SF6替代气体在现有设备填充中的应用
六氟化硫(SF)是20世纪60年代以来广泛应用于气体绝缘开关设备(GIS)、气体绝缘线路(GIL)和气体绝缘母线(GIB)中作为开断和绝缘介质的一种气体。SF是已知的最易发生温室效应的气体，对环境的担忧促使研究人员寻找一种更环保的替代品来替代SF。虽然目前的大多数研究都集中在开发专门为替代气体设计的最先进的高压(HV)设备上，但这项工作调查了重新填充现有SF设备的可行性。这是一个更经济和节省时间的解决方案，逐步淘汰SF在电力行业的使用。开发填充解决方案的第一步是试验各种SF替代品，具体目标是确定一种适用于现有气体绝缘设备的合适混合气体组合。1. 简介   人类活动产生的温室气体排放是导致气候变化的一个关键因素。电力行业越来越重视促进向净零排放的过渡。一项关键措施是继续努力寻找更环保的SF替代品，SF是一种人造气体，其全球变暖潜能值(GWP)是CO的23500倍，且在大气中的寿命很长。主要用于整个输配电网络的气体绝缘设备，提供介质绝缘和熄灭电弧。电力行业目前占全球SF库存的80%。在英国，据估计，电力网络中SF的总安装质量约为1500t或35MtCO2e，从2015年到2018年，每年SF泄漏量是0.5MtCO2e。对于国家电网电力传输(NGET)，大部分SF用于无源器件，这是本次调查的重点。如果没有可行的替代方案，这些数字将在未来几十年急剧增加，因为电力网络将继续逐步淘汰老化的风冷和油绝缘开关柜，使用紧凑的SF设备。  最近无SF的安装使用了制造商针对Novec™4710和Novec™5110绝缘气体优化的新设备。虽然这是为了减少总SF排放量，但这需要相当大的投资，而且用新建设备取代全球所有现存的SF资产非常耗时。本研究的另一种方法和目的是研究用替代气体重新填充现有采用SF填充的设备的可行性。本文概述了曼彻斯特大学进行的SF替代研究工作。本文包括:(a)对SF替代品的回顾;(b)缩小尺寸原型测试的SF替代品的绝缘特性;(c)开发和验证为SF设计的工业规模气体绝缘验证器，以选定的候选气体取代气体;(d) IEC规定的标准型式试验和使用样机的非标准型式试验结果。2. SF替代品的选择过程   任何新的候选材料都必须具有比SF低得多的全球变暖潜能值，但还必须满足严格的技术要求，如介电强度高、灭弧能力强、沸点低以及化学稳定性高、不可燃和低毒性。这项工作的目的是重新填充现有的SF设计的输电设备。这意味着候选材料必须具有与SF相似或更好的介电性能，但也能够在4.5 bar的额定工作压力下保持气态。请注意，本文中给出的所有压力都是绝对值。根据文献，表1列出了四种有前景的氟化气体，本节将讨论它们的优点。所有候选材料的一个共同限制是沸点相对高于SF。因此，这些气体必须以低比例与承载气体(如CO或N)混合使用，以避免在高电压应用时所需的高压强下液化。此外，这些含氟气体的密度比空气大。这意味着，如果这些气体大量的被释放出来，并在封闭的环境(即室内GIS)中沉淀下来，就会有窒息的风险。表1 -不同绝缘气体的介电强度、全球升温潜能值和沸点   CFI是一种化学惰性气体，不易燃，介电强度是SF的1.2倍。CFI中的弱化学键C-I意味着它可以通过光解作用在大气中迅速分解，因此具有较低的GWP。根据吸入试验，美国国家研究委员会(NRC)毒理学委员会建议CFI在0.4%浓度时对心脏致敏有观察不良最低水平(LOAEL)。当与CO或N混合使用时，CFI的总体毒性水平将大大降低。至于CHF，商业上称为HFO1234ze(E)，有两个关键的缺点：(i)介电强度(85% SF)和沸点(19°C)的平衡意味着它的应用仅限于接近大气压的中压设备，以及(ii)由于高能放电而形成烟灰。CFI和CHF气体都会产生固体沉淀物(碘和烟灰)，如果它们积聚在固体绝缘子上，可能会在电压显著降低时导致表面闪络。   CHF有一个独特的“初始击穿”特性,初始击穿随后是连续的正极性LI击穿在LI波前(<1µs)截断，如图1(a)所示。