新环保气体C4F7N或将替代六氟化硫气体
来源：瑞德特种气体发布日期 2018-12-18 16:35
现在，GIL绝缘介质大多选用SF6气体，但SF6气体具有强温室效应（全球变暖系数GWP为23800），对环境影响较大，被国际上列为约束运用的温室气体。近年来国内外热点重视SF6替代气体研讨，如选用压缩空气、SF6混合气体，及C4F7N、c-C4F8、CF3I等新环保气体，并研制环保GIL，以改进设备的环保效益。20世纪初，国内的武汉南瑞公司打开了压缩空气GIL技术研讨，未研制产品。Siemens公司和ABB公司研制了SF6/N2混合气体GIL，投入工程运用；国家电网公司研制了SF6/N2混合气体特高压GIL样机，额外电压1100kV。美国GE公司选用C4F7N/CO2构成的g3（green gasfor grid）气体，研制了420kV GIL，2017年在英国投运。可见，环保型GIL技术还处于起步阶段，选用SF6混合气体或完全无SF6的环保气体，高电压等级设备的研制，及环保气体推广运用于电气设备等技术，均需打开深化的探求研讨。
（1）新环保气体C4F7N
C4F7N的GWP为2100，大气寿数（在空气中的存续时间）约为30a，与SF6的GWP为23800及大气寿数3200a比较，具有杰出的环保价值。
C4F7N在常压下的液化温度为?4.7 ℃，大多与CO2、N2或空气等缓冲气体混合运用，以满意设备的运用环境温度。不同体积分数C4F7N的饱满蒸汽压曲线如图1所示，标明的小圆圈表征0.4MPa、0.6MPa下液化温度分别为?20 ℃、?30 ℃对应的C4F7N体积分数。
在相同气压下，C4F7N绝缘强度为SF6的近2倍，C4F7N及其与CO2混合气体的绝缘特性见图2，可看出C4F7N/CO2的绝缘强度随C4F7N体积分数增加线性增加，体积分数为20%时，绝缘强度挨近乃至逾越SF6的值。当C4F7N体积分数为4%~10%，0.67 MPa的C4F7N/CO2绝缘强度为0.55MPa SF6的87%，气压前进至0.82MPa时，绝缘强度可到达SF6的96%，GWP为330~690，降为SF6的5%以下。
依据GE公司报道，C4F7N/CO2混合气体的导热功用不如SF6，420kV GIL分别充SF6和C4F7N/CO2（0.65MPa，4% C4F7N）打开温升实验，电流为3.15kA、4 kA和5 kA时，测量到的温升效果如图3所示，可看出SF6的导热功用显着优于C4F7N/CO2，但后者的最大温升未逾越10K，可在壳体上增加散热片或在导体上开孔，以前进混合气体的散热功用。
（2）C4F7N混合气体GIL
GE公司研制选用C4F7N/CO2的环保型420kV GIL，提出了两种气体装备方案：①选用4%C4F7N+96%CO2方案，需大幅前进气压，对SF6气体绝缘设备规划稍作改动，最低运用温度达?25 ℃；②选用10%C4F7N+90%CO2方案，设备气压变化较小，原有规划可不变，最低运用温度为?5 ℃。GE公司研制出420kV环保GIL，考虑到运用环境要求，选用了第1种气体装备方案，设备气压约为0.9MPa，在英国曼宁顿运用。
在现有C4F7N混合气体环保GIL研讨根底上，国家要点研制方案“环保型管道输电要害技术”拟打开环保气体规划和制备、环保气体放电规则和绝缘特性、支撑绝缘子和整机的样机研制等要害技术研讨，处理各项技术难题，研制出选用C4F7N混合气体绝缘的环保型1000kV GIL样机，并通过实验查核。
现在，该项目已打开了近1 a的要点攻关，取得的首要研讨发展有：
1）提出了依据量子化学的新环保气体分子规划方法，建立了气体规划的构效联系模型，规划出新环保绝缘气体分子SF5CN和SF5CFO。
2）攻克了C4F7N合成技术和制备工艺，打破国外技术独占，完成了C4F7N高纯气体（纯度> 99.9%）的国产化工业制备。
3）建立了C4F7N气体的功用检测系统，实验获得了C4F7N及其混合气体的空地和沿面绝缘特性（空地距离≤10mm）。
4）打开了C4F7N与材料相容性、分化特性和老化规则等根底研讨，拟定了C4F7N充气与回收、环保GIL放电监测等运维技术方案，正在打开样机的要害部件规划和制造。
（1）国内对压缩空气GIL技术进行了探求研讨，建议工作气压取1~1.5MPa，导体外径和外壳内径分别选70mm、190mm，但由于工作气压过高，在电力系统中运用的危险大，未开发产品。
（2）SF6/N2混合气体研讨较多，SF6体积分数大多为10%~50%，设备气压为0.5~0.7MPa；导体外表规划场强控制为17.6~22.6kV/mm，绝缘子沿面规划场强不逾越10kV/mm，外壳内外表场强须小于1 kV/mm；国外研制的SF6/N2混合气体GIL有老练运用经历，工作状况杰出，国内研制了SF6/N2混合气体特高压GIL样机，也通过了带电查核。
（3）C4F7N气体制备问题基本处理，但C4F7N及其混合气体的研讨和运用尚属起步，如运用于GIL的相容性、绝缘康复特性和运维技术等，仍需大量研讨支撑；C4F7N混合气体420 kV GIL已投运，奠定了较好的根底，但工作中仍存在不确定性，研制C4F7N混合气体的特高压环保GIL面临标准效应、气体供给缺乏和标准缺失等多项应战。
