环保绝缘气体应用前景及发展趋势

电气小青年 2022-08-14 21:20


环保绝缘气体C5F10O分解及复原性能研究现状及展望


唐炬, 唐博文, 李祎, 肖淞, 代靓君, 傅明利, 姚强, 卓然

(武汉大学)

DOI: 10.13334/j.0258-8013.pcsee.220310



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研究背景

SF6凭借其优良的绝缘性能和良好的灭弧特性以及热耗散能力,作为气体绝缘介质已在高压、超高压及特高压输变电装备领域中得到了广泛应用。然而,SF6极强的温室效应和大气寿命对气候环境带来的影响不容忽视。为构建清洁低碳的能源体系,推进输配电装备制造业“碳达峰、碳中和”目标实现,寻找对环境友好、绝缘与灭弧性能优良和稳定的环保绝缘气体迫在眉睫。

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论文所解决的问题及意义 

针对SF6绝缘气体介质在电工装备领域实际应用展开论述,介绍了SF6在电力工业中的发展历程和重要地位,通过大量文献解读,从多角度分析阐述了环保绝缘气体的国内外研究现状;重点比较了C5F10O与SF6的主要分解及复原反应的解离能、吉布斯自由能、反应速率常数和平衡常数等参数,并结合相关试验测试结果,明确了C5F10O性能评估中发现的主要问题;最后,展望了环保绝缘气体未来研究及工程应用的重点研究方向及发展趋势。


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论文重点内容



1)环保绝缘气体C5F10O分解特性

采用量子化学计算发现,相同温度下,SF6C5F10O更易形成次级分解产物,当温度为1000 K时,多数SF6分解反应的速率常数要高于C5F10O,表明SF6的分解相较于C5F10O更为迅速,而当反应体系达到平衡时,C5F10O的分解程度要高于SF6


2)环保绝缘气体C5F10O复原特性


由于C5F10O的分子结构较SF6更为复杂且缺乏对称性,其分解生成的产物粒子种类较多,粒子间反应路径更为复杂;动力学计算发现C5F10O的自复原数量和速率远不如SF6,相关试验也证实C5F10O混合气体高能放电会产生固体析出物,因此C5F10O的灭弧性能较差。


表1 C5F10O与SF6主要复原反应的热力学参数(T=300 K)



3)环保绝缘气体综合性能比较分析


对比SF6和几种主要环保绝缘气体的综合性能,可以看到SF6除了有极强的温室效应这一缺点外,在灭弧、复原、液化温度、生物安全、材料相容等综合参数性能方面都是电工绝缘材料所希望的。因此,要科学地评价各种绝缘气体特性与参数的优劣,不能简单地推崇某种新型绝缘气体,更不能因SF6气体有极强的温室效应而忽略在分子(绝缘)稳定性和灭弧能力方面的优良特性。


表2 主要环保绝缘气体与SF6气体性能参数对比




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主要结论 



1)对目前展现的各种环保绝缘气体还要进一步全面掌握其绝缘、灭弧、稳定及分解机理和特性,重点厘清放电或过热等条件下各类分解产物种类、生成条件和变化规律,特别关注腐蚀性和强毒性分解产物,结合气体的综合性能,科学给出各类环保绝缘气体的工程适用范围和条件,同时可继续寻找绝缘性能优良、具有较强灭弧能力、安全稳定且环保的新型人工合成绝缘气体或混合绝缘气体。


2)在使用SF6绝缘气体过程中,迫切需要建立健全对SF6全周期的追踪监管和严格禁止随意排放以及泄漏监测,以避免SF6偷排、漏排对气候环境带来的损害。同时,要加强SF6的回收、净化再利用和无害化处理,提升SF6的重复使用率和使用寿命,减少运维检修中对SF6新气体的依赖。


3)由于各种环保绝缘气体在故障条件下会分解生成多种稳定组分,部分绝缘性能差甚至具有腐蚀性和毒物性,必须加以有效的实时消除才能确保设备使用安全。因此,针对不同环保绝缘气体,需要研究具有选择性的有害产物祛除、固体析出抑制等技术,以服务新一代环保绝缘气体设备推广应用。





引文信息


唐炬,唐博文,李祎, 等. 环保绝缘气体 C5F10O 分解及复原性能研究现状及展望[J] 中国电机工程学报, 2022, 42(3): 1210-1222.

TANG Ju, TANG Bowen, LI Yi, et al. Research and Consideration on the Decomposition and Recovery Performance of Eco-friendly Gas Insulating Medium C5F10O [J]. Proceedings of the CSEE, 2022, 42(3):1210-1222. (in Chinese)



作者简介



武汉大学高电压绝缘监测团队由国家973首席科学家唐炬教授领衔,长期致力于电气设备绝缘在线监测、故障诊断、状态评价和智能传感等方向研究。近年来,团队承担了包括国家973计划、重点研发计划和国家自然科学基金重点项目在内的20余项国家级科研课题;获得国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖1项、省级政府科技成果一等奖4项,其他省部级成果奖12项,发表学术论文600余篇(其中SCI检索200余篇),出版中英文学术专著11部。

 

唐炬,武汉大学二级教授,博士生导师。国家973首席科学家,全国百篇优秀博士学位论文获得者,教育部首届优秀骨干教师,湖北省自然科学基金创新群体带头人,全国优秀科技工作者,并获电力科学技术突出贡献奖,享受国务院政府特殊津贴专家。长期从事电力设备绝缘状态监测与故障诊断方面的教学与科研工作。

 

唐博文,湖北工业大学讲师,硕士生导师,武汉大学与美国劳伦斯伯克利国家实验室联合培养博士。主要从事电力技术经济学、电气设备状态综合评估的研究工作。主持/参与国家级/省级/企业合作项目8项;发表SCI,SSCI,EI&CSSCI论文17篇,学术专著1部,发明专利4项。获重庆市科技进步一等奖1项、中国电力科学技术进步二等奖1项。

 

肖淞,武汉大学副教授,中法双博士,主持国家级、省部级科研项目5项,发表了SCI检索论文58篇,曾获重庆市科技进步一等奖、贵州省科技进步二等奖和中国产学研合作创新成果二等奖等。入选中国科协“青年人才托举工程”和湖北省“楚天学者计划”,获全国“向上向善好青年”荣誉称号。

 

李祎,武汉大学副研究员,入选第六批博士后创新人才支持计划。主要从事输配电装备状态监测与智能感知领域研究,在Sci. Adv., Nano Energy, Chem. Eng. J., J. Hazard. Mater., TDEI, High Volt., 等期刊发表SCI检索论文20余篇,入选ESI高被引论文5篇,封面论文1篇;获中国电工技术学会首届优秀博士论文提名奖,High Voltage优秀论文等。

 

代靓君,硕士研究生,主要从事环保绝缘气体分解特性、材料相容性等方面研究。


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