击穿特性在第一次承受住后达到稳定。通过在混合物中使用CHF，第一次击穿效应会最小化，表明煤烟形成是这种特性的主要原因，必须在任何可能的CHF应用中考虑到这一点。有趣的是，图1(b)所示的局部放电(PD)特性表明，如果不发生击穿，CHF在非均匀场下具有与SF相当的介电性能。图1 - (a)用直径25毫米的不锈钢进行SF、CHF和30% CHF/ 70% CO的LI(+)系列测试。(b) SF和CHF的PDIV/EV特性，使用针尖半径为3μm的半球到平面结构，在0.5到2 bar的压力范围内进行测试  CFO (Novec 5110)是一种全氟酮气体，为了在额定温度为4.5巴的气体绝缘设备中保持气态，可以在混合物中使用少于10%的CFO。这将提供一种CFO混合气体，在相同压力下，其介电强度明显低于SF，不适用于高压设备中的替代应用。   Novec 4710是氟腈气体家族的一员，分子式C4F7N可以存在直线型和枝状型。在其枝状等长链型式中，气体实际上是无毒的，可以用简要公式(CF)2CFCN表示。注意，直线形式的CF(CF)CN是有毒的。Novec 4710可含有少量线性异构体，气体纯度可达99.5%。用CFCN表示该分子具有“CN”的丁腈功能，因此是以后首选的分子式。CFCN的大气寿命要短得多，只有30年，全球变暖潜能值约为SF的十分之一。这种气体的全球变暖潜能值仍然相当高，为2100，但只有4%至10%的CFCN用于混合物。与SF相比，这意味着碳足迹减少了99%。通过采用20%的CFCN和80%的CO混合物，在保持-10°C的液化低温度的同时，实现了相当的介电强度和高达98%的SF的碳足迹减少。需要注意的是，碳足迹减少计算考虑了相同压力下CFCN/CO混合物和SF的不同密度。   10毫米外直径的导体和内直径30毫米的外壳同轴配置。模拟GIL/GIB中建立的均匀电场，用于比较不同的候选气体。从图2可以看出，CFI/CO混合气体和CHF在两种LI极性下击穿性能最低。尽管使用16% CFCN/84% CO混合气体可提供额外的5℃的液化温度余量，但其介电强度降低，特别是在LI(-)下，而LI(-)是GIL/GIB的关键设计电压。很明显，20% CFCN / 80% CO混合气体具有与SF相似的击穿强度，是本次替代填充研究的首选气体候选。图2 SF[6]和CHF气体，以及CO分别与16%的CFCN、20%的CFCN、20%的CFI和30%的CFI混合后的混合气体，在10/30mm同轴布置装置下(a) LI(+)和(b) LI(-)，压力为1至4.5 bar下的击穿特性3. 实验细节   本节描述(a)符合IEC 62271- 204:2011的型式试验程序，(b)由SF设计的传输额定设备组装的全尺寸演示器的设置和(c)二元混合物的气体处理程序。3.1实验设置   对设备进行型式试验或耐压试验，以验证其是否符合相关的IEC标准。设备在调试前要进行LI、SI、AC和PD类型测试。虽然小批量原型的击穿试验提供了关于替代气体的有用信息，但除非它通过了实际规模设备上所需的型式试验，否则不能将其提出作为可行的解决办法。图3(a) - (c)说明了各个部件，包括可浸透的锥形绝缘子、母线和高压套管。如图3(d)所示，在演示装置的组装时要特别小心，以避免对导体表面造成任何潜在的损坏。在最终组装之前，所有组件都用真空吸尘器处理和异丙醇彻底擦拭，以最大限度地减少污染和残留灰尘。图3 - GIB演示装置组装:(a)绝缘部分，(b)导体截面，(c)高压套管和(d)演示装置组装过程示意图   对于耐压试验，电压波形及其公差根据IEC 60060-1:2010定义，并列出如下:工频耐压(50Hz)电压波形在试验电压的±1%范围内;操作冲击(SI)[250(±20%)/ 2500(±60%)μs]±3%试验电压范围内;雷电冲击(LI)[1.2(±30%)/ 50(±20%)μs]在±3%试验电压范围内。   