气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）用新型气体研究

黄潍 王志强 吕品

摘要：SF₆气体作为绝缘和灭弧介质在中、高压电力设备中占主导地位。但SF₆气体温室效应问题严重，削减SF₆气体在GIS中的应用，开发能够替代SF₆的新型绝缘气体是电气领域亟待解决的问题。本文以全氟化腈和全氟化酮两种新型气体为研究对象，对其理化特性、绝缘特性及灭弧特性进行分析，来论证其替代SF₆气体的可行性。

关键词：GIS;新型气体;绝缘性能;灭弧性能

1.引言

纯净的SF₆气体是一种无色、无味、无毒和不燃的惰性气体，其耐电强度很高，在均匀的电场中约为空气耐电强度的2.5倍左右。但SF₆气体同时也是一种很强的温室气体，全球变暖潜能值（GWP）为CO₂气体的23900倍，排放到大气后能存在3200年。

全球每年高压电力设备中使用的SF₆气体超过8000吨，占总量的80%以上，由于不可避免存在泄漏，回收处理不当等因素，导致大气中SF₆气体含量逐年上升，1998年到2012年增长近一倍。《京都议定书》（1997年），《巴黎协定》（2016年）等相关政策或法规均提出控制温室气体排放，力争在本世纪下半叶实现温室气体净零排放。

人工合成的全氟化腈及全氟化酮气体绝缘强度高、全球变暖潜能值低、热传导特性优良、化学稳定性良好。替代SF₆气体作为绝缘和灭弧介质应用在开关设备中不会对产品产生腐蚀或其他负面影响，且能够大幅降低温室气体排放，减轻环境压力，对绿色发展、低碳循环发展具有积极意义。

2.新型气体的理化特性

全氟化腈（Fluoronitrile）分子式为C₄F₇N，又称为g³气体（取自绿色、气体、电网的英文）。

全氟化酮（Fluoroketone）分子式为C₅F₁₀O，又稱为C5气体。

新型气体的理化特性见表1所示。

可以看出，新型气体在绿色环保上更具有优势。g³气体的全球变暖潜能值仅为SF₆气体的10%，C5气体的全球变暖潜能值只有1（与CO₂气体一致）;两种气体在大气中存留的年限分别为35年和0.04年，与SF₆气体的3200年相比有了大幅缩减。

3.新型气体的绝缘性能和灭弧性能

g³气体、C5气体和SF₆气体的绝缘击穿电压曲线见图1所示。

标准大气压下，g³气体的绝缘强度为27.5kV、C5气体为18.4kV、SF₆气体为14kV。在绝缘性能上，新型气体的表现要优于SF₆气体。

SF₆对电子的亲和力强、电流过零前弧隙大量自由电子被SF₆吸附，弧隙电导率急骤下降;电流过零后，电弧时间常数小，弧隙介质强度恢复快，更有利于灭弧。因此SF₆气体是迄今最为理想的灭弧介质。

g³气体和C5气体的灭弧性能可以达到SF₆气体的80%。而且在出线端故障试验、近区故障试验、容性电流试验中，通过提高设备充气压力、更改设计结构、优化元件材料等方式，g³气体和C5气体也能够达到与SF₆气体接近的灭弧性能。

新型气体优秀的绝缘性能和接近SF₆气体的灭弧性能也为其在GIS中替代传统气体提供了更多可行性。

4.新型气体在GIS中的应用

g³气体的沸点-4.7℃，C5气体的沸点26.9℃，在低温下就会发生液化，因此想在GIS中使用必须加入缓冲气体来减低沸点。CO₂气体绝缘性能是SF₆气体的40%-70%，灭弧性能是SF₆气体的50%-65%，在空气中大量存在又没有任何污染。将g³气体、C5气体分别与CO₂气体混合后应用到GIS断路器中，断路器设备的性能及额定特性见表2所示。

使用g³+CO₂混合气体及C5+CO₂混合气体的GIS断路器，在性能上能够满足额定值的要求，同时加入CO₂作为缓冲气体又可以满足低温工况的需要。目前Alstom公司的F35型145kV g³+CO₂混合气体GIS，ABB公司的GLK-14型170kV C5+CO₂混合气体GIS已在欧洲多个工程中成功应用。

5.结语

通过对g³气体和C5气体理化特性、绝缘性能及灭弧性能的研究，到最后在GIS断路器中加入g³+CO₂及C5+CO₂混合气体的实施推广，证明了在气体绝缘金属封闭开关设备中新型气体替代SF₆气体的可行性。新型气体的使用可以大幅减少温室气体排放，对于保护环境、绿色发展具有积极意义。

参考文献

[1] 黎斌. SF₆高压电器设计[M]. 北京：机械工业出版社，2015.

[2] 肖登明. 气体绝缘与GIS. 上海：交通大学出版社，2017.