硫气体的使用,金属熔炼方面通过混合气体的使用也已经大幅降低了六氟化硫的用量,并且还在不断改进之中。而作为最大消耗量的电气设备方面,国内对六氟化硫的环保关注的声音依然极少,电气设备本身还在不断的拓展充六氟化硫设备的应用。本文主要针对充六氟化硫电气设备的应用现状进行了分析,并针对目前问题提出六氟化硫电气设备的研究方向和发展趋势,并为短期内大量降低六氟化硫用量提出了建议。 
 
1、前言 
    六氟化硫(以下简写:SF6)以其良好的绝缘性能和灭弧性能,被广泛应用于电器工业,如:断路器、高压开关、高压变压器、气封闭组合电容器、高压传输线、互感器等。六氟化硫还因其化学惰性、无毒 、不燃及无腐蚀性,还被广泛应用于金属冶炼、大气示踪,电子制造等行业。 
    六氟化硫自20世纪初(1900年)在实验室(法国巴黎大学)初次合成后,研究发现其具有良好的电气性能,逐步开始工业生产。历经试验研究和在小型电气设备上的应用,20世纪60年代后,开始应用于大容量电气设备,继而出现了全封闭组合电器。 
    我国对六氟化硫电气设备的认识始于20世纪60年代,70年代初第一台国产设备投运,第一组气体绝缘变电站(简称:GIS)引进,此后不同电压等级设备相继得到鉴定和使用,到改革开放的80年代,大量的六氟化硫电气设备引进和研制成功,不断地促进了六氟化硫电气设备在我国的迅速发展。至目前,高压断路器几乎全部使六氟化硫替代绝缘油和空气介质;GIS在许多省网已经投运,六氟化硫变压器也在一些城网改造中得以引进;其他如互感器、套管等也得到大量更换与应用,甚至电容器、避雷器和管道母线等设备亦在应用。 
    六氟化硫是在化学上极其稳定的一种气体,它在大气中的寿命约为3200年。特别是六氟化硫具有很强的吸收红外辐射的能力,也就说, 六氟化硫是一种有很强温室效应的气体,如以100年为基线,其潜在的温室效应作用为CO2的2.39万倍。而且,目前排放到大气中的六氟化硫气体,正以8.7%的速率在增长。 
     
2、六氟化硫的电气特性和问题 
2.1 优异的电气性能 
    六氟化硫是在高温下硫和氟反应制得(即:S+3F2→SF6 ),六氟化硫在常温常压下为无色无臭无毒的气体。不燃烧导热系数比空气小,为优良的冷却介质。其独特稳定的正八面体分子结构,使其化学性能也极不活泼,在电气设备运行正常范围内,与铜、钢和铝等电气材料不起化学反应。没有腐蚀性,药物学性质不活泼,没有毒。微溶于水。
 
六氟化硫在电力工业中的主要优点如下: 
    A、电绝缘性能和消弧性能好,绝缘性能为空气的2~3倍,而且气体压力越大,绝缘性能越增高。在294.2 kPa压力下,六氟化硫的绝缘强度与变压器油大致相当。 
    B、六氟化硫具有优越的灭弧特性。由于其电负性的作用,灭弧能力约为空气的100倍,特别适用于高电压大电流的开断。 
    C、由于六氟化硫气体良好的绝缘性能,使设备绝缘距离大为缩小,占地面积与空间体积大大缩小。 
    正是由于这些优异的电气性能的存在,六氟化硫才在电力工业中得到了越来越多的应用。并且,近年来,还在不断向中低压扩展。
 
