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SF6气体在电力工业中的应用现状与问题(doc8页)
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SF6气体在电力工业中的应用现状及问题
北京诺德威电力技术开发有限责任公司,北京,100070
摘要:
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SF6,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SF6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SF6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SF6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SF6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SF6设备的应用。
本文主要针对充SF6电气设备的应用现状进行了分析,并针对目前问题提出SF6电气设备的研究方向和发展趋势,并为短期内大量降低SF6用量提出了建议。
关键词:
SF6,电气设备,温室效应,环保,回收
PresentSituationandSolutionsofSF6inElectricalEquipment
LiangFangjian1,WangYu2,WangZhilong2,JiaXiaojing2
1.Shangqiuelectricpowersupplycompanylimited,HeNanprovince,476000
2.BeijingNUODEWEIelectrictechdevelopCO.,LTD.Beijing,CHINA,100070
Abstract:
Inrecentyears,thegreenhouseeffectismoresevere,peoplepaymoreattentiontothegreenhouseeffect.Asagreenhouseeffectgas,theSF6isusedinelectricalequipment,metalmelting,electronicandatmospheretracer,whichismentionedinKyotoProtocol.Formoreresearchworks,theusingofSF6hadstoppedinelectronicandatmospheretracer,andreducedapparentlyinmetalmeltingformixturegas.But,theSF6inelectricalequipmentareincreasedrapidlyinCHINA,andthevoiceonthegreenhouseeffectofSF6isveryrare.ThepresentsituationofSF6inelectricalequipmentisdiscussedhere,theresearchfieldanddevelopingtrendisbringup,andseveralsuggestionsarelistedtodecreasetheSF6quicklyinpowersystem.
Keyword:
SF6,electricalequipment,greenhouseeffect,environmentalprotection,recycle
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。
SF6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。
SF6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SF6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SF6电气设备引进和研制成功,不断地促进了SF6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SF6替代绝缘油和空气介质;GIS在许多省网已经投运,SF6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[1]。
SF6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SF6具有很强的吸收红外辐射的能力,也就说,SF6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SF6气体,正以8.7%的速率在增长[2]。
考虑到SF6对温室效应发展的贡献,1997年的京都议定书将其列入六种主要的温室效应气体之一[3]。
因此,在其他大量使用SF6的行业,通过大量的研究工作,已经停止使用SF6,或者大幅降低了SF6的用量。
比如:
韩国三星电子集团公司已经投资42亿美元用于这部分工作[4];在大气示踪技术方面,SF6已经基本被替换停用[5];而在金属冶炼方面,由于混合气体的逐步应用,SF6用量已经大大降低,同时,还在开发新的替代物质以便完全替代SF6[6]。
2、SF6的电气特性和问题
2.1优异的电气性能
SF6是在高温下硫和氟反应制得(即:
S+3F2→SF6),SF6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[7]。
SF6在电力工业中的主要优点如下[8]:
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294.2kPa压力下,SF6的绝缘强度与变压器油大致相当。
B、SF6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SF6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,SF6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SF6的环保问题
1997年的《京都议定书》已经明确:
SF6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SF6气体的影响仅占0.1%,但SF6气体分子对
流已达80kA,额定电流已达12kA[15]。
目前,35kV的中压断路器基本上是真空断路器和SF6断路器平分市场,其中SF6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SF6断路器所替代。
2005年1~9月份的统计资料显示,252千伏SF6断路器累计产量866台,比上年同期增长18.5%;363千伏SF6断路器87台,同比增长102.3%;550千伏SF6断路器93台,同比增长43.1%[16]。
另外,插接式断路器系统PASS(Plug&SwitchSystem),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,PASSMO,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SF6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SF6气体电流互感器为11473台,较2004年增加138%。
其中以220kV和110kV电压等级的居多,其次是500kV电压等级,最后是330kV电压等级和66kV电压等级。
占SF6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%[17]。
从统计结果可以看出:
2005年SF6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,SF6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。
500kV电压等级的比例最高,为39.13%;以下依次为330、220、110kV和66kV,分别为27.8%、12.46%、5.05%和0.13%[17]。
但从近年的统计数据来看,SF6气体电流互感器的事故和障碍有增加的趋势。
500kVSF6气体绝缘的电流互感器的事故率相对较高[17]。
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,SF6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SF6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。
SF6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SF6的产品不断涌现[18]。
中压的各种SF6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[19]。
4、分解与回收
4.1分解
SF6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[20]。
由于SF6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:
SF6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SF6,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SF6,目前尚无法进行搜集分解。
4.2回收与重复利用
国内在SF6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SF6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SF6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SF6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[21]。
单单河北南网,2007年泄露到大气中的SF6就甚至达到了6300kg,该统计还不包含钢铁、能源等大型企业中的排放。
这个还仅仅是当年泄露的,即使按照年漏气率0.5%计算,仅在河北南网,SF6实际使用的量也已经达到了1260吨。
而且,河北南网仅仅管辖石家庄、保定、邢台、邯郸、沧州、衡水六个地区,其发电装机容量才0.19亿千瓦[22],2008年全国就已经达到了7.925亿千瓦[23],河北南网仅占据其中的2.4%。
由此推算,全国的SF6使用量可能已经达到5.26万吨,每年的排放量可能超过262.8吨,相当于CO2的628.1万吨,按照目前的人均CO2排放1.3吨核算,目前已经达到了483万人的CO2排放量,更何况还在年年高速增长之中,而且实际使用的迟早也是要排放到大气之中的,触目惊心!