图4显示了组装完成的GIB演示装置，分为两大部分：套管区和测试区。两个区域的运行压力均为4.5 bar。套管区始终充满SF。至于测试区，它最初填充SF6，用于基准测试，以确保在使用替代品测试之前正确地组装了设备。图4 -显示PD传感器位置的全尺寸演示装置照片  在套管顶部安装了两个防电晕环，以减少电晕产生。安装了两个带宽为200-1500MHz的内置超高频(UHF) PD耦合器用于PD测量。另外两个带宽为300-2000MHz的超高频传感器位于锥形绝缘体顶部的接地观察槽上。绝缘气体中PD活性放电的预期频率在GHz范围内。使用带宽为8GHz的Lecroy超宽带示波器来测量这些信号。在测试之前，使用一个UHF传感器作为发射机，其余传感器作为接收机，进行灵敏度验证程序。3.2 IEC型式试验程序   全尺寸GIB演示装置的尺寸设计可承受高达550kV的基本绝缘水平(BIL)，但NGET用于英国的400kV输电网络。由于设备额定电压为420kV和550kV BIL，因此使用20% CFCN / 80% CO混合物进行了两种电压水平的型式试验。根据IEC 62271-204:2011进行耐压型式试验。进行LI、SI、PD、AC四种电压波形的型式试验，各电压波形的试验程序如表2所示。表2 -全尺寸GIB演示器[6]的IEC类型测试程序3.3 气体处理流程任何压力舱必须始终抽真空，并充满干燥气体，如CO，略高于大气压力，并放置几个小时以吸收任何残留的水分。在用测试气体或混合物填充到所需的工作压力之前，再次将压力舱抽真空到1mbar以下。注入：在混合气体的初始注入过程中，采用基于道尔顿分压定律的测压法。这就是说，非反应气体混合物的总压等于各气体分压之和。这可以用数学表示如下: 式中P1…，Pn为各气体的分压，P为混合气体的总压。首先将CFCN填充到所需的压强，然后加满CO以达到所需的气体混合物总的压强。CO的填充必须缓慢进行，以避免可能的“强制冷却”效应，由于CO快速膨胀到隔室中引起的冷却效应，导致一些CFCN液化。混合：在混合物填充后使用再循环循环。压力舱内的整个气体体积至少循环两个循环，这取决于压缩机额定值(m/小时)和舱容积。这是为了确保气体混合物在开始任何测试之前是均匀混合的。分析：对于SF，根据IEC 60480:2004[17]，始终使用97%的纯度。定制的替代气体分析仪器能够测量15-30%的CFCN，偏差为±1%，用于确定气体混合比例。SF的纯度为99.8%，而气体混合物的比例为20.7% CFCN / 79.3% CO，没有任何O的痕迹。回收和再利用：作为闭环系统的一部分，使用过的气体必须回收到各自的存储钢瓶中。根据分解程度的不同，这些老化气体可以重新用于额外的测试。当CFCN的沸点使其在混合物中的分压超过≈2.5bar时，CFCN趋于液化。如果储存压力远低于混合物的饱和蒸汽压，考虑到最坏的室温，可以防止液化。在液化的情况下，加热毯被用来预热储存钢瓶，使气体混合物在填充之前变得均匀。4.全尺寸样机的实验验证   由表3可知，20% CFCN / 80% CO混合气体在420kV额定值下的耐压型式试验与SF同样成功。在IEC 62271-204:2011中规定的电压水平下进行SI、LI和工频耐压测试时，未发生击穿。对于UHF设置，PD放电发出至少16 mV的信号，任何超过此值的信号都被定义为设备内部的PD放电。设备在650 kV交流电压下通电1分钟，随后在291 kV交流电压下通电30分钟以上。在此期间，UHF传感器记录的最大噪声水平为8.01 mV，表明GIB中没有PD放电，通过了测试。在完成420kV型式试验后，重新注入演示装置的电压增加到550kV BIL的指定电压水平。与420kV的BIL相似，表3显示即使在所有电压波形的升高电压水平下，也没有记录击穿发生。在PD测试中，用20% CFCN/80% CO混合气体通电30分钟后，在381kV交流电压下记录了11.42mV的最大信号。