SF6气体在电力工业中的应用现状及问题.doc

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Present Situation and Solutions of SF6 in Electrical EquipmentLiang Fangjian1, Wang Yu2, Wang Zhilong2, Jia Xiaojing21. Shangqiu electric power supply company limited, HeNan province, 4760002. Beijing NUODEWEI electric tech develop CO., LTD. Beijing, CHINA, 100070Abstract：In recent years, the greenhouse effect is more severe, people pay more attention to the greenhouse effect. As a greenhouse effect gas , the SF6 is used in electrical equipment, metal melting, electronic and atmosphere tracer, which is mentioned in Kyoto Protocol. For more research works, the using of SF6 had stopped in electronic and atmosphere tracer, and reduced apparently in metal melting for mixture gas. But, the SF6 in electrical equipment are increased rapidly in CHINA, and the voice on the greenhouse effect of SF6 is very rare. The present situation of SF6 in electrical equipment is discussed here, the research field and developing trend is bring up, and several suggestions are listed to decrease the SF6 quickly in power system.Keyword：SF6, electrical equipment, greenhouse effect, environmental protection, recycle1、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SF66。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+3F2SF6 ），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23倍，而且气体压力越大，绝缘性能越增高。在2942 kPa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气体分子对温室效应具有潜在的危害，这是因为SF6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SF6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SF6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9。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SF6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。2.3 国内对SF6的环境保护意识淡薄出于对利润的渴望，电力设备的生产商竭尽所能的研发和推广各种使用SF6的产品。而各地电力公司也往往推波助澜，很多时候在不必要的情况也尽量选取GIS等类似的SF6设备，尤其是经济效益很好的一些省市，更是变本加利，指导方针变成了：只要有可能，就用这种设备。完全置环境保护于不顾。在所有SF6电力设备中，GIS是SF6气体用量最大，也是最难对泄露气体回收的，但由于其占地面积非常小，部分地区不顾具体情况，一味的采用GIS，更有部分地区，甚至以采用这种设备为荣。目前，尚有相当一部分人缺乏环境保护知识，对SF6气体的理化性能了解不够，对其给环境所造成的危害认识不深，环境保护意识淡薄。在生产、使用SF6气体的环节中由于使用、管理不当所造成的泄露及人为的排放相当严重10。甚至有很多人认为：SF6在大气中的存在量甚微，SF6目前对温室效应的贡献极小。因此，很多企业在开发拓展SF6电力设备上乐此不疲，甚至在上市报表把SF6设备作为支柱产业的发展方向。3、应用SF6的电力设备的现状3.1 GISGIS(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SF6绝缘气体，故也称SF6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 12。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GIS13。图1是直接摘取的华东电网的GIS增长情况13，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SF6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14 。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。图1：华东电网截至2004年的GIS间隔统计目前，GIS装置在大中城市、电厂等都已经普遍使用，而对SF6的年漏气总量还未见到有关监测数据， 3.2 断路器由于SF6气体具有优良的绝缘性能和灭弧性能，因而SF6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SF6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12kA15。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19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&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。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%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。500 kV SF6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404528，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。参考文献：1电气设备中SF6介质的应用与发展，鞠佳，电气应用，2009，28(2)；2电气设备中SF6气体的安全管理措施，张如山，山东电机工程学会第五届供电专业学术交流会论文集 , 2008 年3京都议定书，联合国气候变化框架公约，19974三星电子停用SF6等几种化学物质