小科普：六氟化硫在電力工業中的相關應用及發展趨勢

信息來源：www.591touzi.com | 發布時間：2019年08月15日

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六氟化硫（以下簡寫 ：SF6）以其良好的絕緣性能和滅弧性能，被廣泛應用于電器工業，如：斷路器、高壓開關、高壓變壓器、氣封閉組合電容器、高壓傳輸線、互感器等。六氟化硫還因其化學惰性、無毒 、不燃及無腐蝕性，還被廣泛應用于金屬冶煉、大氣示蹤，電子制造等行業。

    六氟化硫自20世紀初(1900年)在實驗室(法國巴黎大學)初次合成后，研究發現其具有良好的電氣性能，逐步開始工業生產。歷經試驗研究和在小型電氣設備上的應用，20世紀60年代后，開始應用于大容量電氣設備，繼而出現了全封閉組合電器。

    我國對六氟化硫電氣設備的認識始于20世紀60年代，70年代初一臺國產設備投運，一組氣體絕緣變電站（簡稱：GIS）引進，此后不同電壓等級設備相繼得到鑒定和使用，到改革開放的80年代，大量的六氟化硫電氣設備引進和研制成功，不斷地促進了六氟化硫電氣設備在我國的迅速發展。至目前，高壓斷路器幾乎全部使六氟化硫替代絕緣油和空氣介質；GIS在許多省網已經投運，六氟化硫變壓器也在一些城網改造中得以引進；其他如互感器、套管等也得到大量更換與應用，甚至電容器、避雷器和管道母線等設備亦在應用。

    六氟化硫是在化學上極其穩定的一種氣體，它在大氣中的壽命約為3200年。特別是六氟化硫具有很強的吸收紅外輻射的能力，也就說， 六氟化硫是一種有很強溫室效應的氣體，如以100年為基線，其潛在的溫室效應作用為CO2的2.39萬倍。而且，目前排放到大氣中的六氟化硫氣體，正以8.7%的速率在增長。 
    
六氟化硫的電氣特性和問題 

    六氟化硫是在高溫下硫和氟反應制得（即：S+3F2→SF6 ），六氟化硫在常溫常壓下為無色無臭無毒的氣體。不燃燒導熱系數比空氣小，為優良的冷卻介質。其獨特穩定的正八面體分子結構，使其化學性能也極不活潑，在電氣設備運行正常范圍內，與銅、鋼和鋁等電氣材料不起化學反應。沒有腐蝕性，藥物學性質不活潑，沒有毒。微溶于水。
 
六氟化硫在電力工業中的主要優點如下：
    A、電絕緣性能和消弧性能好，絕緣性能為空氣的2～3倍，而且氣體壓力越大，絕緣性能越增高。在294．2 kPa壓力下，六氟化硫的絕緣強度與變壓器油大致相當。
    B、六氟化硫具有優越的滅弧特性。由于其電負性的作用，滅弧能力約為空氣的100倍，特別適用于高電壓大電流的開斷。
    C、由于六氟化硫氣體良好的絕緣性能，使設備絕緣距離大為縮小，占地面積與空間體積大大縮小。

    正是由于這些優異的電氣性能的存在，六氟化硫才在電力工業中得到了越來越多的應用。并且，近年來，還在不斷向中低壓擴展。
 
    關于六氟化硫的環保問題
    1997年的《京都議定書》已經明確：六氟化硫是目前發現的六種溫室氣體之一。減少溫室氣體排放、減緩氣候變化是《聯合國氣候變化公約》和《京都議定書》的主要目標，而我國在減少溫室氣體排放方面所面臨的國際壓力越來越大。
    溫室效應是指大氣中的二氧化碳等氣體能透過太陽短波輻射，使地球表面升溫。同時阻擋地球表面向宇宙空間發射長波輻射，從而使大氣增溫。由于二氧化碳等氣體的這一作用與“溫室”的作用類似，故稱之為“溫室效應”，二氧化碳等氣體被稱為“溫室氣體”。
    其中CO2對溫室效應影響 大，占60%，而六氟化硫氣體的影響僅占0.1%，但六氟化硫氣體分子對溫室效應具有潛在的危害，這是因為六氟化硫氣體一個分子對溫室效應的影響為CO2分子的25000倍，同時，排放在大氣中的六氟化硫氣體壽命特長，約3400年。現今，每年排放到大氣中的CO2氣體約210億噸。現在全球每年生產的六氟化硫氣體中，至少有一半以上用于電力工業，還在不斷的增長當中，而且增速驚人。
    這兒 值得關注的是其特別長的壽命和達到CO2的25000倍對溫室效應的貢獻能力！ 當然，也有人提到六氟化硫在應用過程中會產生少量的毒性物質等問題，但這些問題在嚴酷的溫室效應面前就顯得微不足道了。
 
