SF6氣體在電力工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀與問(wèn)題

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n)識(shí)不深，環(huán)境保護(hù)意識(shí)淡薄。在生產(chǎn)、使用SF6氣體的環(huán)節(jié)中由于使用、管理不當(dāng)所造成的泄露及人為的排放相當(dāng)嚴(yán)重[10]。甚至有很多人認(rèn)為：SF6在大氣中的存在量甚微，SF6目前對(duì)溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)極小。因此，很多企業(yè)在開(kāi)發(fā)拓展SF6電力設(shè)備上樂(lè)此不疲，甚至在上市報(bào)表把SF6設(shè)備作為支柱產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。3、應(yīng)用SF6的電力設(shè)備的現(xiàn)狀3.1GISGIS(gasinsulatedsubstation)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(kāi)關(guān)、接地開(kāi)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SF6絕緣氣體，故也稱SF6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(lái)，已廣泛運(yùn)行于世界各地。GIS不僅在高壓、超高壓領(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(kāi)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[12]。但依然存在內(nèi)部故障隱患的檢測(cè)比較困難等問(wèn)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(méi)有包含500kV和35kV的GIS[13]。圖1是直接摘取的華東電網(wǎng)的GIS增長(zhǎng)情況[13]，由圖中可以看出，其GIS間隔自2002年起開(kāi)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(jiàn)：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SF6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[14]。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。圖1：華東電網(wǎng)截至2004年的GIS間隔統(tǒng)計(jì)目前，GIS裝置在大中城市、電廠等都已經(jīng)普遍使用，而對(duì)SF6的年漏氣總量還未見(jiàn)到有關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，圖1：華東電網(wǎng)截至2004年的GIS間隔統(tǒng)計(jì)3.2斷路器由于SF6氣體具有優(yōu)良的絕緣性能和滅弧性能，因而SF6氣體絕緣斷路器具有尺寸小、重量輕、開(kāi)斷容量大、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)。目前SF6斷路器最高工作電壓已達(dá)765kV，開(kāi)斷電流已達(dá)80kA，額定電流已達(dá)12kA[15]。目前，35kV的中壓斷路器基本上是真空斷路器和SF6斷路器平分市場(chǎng)，其中SF6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、超高壓斷路器，空氣、少油斷路器都已基本被SF6斷路器所替代。2005年1～9月份的統(tǒng)計(jì)資料顯示，252千伏SF6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SF6斷路器87臺(tái)，同比增長(zhǎng)102.3%；550千伏SF6斷路器93臺(tái)，同比增長(zhǎng)43.1%[16]。另外，插接式斷路器系統(tǒng)PASS(Plug&SwitchSystem)，是國(guó)外最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(lèi)似的產(chǎn)品還有AIS，PASSMO，COMPASS等，是把一相斷路器加隔離開(kāi)關(guān)和接地開(kāi)關(guān)作為一個(gè)模塊放在SF6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(lái)說(shuō)如果哪一相有問(wèn)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(lái)使用的也比較多，比如：江蘇、西藏等省。3.3互感器截止2005年底，國(guó)家電網(wǎng)公司SF6氣體電流互感器為11473臺(tái)，較2004年增加138%。其中以220kV和110kV電壓等級(jí)的居多，其次是500kV電壓等級(jí)，最后是330kV電壓等級(jí)和66kV電壓等級(jí)。占SF6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%[17]。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出：2005年SF6氣體電流互感器的增長(zhǎng)比例遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)油浸式電流互感器。并且隨著電壓等級(jí)的上升,SF6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。500kV電壓等級(jí)的比例最高,為39.13%;以下依次為330、220、110kV和66kV,分別為27.8%、12.46%、5.05%和0.13%[17]。但從近年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看,SF6氣體電流互感器的事故和障礙有增加的趨勢(shì)。