日升研究院关于GIS中SF6气体替代的欧盟方案研究

欧盟28国中，SF6已经在逐步被替代，然而在气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）的研发领域却一直止步不前，在2014年最后一次修订氟气体法规时，还没有低成本和对环境无害的替代品。然而经过8年的技术突破以及环境和气候问题日益严峻，经科学评估，欧盟2017年的SF6用量在10800吨与24700吨之间(标准模式用量为12700吨),仅从操作运行泄漏产生的年排放量是68~140吨，相当于1600-330万吨的CO2当量。藉此，欧盟方也在不断寻找可行性方案，推动加快碳排放更低替代品的进程。而用氟代酮(C5-FK)和氟化腈(C4-FN)混合气体代替SF6的欧美方案也被推到前台，据其计算，如果将这个方案推广至欧盟28个国家,从2020年开始的逐步淘汰情景,在50年的时间里可减少平均1400万吨CO2当量的碳排放。如果推广至中压等级,预计会得到相似的结果。

对于开关设备来说，目前SF6的主要替代品是空气绝缘设备,但受其环境性能较差,由于占地面积大等限制因素，难以在人口稠密的城市区域普及，不能使电网达到最优化。这些设备的尺寸差异部分是由这些系统中绝缘介质的绝缘强度较低造成的。

目前，欧盟在寻找创新绿色开关设备方面的努力正在加快。在中压范围，正在研制采用真空断路器的液体、固体和干燥空气绝缘开关设备。欧盟已经在开发高电压等级用干燥空气绝缘开关设备，也已开发了用于中压和高压范围的两种类型的GIS技术。这些都基于CO2和O2与3M公司开发的两种混合物的混合气体,即氟代酮(C5-FK)和氟化(C4-FN)，实践证明了这些混合气体具有充分的绝缘和熄弧特性。除开关设备这些混合气体外,目前正在研究四氟丙烯(HFO-1234ze(E))在中压开关设备和高压开关设备中的应用情况。还研究了三氟碘甲烷(CF3I)混合气体作为SF。可能的替代物，但由于其腐蚀性和可疑致癌性还不大可能采用。

几个大的电气设备制造商,如通用电气、ABB和西门子公司,近来也宣布将其各自的无SF6技术扩大到最高至420kV的电压等级。在可以预见的将来，GIS领域的无氟化竞争将白热化。

从目前的技术和SF6替代方案来看，C5-FK和C4-FN与CO2和O2混合气体是欧盟目前最具商业化的两种候选混合气体。行业内亦已对基于SF6与采用C5-FK或C4-FN混合气体的单个间隔开关设备进行了部分评估。以寿命40年并运用最新技术的单个145kV间隔为例，从通用电气公司公布参数中可计算出传统GIS中的纯SF用量,在7Pa操作压力下，每个GIS间隔是63kg，而同等条件下，C4-FN和CO混合气体量是30kg，其密度约为SF6一半。假设在8Pa操作压力下，6%mol/mol的C4-FN(等效于22%的质量/质量)混合到CO2中。相对SF6而言,这种特定混合气体的绝缘强度较低，因此需要增压。这个压力增加可以进行调节，它在混合气体中可能要求比例更高的C4-FN。鉴于目前的技术状况，在GIS中对SF6替代性气体的总体质量比需要进行灵敏度分析，摩尔混合比5.6%/5.6%/88.8%(27%/3%/70%质量混合比)的C5-FK/O2/CO2混合气体在7Pa的绝缘强度是S6在6Pa时的77%。因此，145kV开关设备要求的混合气体体积比SF6开关设备的高大约30%。据C5-FK在正常密度(10.7kg/m3)条件下并假设所有气体的表现与理想气体相似,我们估计，对于等效功能来说,在8Pa压力下33kg C5-FK/O2/CO2混合气体开关设备可代替在7Pa下63kg的SF6开关设备。