2.2 关于六氟化硫的环保问题 
    1997年的《京都议定书》已经明确:六氟化硫是目前发现的六种温室气体之一。减少温室气体排放、减缓气候变化是《联合国气候变化公约》和《京都议定书》的主要目标,而我国在减少温室气体排放方面所面临的国际压力越来越大。 
    温室效应是指大气中的二氧化碳等气体能透过太阳短波辐射,使地球表面升温。同时阻挡地球表面向宇宙空间发射长波辐射,从而使大气增温。由于二氧化碳等气体的这一作用与“温室”的作用类似,故称之为“温室效应”,二氧化碳等气体被称为“温室气体”。 
    其中CO2对温室效应影响最大,占60%,而六氟化硫气体的影响仅占0.1%,但六氟化硫气体分子对温室效应具有潜在的危害,这是因为六氟化硫气体一个分子对温室效应的影响为CO2分子的25000倍,同时,排放在大气中的六氟化硫气体寿命特长,约3400年。现今,每年排放到大气中的CO2气体约210亿吨。现在全球每年生产的六氟化硫气体中,至少有一半以上用于电力工业,还在不断的增长当中,而且增速惊人。 
    这儿最值得关注的是其特别长的寿命和达到CO2的25000倍对温室效应的贡献能力! 当然,也有人提到六氟化硫在应用过程中会产生少量的毒性物质等问题,但这些问题在严酷的温室效应面前就显得微不足道了。
 
3、应用六氟化硫的电力设备的现状 
 
3.1 GIS 
    GIS(gas insulated substation)是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称。GIS由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成,这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中,在其内部充有一定压力的六氟化硫绝缘气体,故也称六氟化硫全封闭组合电器。 
    GIS设备自20世纪60年代实用化以来,已广泛运行于世界各地。GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用,而且在特高压领域也被使用。与常规敞开式变电站相比,GIS的优点在于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强,维护工作量很小。但依然存在内部故障隐患的检测比较困难等问题,尤其是局放信号的检测。 
    单单在华东地区,截至2006年,其110kV和220kV的GIS间隔就达到了1812个,还不包括电厂、大型企业使用的,也没有包含500kV和35kV的GIS。图1是直接摘取的华东电网的GIS增长情况,由图中可以看出,其GIS间隔自2002年起开始大幅增加,2002年至2004年增加了420个,2006年达到了1812个间隔,可见:2004年至2006年就增加了1400余个间隔,其增长率趋势是惊人的。 
    GIS的电压覆盖范围甚至可以达到500kV、750kV等级。但GIS中六氟化硫气体的用量也是惊人的,其一个气室的用气量就会达到数百公斤。对有些大型变电站,尤其是较大电厂,其年漏气量甚至会达到数百公斤,甚至上吨 。由此推算,其漏气总量是惊人的,而且,GIS的使用还在不断的扩大之中。 
    目前,GIS装置在大中城市、电厂等都已经普遍使用,而对六氟化硫的年漏气总量还未见到有关监测数据.
 
3.2 断路器 
   由于六氟化硫气体具有优良的绝缘性能和灭弧性能,因而六氟化硫气体绝缘断路器具有尺寸小、重量轻、开断容量大、维护工作量小等优点。目前六氟化硫断路器最高工作电压已达765kV,开断电流已达80kA,额定电流已达12kA。 
    目前,35kV的中压断路器基本上是真空断路器和六氟化硫断路器平分市场,其中六氟化硫的在2004年就已经达到8600多台。而110kV及以上的中压和高压、超高压断路器,空气、少油断路器都已基本被六氟化硫断路器所替代。2005年1~9月份的统计资料显示,252千伏六氟化硫断路器累计产量866台,比上年同期增长18.5%;363千伏六氟化硫断路器87台,同比增长102.3%;550千伏六氟化硫断路器93台,同比增长43.1%。 
    另外,插接式断路器系统PASS(Plug&Switch System),是国外最近几年推出的一种新型智能化高压断路器,既能满足变电所在占地、环境和适应性方面的苛刻要求,对变电所的扩建及改造又有较高的灵活性,同时也能减少变电所的投资、满足节能降耗和环保的要求。 
    类似的产品还有AIS,PASS MO,COMPASS等,是把一相断路器加隔离开关和接地开关作为一个模块放在六氟化硫密闭仓中,每一直有独立的外壳,在制造厂就已进行了成套设备的组装和调试工作,现场安装调试较简便,其可靠性和灵活性就比较高,同时对PASS来说如果哪一相有问题就更换那一相,缩小了停电范围和检修时间;而且模块化的生产工艺使之具有更强的抗震性和运行的安全性。这些产品近年来使用的也比较多,比如:江苏、西藏等省。
 
