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小科普：六氟化硫在電力工業(yè)中的相關(guān)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)
信息來源：www.ebaotong.com.cn | 發(fā)布時(shí)間：2019年08月15日
六氟化硫（以下簡(jiǎn)寫 ：SF6）以其良好的絕緣性能和滅弧性能，被廣泛應(yīng)用于電器工業(yè)，如：斷路器、高壓開關(guān)、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(xué)惰性、無毒 、不燃及無腐蝕性，還被廣泛應(yīng)用于金屬冶煉、大氣示蹤，電子制造等行業(yè)。
六氟化硫自20世紀(jì)初(1900年)在實(shí)驗(yàn)室(法國(guó)巴黎大學(xué))初次合成后，研究發(fā)現(xiàn)其具有良好的電氣性能，逐步開始工業(yè)生產(chǎn)。歷經(jīng)試驗(yàn)研究和在小型電氣設(shè)備上的應(yīng)用，20世紀(jì)60年代后，開始應(yīng)用于大容量電氣設(shè)備，繼而出現(xiàn)了全封閉組合電器。
我國(guó)對(duì)六氟化硫電氣設(shè)備的認(rèn)識(shí)始于20世紀(jì)60年代，70年代初一臺(tái)國(guó)產(chǎn)設(shè)備投運(yùn)，一組氣體絕緣變電站（簡(jiǎn)稱：GIS）引進(jìn)，此后不同電壓等級(jí)設(shè)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(shè)備引進(jìn)和研制成功，不斷地促進(jìn)了六氟化硫電氣設(shè)備在我國(guó)的迅速發(fā)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(zhì)；GIS在許多省網(wǎng)已經(jīng)投運(yùn)，六氟化硫變壓器也在一些城網(wǎng)改造中得以引進(jìn)；其他如互感器、套管等也得到大量更換與應(yīng)用，甚至電容器、避雷器和管道母線等設(shè)備亦在應(yīng)用。
六氟化硫是在化學(xué)上極其穩(wěn)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(qiáng)的吸收紅外輻射的能力，也就說， 六氟化硫是一種有很強(qiáng)溫室效應(yīng)的氣體，如以100年為基線，其潛在的溫室效應(yīng)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(zhǎng)。
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(yīng)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(dǎo)熱系數(shù)比空氣小，為優(yōu)良的冷卻介質(zhì)。其獨(dú)特穩(wěn)定的正八面體分子結(jié)構(gòu)，使其化學(xué)性能也極不活潑，在電氣設(shè)備運(yùn)行正常范圍內(nèi)，與銅、鋼和鋁等電氣材料不起化學(xué)反應(yīng)。沒有腐蝕性，藥物學(xué)性質(zhì)不活潑，沒有毒。微溶于水。
六氟化硫在電力工業(yè)中的主要優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)度與變壓器油大致相當(dāng)。
B、六氟化硫具有優(yōu)越的滅弧特性。由于其電負(fù)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(shè)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(yōu)異的電氣性能的存在，六氟化硫才在電力工業(yè)中得到了越來越多的應(yīng)用。并且，近年來，還在不斷向中低壓擴(kuò)展。
關(guān)于六氟化硫的環(huán)保問題
1997年的《京都議定書》已經(jīng)明確：六氟化硫是目前發(fā)現(xiàn)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(lián)合國(guó)氣候變化公約》和《京都議定書》的主要目標(biāo)，而我國(guó)在減少溫室氣體排放方面所面臨的國(guó)際壓力越來越大。
溫室效應(yīng)是指大氣中的二氧化碳等氣體能透過太陽(yáng)短波輻射，使地球表面升溫。同時(shí)阻擋地球表面向宇宙空間發(fā)射長(zhǎng)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(yīng)”，二氧化碳等氣體被稱為“溫室氣體”。
其中CO2對(duì)溫室效應(yīng)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(duì)溫室效應(yīng)具有潛在的危害，這是因?yàn)榱驓怏w一個(gè)分子對(duì)溫室效應(yīng)的影響為CO2分子的25000倍，同時(shí)，排放在大氣中的六氟化硫氣體壽命特長(zhǎng)，約3400年?，F(xiàn)今，每年排放到大氣中的CO2氣體約210億噸?，F(xiàn)在全球每年生產(chǎn)的六氟化硫氣體中，至少有一半以上用于電力工業(yè)，還在不斷的增長(zhǎng)當(dāng)中，而且增速驚人。