这表明两种气体介质在全尺寸工业设备中具有相当的介电性能。这些试验有效地确定了20% CFCN / 80% CO气体混合物可以在400k GB输电网中替代填充，具有显著的安全裕度。表3 -全尺寸GIB演示器的IEC类型试验结果4.2非标准型式试验结果   使用脉冲波形进行了额外的非标准型式试验，以推动所选混合气体重新填充在验证器中的极限。在420kV BIL电压下进行非标型式试验，试验内容如下:增强脉冲应用：根据IEC标准，脉冲应用的数量从15个增加到30个，这是为了研究20% CFCN / 80% CO气体混合物在过电压瞬态事件数量增加下的特性。欠压：运行压力降低到4bar，模拟严重气体泄漏事件。在此降低压力下的型式试验将确定气体混合物是否仍然能够承受所需的LI和SI电压水平。   表4显示，使用20% CFCN / 80% CO气体混合物成功地通过了两种极性的LI和SI测试，没有发生击穿，尽管对指定的420kV BIL脉冲应用次数增加了一倍。此外，运行压力从4.5bar降低到4bar，压降>10%。然而，LI和SI两种极性的测试在420kV的电压下都没有击穿记录。请注意，20% CFCN / 80% CO气体混合物在4bar下的液化温度约为-13℃，这对于重新填充设备来说是额外的3℃的温度余量。标准和非标准型式测试表明，20% CFCN / 80% CO气体混合物的电介质性能与SF相当，作为一种潜在的替代方案，无需更换设备。值得注意的是，在高负荷下，新候选气体热性能的差异在本研究中没有涵盖。可以采用类似的实验验证方法，对其他不同型号、尺寸或额定电压的设备进行验证，以检验SF的使用是否最终可以被淘汰。表4 -全尺寸GIB演示器在420kV BIL条件下的非标准型式试验结果，适用于(i) 30次脉冲应用和(ii) 4 bar的降低运行压力5. 英国潜在的重新填充地点   重新填充20% CFCN / 80% CO混合物的户外设备可以在-10°C的4.5bar下运行。因此，评估在英国潜在的重新填充现场达到这一温度的概率是很重要的。表5报告了额定传输电压的NGET变电站，它们拥有最大的SF安装量(>20 t)。这些变电站约占NGET总SF库存的40%。历史温度数据来自表5所列变电站附近的气象站。表6所示的气象站一直在捕捉在英国气象局网站上公开的温度数据。大多数报告的变电站位于英国东南部地区。选择了五个气象站来覆盖表5所示变电站附近地区的温度分布。根据1990年至2018年的平均日最低气温记录，杜伦气象站在2010年12月录得的最低平均日最低气温为-3.4°C。表5 – SF库存超过20吨的英国NGET变电站。表6   英格兰北部的气温往往比东南部地区略低。所提供的数据是平均日最低温度，这意味着对于20% CFCN / 80% CO混合物，一天中可能有短时间室外温度下降到接近-10°C的液化温度。这可能被认为是可以接受的正常运行，因为内部导体在高负载条件下携带数千安培，这将会加热气体介质。在寒冷的冬季，由于轻载或空载的情况下，通过导体的电流接近最低温度时，需要采取适当的温度控制措施。6 结 论  本文对采用20% CFCN和80% CO气体混合物作为现有SF气体的替代品技术可行性进行了研究。主要结论如下:   对现有文献中模拟GIL/GIB设备中的同轴配置场均匀性进行了比较分析。在这种原型中，不同替代品的击穿结果表明，20% CFCN / 80% CO气体混合物具有与SF相当的介电性能。  用GIB示范器进行的型式试验显示，所选气体混合物已成功通过420/550kV BIL所需的所有IEC型式试验。另外在420kV BIL中进行的非标型式试验，即使将运行压力降低到4bar，也未发生击穿。这建立了更大程度的信心，在SF设备中重新填充混合气体的解决方案是可行的。   所选气体混合物的液化温度为-10°C，是室外设备的下限。然而，对英国主要SF变电站的最低温度分布图进行审查后发现，平均日最低温度低于-10°C是非常罕见的。