（4）环保型GIL技术中，SF6/N2混合气体GIL要害技术和样机研制均较老练，可推广运用于110~1000kV电压等级，在城市管廊及用地严重区域的地下铺设GIL，也可逐渐取代变电站GIS长母线；关于C4F7N混合气体GIL，仍需打开多项要害技术的攻关研讨，学习现有研讨效果，可一起打开110~550kV电压等级的样机研制及运用，便于前进设备的环保效益。
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（1）新环保气体C4F7N
C4F7N的GWP为2100，大气寿数（在空气中的存续时间）约为30a，与SF6的GWP为23800及大气寿数3200a比较，具有杰出的环保价值。
C4F7N在常压下的液化温度为?4.7 ℃，大多与CO2、N2或空气等缓冲气体混合运用，以满意设备的运用环境温度。不同体积分数C4F7N的饱满蒸汽压曲线如图1所示，标明的小圆圈表征0.4MPa、0.6MPa下液化温度分别为?20 ℃、?30 ℃对应的C4F7N体积分数。
在相同气压下，C4F7N绝缘强度为SF6的近2倍，C4F7N及其与CO2混合气体的绝缘特性见图2，可看出C4F7N/CO2的绝缘强度随C4F7N体积分数增加线性增加，体积分数为20%时，绝缘强度挨近乃至逾越SF6的值。当C4F7N体积分数为4%~10%，0.67 MPa的C4F7N/CO2绝缘强度为0.55MPa SF6的87%，气压前进至0.82MPa时，绝缘强度可到达SF6的96%，GWP为330~690，降为SF6的5%以下。
依据GE公司报道，C4F7N/CO2混合气体的导热功用不如SF6，420kV GIL分别充SF6和C4F7N/CO2（0.65MPa，4% C4F7N）打开温升实验，电流为3.15kA、4 kA和5 kA时，测量到的温升效果如图3所示，可看出SF6的导热功用显着优于C4F7N/CO2，但后者的最大温升未逾越10K，可在壳体上增加散热片或在导体上开孔，以前进混合气体的散热功用。
（2）C4F7N混合气体GIL
GE公司研制选用C4F7N/CO2的环保型420kV GIL，提出了两种气体装备方案：①选用4%C4F7N+96%CO2方案，需大幅前进气压，对SF6气体绝缘设备规划稍作改动，最低运用温度达?25 ℃；②选用10%C4F7N+90%CO2方案，设备气压变化较小，原有规划可不变，最低运用温度为?5 ℃。GE公司研制出420kV环保GIL，考虑到运用环境要求，选用了第1种气体装备方案，设备气压约为0.9MPa，在英国曼宁顿运用。
在现有C4F7N混合气体环保GIL研讨根底上，国家要点研制方案“环保型管道输电要害技术”拟打开环保气体规划和制备、环保气体放电规则和绝缘特性、支撑绝缘子和整机的样机研制等要害技术研讨，处理各项技术难题，研制出选用C4F7N混合气体绝缘的环保型1000kV GIL样机，并通过实验查核。
现在，该项目已打开了近1 a的要点攻关，取得的首要研讨发展有：
1）提出了依据量子化学的新环保气体分子规划方法，建立了气体规划的构效联系模型，规划出新环保绝缘气体分子SF5CN和SF5CFO。
2）攻克了C4F7N合成技术和制备工艺，打破国外技术独占，完成了C4F7N高纯气体（纯度> 99.9%）的国产化工业制备。
3）建立了C4F7N气体的功用检测系统，实验获得了C4F7N及其混合气体的空地和沿面绝缘特性（空地距离≤10mm）。
4）打开了C4F7N与材料相容性、分化特性和老化规则等根底研讨，拟定了C4F7N充气与回收、环保GIL放电监测等运维技术方案，正在打开样机的要害部件规划和制造。
（1）国内对压缩空气GIL技术进行了探求研讨，建议工作气压取1~1.5MPa，导体外径和外壳内径分别选70mm、190mm，但由于工作气压过高，在电力系统中运用的危险大，未开发产品。
（2）SF6/N2混合气体研讨较多，SF6体积分数大多为10%~50%，设备气压为0.5~0.7MPa；导体外表规划场强控制为17.6~22.6kV/mm，绝缘子沿面规划场强不逾越10kV/mm，外壳内外表场强须小于1 kV/mm；国外研制的SF6/N2混合气体GIL有老练运用经历，工作状况杰出，国内研制了SF6/N2混合气体特高压GIL样机，也通过了带电查核。
（3）C4F7N气体制备问题基本处理，但C4F7N及其混合气体的研讨和运用尚属起步，如运用于GIL的相容性、绝缘康复特性和运维技术等，仍需大量研讨支撑；C4F7N混合气体420 kV GIL已投运，奠定了较好的根底，但工作中仍存在不确定性，研制C4F7N混合气体的特高压环保GIL面临标准效应、气体供给缺乏和标准缺失等多项应战。
（4）环保型GIL技术中，SF6/N2混合气体GIL要害技术和样机研制均较老练，可推广运用于110~1000kV电压等级，在城市管廊及用地严重区域的地下铺设GIL，也可逐渐取代变电站GIS长母线；关于C4F7N混合气体GIL，仍需打开多项要害技术的攻关研讨，学习现有研讨效果，可一起打开110~550kV电压等级的样机研制及运用，便于前进设备的环保效益。