這兒 值得關(guān)注的是其特別長(zhǎng)的壽命和達(dá)到CO2的25000倍對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)能力！ 當(dāng)然，也有人提到六氟化硫在應(yīng)用過程中會(huì)產(chǎn)生少量的毒性物質(zhì)等問題，但這些問題在嚴(yán)酷的溫室效應(yīng)面前就顯得微不足道了。
應(yīng)用六氟化硫的電力設(shè)備的現(xiàn)狀
1 GIS
GIS(gas insulated substation)是氣體絕緣全封閉組合電器的英文簡(jiǎn)稱。GIS由斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線、連接件和出線終端等組成，這些設(shè)備或部件全部封閉在金屬接地的外殼中，在其內(nèi)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(shè)備自20世紀(jì)60年代實(shí)用化以來，已廣泛運(yùn)行于世界各地。GIS不僅在高壓、高壓領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，而且在特高壓領(lǐng)域也被使用。與常規(guī)敞開式變電站相比，GIS的優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、可靠性高、配置靈活、安裝方便、安全性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，維護(hù)工作量很小。但依然存在內(nèi)部故障隱患的檢測(cè)比較困難等問題，尤其是局放信號(hào)的檢測(cè)。
單單在華東地區(qū)，截至2006年，其110kV和220kV的GIS間隔就達(dá)到了1812個(gè)，還不包括電廠、大型企業(yè)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(wǎng)的GIS增長(zhǎng)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(gè)，2006年達(dá)到了1812個(gè)間隔，可見：2004年至2006年就增加了1400余個(gè)間隔，其增長(zhǎng)率趨勢(shì)是驚人的。
GIS的電壓覆蓋范圍甚至可以達(dá)到500kV、750kV等級(jí)。但GIS中六氟化硫氣體的用量也是驚人的，其一個(gè)氣室的用氣量就會(huì)達(dá)到數(shù)百公斤。對(duì)有些大型變電站，尤其是較大電廠，其年漏氣量甚至?xí)_(dá)到數(shù)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(kuò)大之中。
目前，GIS裝置在大中城市、電廠等都已經(jīng)普遍使用，而對(duì)六氟化硫的年漏氣總量還未見到有關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù).
2 斷路器
由于六氟化硫氣體具有優(yōu)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(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)。目前六氟化硫斷路器 高工作電壓已達(dá)765kV，開斷電流已達(dá)80kA，額定電流已達(dá)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(chǎng)，其中六氟化硫的在2004年就已經(jīng)達(dá)到8600多臺(tái)。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(tǒng)計(jì)資料顯示，252千伏六氟化硫斷路器累計(jì)產(chǎn)量866臺(tái)，比上年同期增長(zhǎng)18.5%；363千伏六氟化硫斷路器87臺(tái)，同比增長(zhǎng)102.3%；550千伏六氟化硫斷路器93臺(tái)，同比增長(zhǎng)43.1%。
另外，插接式斷路器系統(tǒng)PASS(Plug&Switch System)，是國(guó)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(huán)境和適應(yīng)性方面的苛刻要求，對(duì)變電所的擴(kuò)建及改造又有較高的靈活性，同時(shí)也能減少變電所的投資、滿足節(jié)能降耗和環(huán)保的要求。
類似的產(chǎn)品還有AIS，PASS MO，COMPASS等，是把一相斷路器加隔離開關(guān)和接地開關(guān)作為一個(gè)模塊放在六氟化硫密閉倉(cāng)中，每一直有獨(dú)立的外殼，在制造廠就已進(jìn)行了成套設(shè)備的組裝和調(diào)試工作，現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試較簡(jiǎn)便，其可靠性和靈活性就比較高，同時(shí)對(duì)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(shí)間；而且模塊化的生產(chǎn)工藝使之具有更強(qiáng)的抗震性和運(yùn)行的安全性。這些產(chǎn)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(guó)家電網(wǎng)公司六氟化硫氣體電流互感器為11473臺(tái)，較2004年增加138%。其中以220 kV和110 kV電壓等級(jí)的居多，其次是500 kV電壓等級(jí)， 后是330 kV電壓等級(jí)和66 kV電壓等級(jí)。占六氟化硫 氣體電流互感器總數(shù)的百分比分別為45. 1%、36. 6%、15. 4%、2. 7%和0. 18%。