應用六氟化硫的電力設備的現狀 
 
1 GIS
    GIS(gas insulated substation)是氣體絕緣全封閉組合電器的英文簡稱。GIS由斷路器、隔離開關、接地開關、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成，這些設備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，在其內部充有一定壓力的六氟化硫絕緣氣體，故也稱六氟化硫全封閉組合電器。
    GIS設備自20世紀60年代實用化以來，已廣泛運行于世界各地。GIS不僅在高壓、高壓領域被廣泛應用，而且在特高壓領域也被使用。與常規敞開式變電站相比，GIS的優點在于結構緊湊、占地面積小、可靠性高、配置靈活、安裝方便、安全性強、環境適應能力強，維護工作量很小。但依然存在內部故障隱患的檢測比較困難等問題，尤其是局放信號的檢測。
    單單在華東地區，截至2006年，其110kV和220kV的GIS間隔就達到了1812個，還不包括電廠、大型企業使用的，也沒有包含500kV和35kV的GIS。圖1是直接摘取的華東電網的GIS增長情況，由圖中可以看出，其GIS間隔自2002年起開始大幅增加，2002年至2004年增加了420個，2006年達到了1812個間隔，可見：2004年至2006年就增加了1400余個間隔，其增長率趨勢是驚人的。
    GIS的電壓覆蓋范圍甚至可以達到500kV、750kV等級。但GIS中六氟化硫氣體的用量也是驚人的，其一個氣室的用氣量就會達到數百公斤。對有些大型變電站，尤其是較大電廠，其年漏氣量甚至會達到數百公斤，甚至上噸 。由此推算，其漏氣總量是驚人的，而且，GIS的使用還在不斷的擴大之中。
    目前，GIS裝置在大中城市、電廠等都已經普遍使用，而對六氟化硫的年漏氣總量還未見到有關監測數據.
 
2 斷路器
   由于六氟化硫氣體具有優良的絕緣性能和滅弧性能，因而六氟化硫氣體絕緣斷路器具有尺寸小、重量輕、開斷容量大、維護工作量小等優點。目前六氟化硫斷路器 高工作電壓已達765kV，開斷電流已達80kA，額定電流已達12kA。
    目前，35kV的中壓斷路器基本上是真空斷路器和六氟化硫斷路器平分市場，其中六氟化硫的在2004年就已經達到8600多臺。而110kV及以上的中壓和高壓、高壓斷路器，空氣、少油斷路器都已基本被六氟化硫斷路器所替代。2005年1～9月份的統計資料顯示，252千伏六氟化硫斷路器累計產量866臺，比上年同期增長18.5%；363千伏六氟化硫斷路器87臺，同比增長102.3%；550千伏六氟化硫斷路器93臺，同比增長43.1%。
    另外，插接式斷路器系統PASS(Plug&Switch System)，是國外 近幾年推出的一種新型智能化高壓斷路器，既能滿足變電所在占地、環境和適應性方面的苛刻要求，對變電所的擴建及改造又有較高的靈活性，同時也能減少變電所的投資、滿足節能降耗和環保的要求。
    類似的產品還有AIS，PASS MO，COMPASS等，是把一相斷路器加隔離開關和接地開關作為一個模塊放在六氟化硫密閉倉中，每一直有獨立的外殼，在制造廠就已進行了成套設備的組裝和調試工作，現場安裝調試較簡便，其可靠性和靈活性就比較高，同時對PASS來說如果哪一相有問題就更換那一相，縮小了停電范圍和檢修時間；而且模塊化的生產工藝使之具有更強的抗震性和運行的安全性。這些產品近年來使用的也比較多，比如：江蘇、西藏等省。
 