500kVSF6氣體絕緣的電流互感器的事故率相對(duì)較高[17]。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，SF6電壓互感器已經(jīng)出現(xiàn)，但是市場(chǎng)份額還很小。3.4其他設(shè)備由于SF6氣體具有優(yōu)越的絕緣性能、滅弧性能和散熱性能，也開(kāi)始向中壓設(shè)備發(fā)展。SF6開(kāi)關(guān)柜也在逐步提升市場(chǎng)份額。近年來(lái)，各種配電用的開(kāi)關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜等充SF6的產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)[18]。中壓的各種SF6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(lèi)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[19]。4、分解與回收4.1分解SF6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[20]。由于SF6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(guò)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)：SF6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SF6，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SF6，目前尚無(wú)法進(jìn)行搜集分解。4.2回收與重復(fù)利用國(guó)內(nèi)在SF6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(méi)有配置。而SF6氣體的回收處理更差，廢氣幾乎都是一放了之或經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)濾吸附而排放到大氣中。目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有可對(duì)SF6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SF6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)氣罐的容量最大為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[21]。單單河北南網(wǎng)，2007年泄露到大氣中的SF6就甚至達(dá)到了6300kg，該統(tǒng)計(jì)還不包含鋼鐵、能源等大型企業(yè)中的排放。這個(gè)還僅僅是當(dāng)年泄露的，即使按照年漏氣率0.5%計(jì)算，僅在河北南網(wǎng)，SF6實(shí)際使用的量也已經(jīng)達(dá)到了1260噸。而且，河北南網(wǎng)僅僅管轄石家莊、保定、邢臺(tái)、邯鄲、滄州、衡水六個(gè)地區(qū)，其發(fā)電裝機(jī)容量才0.19億千瓦[22]，2008年全國(guó)就已經(jīng)達(dá)到了7.925億千瓦[23]，河北南網(wǎng)僅占據(jù)其中的2.4%。由此推算，全國(guó)的SF6使用量可能已經(jīng)達(dá)到5.26萬(wàn)噸，每年的排放量可能超過(guò)262.8噸，相當(dāng)于CO2的628.1萬(wàn)噸，按照目前的人均CO2排放1.3噸核算，目前已經(jīng)達(dá)到了483萬(wàn)人的CO2排放量，更何況還在年年高速增長(zhǎng)之中，而且實(shí)際使用的遲早也是要排放到大氣之中的，觸目驚心！5、應(yīng)對(duì)措施及研究方向5.1回收、再利用和分解國(guó)內(nèi)，在生產(chǎn)廠商、設(shè)計(jì)院、電力公司卻呈現(xiàn)了一種畸形的發(fā)展，SF6設(shè)備在不斷的更新、擴(kuò)大，并受到制造商和用戶的推崇，并在實(shí)際中大力推動(dòng)。而針對(duì)SF6的回收、再利用、分解等方面的研究和實(shí)際應(yīng)用卻是鳳毛麟角。由于SF6在電氣設(shè)備上的巨大用量，世界各國(guó)都在積極研究探索降低SF6用量的技術(shù)和方法、以及回收處理SF6的裝置和方法，并不斷取得成績(jī)。國(guó)家電網(wǎng)近年也關(guān)注到了這個(gè)問(wèn)題，并取得了部分成果[24]，但成果甚微，而且很難得到大面積的推廣應(yīng)用，實(shí)在是趕不上其反面作用。在SF6的回收方面，國(guó)家電網(wǎng)公司從承擔(dān)社會(huì)責(zé)任、保護(hù)環(huán)境的要求出發(fā),對(duì)此積極地組織力量，在國(guó)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)主動(dòng)進(jìn)行SF6氣體的回收工作，成效顯著。但是，在SF6回收物的再利用方面，絕大部分回收的廢氣最終都排放到了大氣當(dāng)中，前期的回收工作基本上未起到作用。因此，迫切需要開(kāi)展對(duì)廢氣的回收和再利用，直至最終的收集分解方面進(jìn)行足夠的研究工作。在此，值得注意的是：目前的回收往往還都是針對(duì)報(bào)廢的SF6設(shè)備。而對(duì)于正在運(yùn)行的SF6電力設(shè)備，這些產(chǎn)品都有年漏氣率的控制要求，但是對(duì)于泄露到大氣當(dāng)中的SF6廢氣如何進(jìn)行回收處理，需要引起足夠的重視，尤其是用氣量極大的GIS設(shè)備。其次，就長(zhǎng)期而言，必須要對(duì)SF6的分解方法進(jìn)行有效的研究工作。目前最有效的是在高溫下的催化分解，有信息表明：SF6分子在2000K附近高溫下大部分被分解成S、F元素或低氟化硫，分解反應(yīng)吸收能量；在6000K以上形成離解高峰，產(chǎn)生大量電子、離子，也吸收能量[25]。但是，在目前市場(chǎng)上很難見(jiàn)到對(duì)SF6進(jìn)行分解的裝置，也未見(jiàn)到對(duì)這方面的需求。