從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：2005年六氟化硫 氣體電流互感器的增長(zhǎng)比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過油浸式電流互感器。并且隨著電壓等級(jí)的上升, 六氟化硫 氣體電流互感器所占相應(yīng)電壓等級(jí)總臺(tái)數(shù)的比例也隨之上升。500 kV電壓等級(jí)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(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)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(shì)。500 kV 六氟化硫氣體絕緣的電流互感器的事故率相對(duì)較高。
而對(duì)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(jīng)出現(xiàn)，但是市場(chǎng)份額還很小。
4 其他設(shè)備
由于六氟化硫氣體具有優(yōu)越的絕緣性能、滅弧性能和散熱性能，也開始向中壓設(shè)備發(fā)展。六氟化硫開關(guān)柜也在逐步提升市場(chǎng)份額。近年來，各種配電用的開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜等充六氟化硫的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。
中壓的各種六氟化硫充氣柜一旦在市場(chǎng)上擴(kuò)散，其用量及回收簡(jiǎn)直是不敢想象。更可怕的是，很多該類型產(chǎn)品堂而皇之的以高新技術(shù)產(chǎn)品的名義出現(xiàn)。
氣體絕緣變壓器（GIT）和氣體絕緣電纜（GIC）也都在研究當(dāng)中，其中GIT在國(guó)內(nèi)也已經(jīng)有數(shù)十臺(tái)在北京、深圳等地運(yùn)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(yīng)氣體，在大氣中的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，它們的壽命相當(dāng)長(zhǎng)，目前, 其清除機(jī)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(wěn)定的氣體，其參與自然循環(huán)過程的機(jī)理還有待進(jìn)一步研究和確定。而且對(duì)環(huán)境的長(zhǎng)期影響還有待進(jìn)一步觀察和研究。
目前所發(fā)現(xiàn)：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(duì)于回收且不能重復(fù)利用的六氟化硫，可以靈活選擇安全可靠的分解方式，但對(duì)于泄露到大氣中的六氟化硫，目前尚無法進(jìn)行搜集分解。
2 回收與重復(fù)利用
國(guó)內(nèi)在六氟化硫氣體回收這方面做的工作也不少了，但實(shí)際的回收裝置利用率很低，甚至有些企業(yè)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(jīng)過簡(jiǎn)單的過濾吸附而排放到大氣中。目前國(guó)內(nèi)還沒有可對(duì)六氟化硫氣體進(jìn)行再生處理的回收裝置。這些裝置均是對(duì)電器設(shè)備進(jìn)行抽真空，將設(shè)備內(nèi)的六氟化硫氣體回收至氣腔壓力為負(fù)133Pa，同時(shí)將廢氣壓縮到儲(chǔ)氣罐中，儲(chǔ)氣罐的容量 大為500kg。而這些回收的“廢氣”一般用于電器設(shè)備中零部件檢漏，很少有送回生產(chǎn)廠家對(duì)其進(jìn)行再生處理的。
結(jié)論
A、由于六氟化硫電氣技術(shù)設(shè)備的大量使用，不可避免地給人類賴以生存環(huán)境帶來污染和破壞。高壓電器中的六氟化硫用量的增多，對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生的影響越來越大，在國(guó)際大環(huán)境下，其它使用六氟化硫的行業(yè)在減少六氟化硫 排放方面做出卓有成效的工作，而國(guó)內(nèi)的電力行業(yè)卻在逆勢(shì)而上。
B、對(duì)六氟化硫，應(yīng)該在分解方法及裝置、替代物的成果應(yīng)用上多做研究工作，而對(duì)六氟化硫的回收再利用應(yīng)該保持跟蹤，防止其 終排放到大氣當(dāng)中。
C、在短期內(nèi)， 簡(jiǎn)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(yīng)用；盡量減少六氟化硫獨(dú)立設(shè)備的使用；并鼓勵(lì)中壓設(shè)備完全取消六氟化硫的使用。
到2020年我國(guó)單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值二氧化碳排放比2005年要下降40％~45％[28]，在國(guó)際大趨勢(shì)下，我國(guó)電力工業(yè)中的六氟化硫排放量也應(yīng)該緊跟形勢(shì)，積極為實(shí)現(xiàn)國(guó)家目標(biāo)而努力。根據(jù)目前情況，電力工業(yè)中采取一些簡(jiǎn)單的措施，就可以做出比較可觀的貢獻(xiàn)