3.3 互感器 
    截止2005年底,国家电网公司六氟化硫气体电流互感器为11473台,较2004年增加138%。其中以220 kV和110 kV电压等级的居多,其次是500 kV电压等级,最后是330 kV电压等级和66 kV电压等级。占六氟化硫 气体电流互感器总数的百分比分别为45. 1%、36. 6%、15. 4%、2. 7%和0. 18%。 
    从统计结果可以看出:2005年六氟化硫 气体电流互感器的增长比例远远超过油浸式电流互感器。并且随着电压等级的上升, 六氟化硫 气体电流互感器所占相应电压等级总台数的比例也随之上升。500 kV电压等级的比例最高,为39. 13%;以下依次为330、220、110 kV和66 kV,分别为27. 8%、12. 46%、5. 05%和0. 13%。 
    但从近年的统计数据来看, 六氟化硫 气体电流互感器的事故和障碍有增加的趋势。500 kV 六氟化硫气体绝缘的电流互感器的事故率相对较高。 
    而对于电压互感器,目前仍然是以油浸式和电容式电压互感器为主,六氟化硫电压互感器已经出现,但是市场份额还很小。
 
3.4 其他设备 
    由于六氟化硫气体具有优越的绝缘性能、灭弧性能和散热性能,也开始向中压设备发展。六氟化硫开关柜也在逐步提升市场份额。近年来,各种配电用的开关柜、环网柜等充六氟化硫的产品不断涌现。 
    中压的各种六氟化硫充气柜一旦在市场上扩散,其用量及回收简直是不敢想象。更可怕的是,很多该类型产品堂而皇之的以高新技术产品的名义出现。 
    气体绝缘变压器(GIT)和气体绝缘电缆(GIC)也都在研究当中,其中GIT在国内也已经有数十台在北京、深圳等地运行。
 
4、分解与回收 
4.1 分解 
    六氟化硫作为一种非二氧化碳的温室效应气体,在大气中的化学性质稳定,它们的寿命相当长,目前, 其清除机制所能够确定的是缓慢光解和沉降。 
    由于六氟化硫是一种人工合成的极其稳定的气体,其参与自然循环过程的机理还有待进一步研究和确定。而且对环境的长期影响还有待进一步观察和研究。 
    目前所发现:六氟化硫的分解主要有三种情况:在电弧作用下的分解,在电晕、火花和局部放电下的分解,在高温下的催化分解。这几种分解方式,可靠的仅仅是在高温下的催化分解,前两者不能确保彻底分解。 
    对于回收且不能重复利用的六氟化硫,可以灵活选择安全可靠的分解方式,但对于泄露到大气中的六氟化硫,目前尚无法进行搜集分解。
 
4.2 回收与重复利用 
    国内在六氟化硫气体回收这方面做的工作也不少了,但实际的回收装置利用率很低,甚至有些企业就根本没有配置。 
    而六氟化硫气体的回收处理更差,废气几乎都是一放了之或经过简单的过滤吸附而排放到大气中。目前国内还没有可对六氟化硫气体进行再生处理的回收装置。这些装置均是对电器设备进行抽真空,将设备内的六氟化硫气体回收至气腔压力为负133Pa,同时将废气压缩到储气罐中,储气罐的容量最大为500kg。而这些回收的“废气”一般用于电器设备中零部件检漏,很少有送回生产厂家对其进行再生处理的。 
 
5、结论 
    A、由于六氟化硫电气技术设备的大量使用,不可避免地给人类赖以生存环境带来污染和破坏。高压电器中的六氟化硫用量的增多,对环境会产生的影响越来越大,在国际大环境下,其它使用六氟化硫的行业在减少六氟化硫 排放方面做出卓有成效的工作,而国内的电力行业却在逆势而上。 
    B、对六氟化硫,应该在分解方法及装置、替代物的成果应用上多做研究工作,而对六氟化硫的回收再利用应该保持跟踪,防止其最终排放到大气当中。 
    C、在短期内,最简单、最有效的六氟化硫减排方法是:尽量抛弃GIS,甚至H-GIS等的应用;尽量减少六氟化硫独立设备的使用;并鼓励中压设备完全取消六氟化硫的使用。 
    到2020年我国单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年要下降40%~45%[28],在国际大趋势下,我国电力工业中的六氟化硫排放量也应该紧跟形势,积极为实现国家目标而努力。根据目前情况,电力工业中采取一些简单的措施,就可以做出比较可观的贡献
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