3 互感器
    截止2005年底，國家電網公司六氟化硫氣體電流互感器為11473臺，較2004年增加138%。其中以220 kV和110 kV電壓等級的居多，其次是500 kV電壓等級， 后是330 kV電壓等級和66 kV電壓等級。占六氟化硫 氣體電流互感器總數的百分比分別為45. 1%、36. 6%、15. 4%、2. 7%和0. 18%。
    從統計結果可以看出：2005年六氟化硫 氣體電流互感器的增長比例遠遠超過油浸式電流互感器。并且隨著電壓等級的上升, 六氟化硫 氣體電流互感器所占相應電壓等級總臺數的比例也隨之上升。500 kV電壓等級的比例 高,為39. 13%;以下依次為330、220、110 kV和66 kV,分別為27. 8%、12. 46%、5. 05%和0. 13%。
    但從近年的統計數據來看, 六氟化硫 氣體電流互感器的事故和障礙有增加的趨勢。500 kV 六氟化硫氣體絕緣的電流互感器的事故率相對較高。
    而對于電壓互感器，目前仍然是以油浸式和電容式電壓互感器為主，六氟化硫電壓互感器已經出現，但是市場份額還很小。
 
4 其他設備
    由于六氟化硫氣體具有優越的絕緣性能、滅弧性能和散熱性能，也開始向中壓設備發展。六氟化硫開關柜也在逐步提升市場份額。近年來，各種配電用的開關柜、環網柜等充六氟化硫的產品不斷涌現。
    中壓的各種六氟化硫充氣柜一旦在市場上擴散，其用量及回收簡直是不敢想象。更可怕的是，很多該類型產品堂而皇之的以高新技術產品的名義出現。
    氣體絕緣變壓器（GIT）和氣體絕緣電纜（GIC）也都在研究當中，其中GIT在國內也已經有數十臺在北京、深圳等地運行。
 
分解與回收
1 分解
    六氟化硫作為一種非二氧化碳的溫室效應氣體，在大氣中的化學性質穩定，它們的壽命相當長，目前, 其清除機制所能夠確定的是緩慢光解和沉降。
    由于六氟化硫是一種人工合成的極其穩定的氣體，其參與自然循環過程的機理還有待進一步研究和確定。而且對環境的長期影響還有待進一步觀察和研究。
    目前所發現：六氟化硫的分解主要有三種情況：在電弧作用下的分解，在電暈、火花和局部放電下的分解，在高溫下的催化分解。這幾種分解方式，可靠的僅是在高溫下的催化分解，前兩者不能確保徹底分解。
    對于回收且不能重復利用的六氟化硫，可以靈活選擇安全可靠的分解方式，但對于泄露到大氣中的六氟化硫，目前尚無法進行搜集分解。
 
2 回收與重復利用
    國內在六氟化硫氣體回收這方面做的工作也不少了，但實際的回收裝置利用率很低，甚至有些企業就根本沒有配置。
    而六氟化硫氣體的回收處理更差，廢氣幾乎都是一放了之或經過簡單的過濾吸附而排放到大氣中。目前國內還沒有可對六氟化硫氣體進行再生處理的回收裝置。這些裝置均是對電器設備進行抽真空，將設備內的六氟化硫氣體回收至氣腔壓力為負133Pa，同時將廢氣壓縮到儲氣罐中，儲氣罐的容量 大為500kg。而這些回收的“廢氣”一般用于電器設備中零部件檢漏，很少有送回生產廠家對其進行再生處理的。 
 
   結論
    A、由于六氟化硫電氣技術設備的大量使用，不可避免地給人類賴以生存環境帶來污染和破壞。高壓電器中的六氟化硫用量的增多，對環境會產生的影響越來越大，在國際大環境下，其它使用六氟化硫的行業在減少六氟化硫 排放方面做出卓有成效的工作，而國內的電力行業卻在逆勢而上。
    B、對六氟化硫，應該在分解方法及裝置、替代物的成果應用上多做研究工作，而對六氟化硫的回收再利用應該保持跟蹤，防止其 終排放到大氣當中。
    C、在短期內， 簡單、 有效的六氟化硫減排方法是：盡量拋棄GIS，甚至H-GIS等的應用；盡量減少六氟化硫獨立設備的使用；并鼓勵中壓設備完全取消六氟化硫的使用。

    到2020年我國單位國內生產總值二氧化碳排放比2005年要下降40％~45％[28]，在國際大趨勢下，我國電力工業中的六氟化硫排放量也應該緊跟形勢，積極為實現國家目標而努力。根據目前情況，電力工業中采取一些簡單的措施，就可以做出比較可觀的貢獻

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