因此，需要研究有效的SF6分解裝置及新的簡(jiǎn)單有效的分解方法。5.2替代物和替代產(chǎn)品首先，關(guān)于SF6替代物的研究，從20世紀(jì)70年代起，美國(guó)的EPRI（電力研究所）積極開(kāi)展了這方面的工作，西安交通大學(xué)的邱毓昌教授也早在80年代就開(kāi)始類(lèi)似的研究[26]。目前的研究結(jié)果表明：純N2或SF6和N2的組合氣體，是SF6替代物的最佳選擇。SF6替代物方面已經(jīng)有了很多的研究成果，如何將其應(yīng)用在設(shè)備當(dāng)中，以便完全替代或者大幅降低SF6的用量，是當(dāng)務(wù)之急。這個(gè)方面的工作需要國(guó)家政策的支持，同時(shí)需要用戶的認(rèn)識(shí)和積極配合。比較可喜的是，目前充純N2的電氣設(shè)備已經(jīng)在研制當(dāng)中。其次，對(duì)于普通獨(dú)立式的電力設(shè)備，如包括斷路器、互感器、GIT等，如果有可替代物，應(yīng)該首選其他類(lèi)型的替代產(chǎn)品。雖然單臺(tái)設(shè)備的用氣量不大，但是其數(shù)量眾多，影響更是不容小視。因此，在滿足性能要求的前提下，應(yīng)該盡量選擇市場(chǎng)上可以購(gòu)買(mǎi)到的其他類(lèi)型設(shè)備。比如，真空斷路器在中壓領(lǐng)域就應(yīng)用的比較好，而互感器在甚至在高達(dá)220kV的電壓等級(jí)上也有可以替代SF6設(shè)備的成熟的類(lèi)似環(huán)保產(chǎn)品[27]。5.3選用合理的變電站類(lèi)型：變電站的形式有戶外敞開(kāi)式、戶內(nèi)的，GIS，PASS那種類(lèi)似的。目前，GIS是電力工業(yè)中最大的SF6排放根源，無(wú)論那種變電站型式都可以滿足電力系統(tǒng)的要求，實(shí)在沒(méi)有必要現(xiàn)在投資很大建設(shè)了，將來(lái)要更大的投資來(lái)消除環(huán)保影響。應(yīng)該盡量撇棄GIS這種型式，對(duì)這種型式的變電站應(yīng)該在建設(shè)之前做環(huán)保評(píng)估，如果實(shí)在是地方狹小，而且也沒(méi)有其他方案可選，再選擇GIS。如果一定要選擇GIS，則必須對(duì)泄露氣體的回收與再利用做出規(guī)定并進(jìn)行考核。這個(gè)是短期內(nèi)即可見(jiàn)到明顯減排效果的最簡(jiǎn)單、最有效的方法，其原因是電力行業(yè)中絕大部分SF6都是消耗在GIS之內(nèi)，而且泄露的也大多是由于GIS產(chǎn)生的。5.4取消SF6中壓設(shè)備對(duì)于35kV及以下的中壓設(shè)備，完全可以用真空、充N(xiāo)2、或其它類(lèi)型設(shè)備替代SF6設(shè)備，沒(méi)有必要在中壓設(shè)備上浪費(fèi)有限的SF6排放量的資源。6、結(jié)論A、由于SF6電氣技術(shù)設(shè)備的大量使用，不可避免地給人類(lèi)賴以生存環(huán)境帶來(lái)污染和破壞。高壓電器中的SF6用量的增多，對(duì)環(huán)境會(huì)產(chǎn)生的影響越來(lái)越大，在國(guó)際大環(huán)境下，其它使用SF6的行業(yè)在減少SF6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)SF6，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)SF6的回收再利用應(yīng)該保持跟蹤，防止其最終排放到大氣當(dāng)中。C、在短期內(nèi)，最簡(jiǎn)單、最有效的SF6減排方法是：盡量拋棄GIS，甚至H-GIS等的應(yīng)用；盡量減少SF6獨(dú)立設(shè)備的使用；并鼓勵(lì)中壓設(shè)備完全取消SF6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SF6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)。參考文獻(xiàn)：[1]電氣設(shè)備中SF6介質(zhì)的應(yīng)用與發(fā)展，鞠佳，電氣應(yīng)用，2009，28(2)；[2]電氣設(shè)備中SF6氣體的安全管理措施，張如山，山東電機(jī)工程學(xué)會(huì)第五屆供電專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集,2008年[3]京都議定書(shū)，聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約，1997[4]三星電子停用SF6等幾種化學(xué)物質(zhì)——中化新網(wǎng)2009年8月7日[5]全氘甲烷大氣示蹤技術(shù)——邢丕峰,羊衍秋等，原子能科學(xué)技術(shù)，第39卷第1期2005年1月[6]鎂合金熔煉阻燃技術(shù)進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)——張瀧，唐靖林等，鑄造技術(shù)，2005年10月[7]SF_6氣體在高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用，張文兵，羅慶文，電力設(shè)備,2008年第8期[8]六氟化硫(SF_6)電氣設(shè)備防護(hù)新探，郭蕾，靳要軍，電力設(shè)備,2005年04期[9]全球變暖與溫室氣體——李建基，賽爾輸配電產(chǎn)品應(yīng)用開(kāi)關(guān)卷，總第81期[10]高壓電氣設(shè)備SF_6氣體危害及防范措施，丁繁榮，趙學(xué)軍等，電網(wǎng)技術(shù),2007年第S2期[11]貴州省首個(gè)２２０千伏ＧＩＳ變電站落戶金陽(yáng)，中國(guó)貴陽(yáng)政府門(mén)戶網(wǎng)站，2009-03-04[12]氣體絕緣開(kāi)關(guān)裝置（GIS）的近期發(fā)展動(dòng)向——汪沨，邱毓昌，電網(wǎng)技術(shù)，2003年2月[13]GIS變電站在華東電網(wǎng)中的應(yīng)用及其展望，劉林，電氣制造,2006年第08期

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