5、应对措施及研究方向
5.1回收、再利用和分解
国内,在生产厂商、设计院、电力公司却呈现了一种畸形的发展,SF6设备在不断的更新、扩大,并受到制造商和用户的推崇,并在实际中大力推动。
而针对SF6的回收、再利用、分解等方面的研究和实际应用却是凤毛麟角。
由于SF6在电气设备上的巨大用量,世界各国都在积极研究探索降低SF6用量的技术和方法、以及回收处理SF6的装置和方法,并不断取得成绩。
国家电网近年也关注到了这个问题,并取得了部分成果[24],但成果甚微,而且很难得到大面积的推广应用,实在是赶不上其反面作用。
在SF6的回收方面,国家电网公司从承担社会责任、保护环境的要求出发,对此积极地组织力量,在国网系统内主动进行SF6气体的回收工作,成效显著。
但是,在SF6回收物的再利用方面,绝大部分回收的废气最终都排放到了大气当中,前期的回收工作基本上未起到作用。
因此,迫切需要开展对废气的回收和再利用,直至最终的收集分解方面进行足够的研究工作。
在此,值得注意的是:
目前的回收往往还都是针对报废的SF6设备。
而对于正在运行的SF6电力设备,这些产品都有年漏气率的控制要求,但是对于泄露到大气当中的SF6废气如何进行回收处理,需要引起足够的重视,尤其是用气量极大的GIS设备。
其次,就长期而言,必须要对SF6的分解方法进行有效的研究工作。
目前最有效的是在高温下的催化分解,有信息表明:
SF6分子在2000K附近高温下大部分被分解成S、F元素或低氟化硫,分解反应吸收能量;在6000K以上形成离解高峰,产生大量电子、离子,也吸收能量[25]。
但是,在目前市场上很难见到对SF6进行分解的装置,也未见到对这方面的需求。
因此,需要研究有效的SF6分解装置及新的简单有效的分解方法。
5.2替代物和替代产品
首先,关于SF6替代物的研究,从20世纪70年代起,美国的EPRI(电力研究所)积极开展了这方面的工作,西安交通大学的邱毓昌教授也早在80年代就开始类似的研究[26]。
目前的研究结果表明:
纯N2或SF6和N2的组合气体,是SF6替代物的最佳选择。
SF6替代物方面已经有了很多的研究成果,如何将其应用在设备当中,以便完全替代或者大幅降低SF6的用量,是当务之急。
这个方面的工作需要国家政策的支持,同时需要用户的认识和积极配合。
比较可喜的是,目前充纯N2的电气设备已经在研制当中。
其次,对于普通独立式的电力设备,如包括断路器、互感器、GIT等,如果有可替代物,应该首选其他类型的替代产品。
虽然单台设备的用气量不大,但是其数量众多,影响更是不容小视。
因此,在满足性能要求的前提下,应该尽量选择市场上可以购买到的其他类型设备。
比如,真空断路器在中压领域就应用的比较好,而互感器在甚至在高达220kV的电压等级上也有可以替代SF6设备的成熟的类似环保产品[27]。
5.3选用合理的变电站类型:
变电站的形式有户外敞开式、户内的,GIS,PASS那种类似的。
目前,GIS是电力工业中最大的SF6排放根源,无论那种变电站型式都可以满足电力系统的要求,实在没有必要现在投资很大建设了,将来要更大的投资来消除环保影响。
应该尽量撇弃GIS这种型式,对这种型式的变电站应该在建设之前做环保评估,如果实在是地方狭小,而且也没有其他方案可选,再选择GIS。
如果一定要选择GIS,则必须对泄露气体的回收与再利用做出规定并进行考核。
这个是短期内即可见到明显减排效果的最简单、最有效的方法,其原因是电力行业中绝大部分SF6都是消耗在GIS之内,而且泄露的也大多是由于GIS产生的。
5.4取消SF6中压设备
对于35kV及以下的中压设备,完全可以用真空、充N2、或其它类型设备替代SF6设备,没有必要在中压设备上浪费有限的SF6排放量的资源。
6、结论
A、由于SF6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SF6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SF6的行业在减少SF6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SF6,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SF6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SF6减排方法是:
尽量抛弃GIS,甚至H-GIS等的应用;尽量减少SF6独立设备的使用;并鼓励中压设备完全取消SF6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SF6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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(2);
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