SF6气体在电力工业中的应用现状与问题.docx

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SF6气体在电力工业中的应用现状与问题

SF6气体在电力工业中的应用现状及问题

诺德威电力技术开发有限责任公司，，100070

摘要：

近年来，由于温室效应对气候的影响越来越明显，同时如何应对温室效应也在国际上得到了更多的重视。

作为重要的温室效应气体之一的SF6，其主要应用在电气设备、金属熔炼、电子制造业，以及大气示踪之上。

作为SF6的主要消耗产业，为了符合国际上对环保的要求，通过研究和技术改进，电子制造业和大气示踪上都已经基本停止了SF6气体的使用，金属熔炼方面通过混合气体的使用也已经大幅降低了SF6的用量，并且还在不断改进之中。

而作为最大消耗量的电气设备方面，国对SF6的环保关注的声音依然极少，电气设备本身还在不断的拓展充SF6设备的应用。

本文主要针对充SF6电气设备的应用现状进行了分析，并针对目前问题提出SF6电气设备的研究方向和发展趋势，并为短期大量降低SF6用量提出了建议。

关键词：

SF6，电气设备，温室效应，环保，回收

PresentSituationandSolutionsofSF6inElectricalEquipment

LiangFangjian1,WangYu2,WangZhilong2,JiaXiaojing2

1.Shangqiuelectricpowersupplycompanylimited,HeNanprovince,476000

2.BeijingNUODEWEIelectrictechdevelopCO.,LTD.Beijing,CHINA,100070

Abstract：

Inrecentyears,thegreenhouseeffectismoresevere,peoplepaymoreattentiontothegreenhouseeffect.Asagreenhouseeffectgas,theSF6isusedinelectricalequipment,metalmelting,electronicandatmospheretracer,whichismentionedinKyotoProtocol.Formoreresearchworks,theusingofSF6hadstoppedinelectronicandatmospheretracer,andreducedapparentlyinmetalmeltingformixturegas.But,theSF6inelectricalequipmentareincreasedrapidlyinCHINA,andthevoiceonthegreenhouseeffectofSF6isveryrare.ThepresentsituationofSF6inelectricalequipmentisdiscussedhere,theresearchfieldanddevelopingtrendisbringup,andseveralsuggestionsarelistedtodecreasetheSF6quicklyinpowersystem.

Keyword：

SF6,electricalequipment,greenhouseeffect,environmentalprotection,recycle

1、前言

六氟化硫（以下简写：

SF6）以其良好的绝缘性能和灭弧性能，被广泛应用于电器工业，如：

断路器、高压开关、高压变压器、气封闭组合电容器、高压传输线、互感器等。

SF6还因其化学惰性、无毒、不燃及无腐蚀性，还被广泛应用于金属冶炼、大气示踪，电子制造等行业。

SF6自20世纪初（1900年）在实验室（法国巴黎大学）初次合成后，研究发现其具有良好的电气性能，逐步开始工业生产。

历经试验研究和在小型电气设备上的应用，20世纪60年代后，开始应用于大容量电气设备，继而出现了全封闭组合电器。

我国对SF6电气设备的认识始于20世纪60年代，70年代初第一台国产设备投运，第一组气体绝缘变电站（简称：

GIS）引进，此后不同电压等级设备相继得到鉴定和使用，到改革开放的80年代，大量的SF6电气设备引进和研制成功，不断地促进了SF6电气设备在我国的迅速发展。

至目前，高压断路器几乎全部使SF6替代绝缘油和空气介质；GIS在许多省网已经投运，SF6变压器也在一些城网改造中得以引进；其他如互感器、套管等也得到大量更换与应用，甚至电容器、避雷器和管道母线等设备亦在应用[1]。

SF6是在化学上极其稳定的一种气体，它在大气中的寿命约为3200年。

特别是SF6具有很强的吸收红外辐射的能力，也就说，SF6是一种有很强温室效应的气体，如以100年为基线，其潜在的温室效应作用为CO2的2.39万倍。

而且，目前排放到大气中的SF6气体，正以8.7%的速率在增长[2]。

考虑到SF6对温室效应发展的贡献，1997年的京都议定书将其列入六种主要的温室效应气体之一[3]。

因此，在其他大量使用SF6的行业，通过大量的研究工作，已经停止使用SF6，或者大幅降低了SF6的用量。

比如：

国三星电子集团公司已经投资42亿美元用于这部分工作[4]；在大气示踪技术方面，SF6已经基本被替换停用[5]；而在金属冶炼方面，由于混合气体的逐步应用，SF6用量已经大大降低，同时，还在开发新的替代物质以便完全替代SF6[6]。

2、SF6的电气特性和问题

2.1优异的电气性能

SF6是在高温下硫和氟反应制得（即：

S+3F2→SF6），SF6在常温常压下为无色无臭无毒的气体。

不燃烧导热系数比空气小，为优良的冷却介质。

其独特稳定的正八面体分子结构，使其化学性能也极不活泼，在电气设备运行正常围，与铜、钢和铝等电气材料不起化学反应。

没有腐蚀性，药物学性质不活泼，没有毒。

微溶于水[7]。

SF6在电力工业中的主要优点如下[8]：

A、电绝缘性能和消弧性能好，绝缘性能为空气的2～3倍，而且气体压力越大，绝缘性能越增高。

在294．2kPa压力下，SF6的绝缘强度与变压器油大致相当。

B、SF6具有优越的灭弧特性。

由于其电负性的作用，灭弧能力约为空气的100倍，特别适用于高电压大电流的开断。

C、由于SF6气体良好的绝缘性能，使设备绝缘距离大为缩小，占地面积与空间体积大大缩小。

正是由于这些优异的电气性能的存在，SF6才在电力工业中得到了越来越多的应用。

并且，近年来，还在不断向中低压扩展。

2.2关于SF6的环保问题

1997年的《京都议定书》已经明确：

SF6是目前发现的六种温室气体之一。

减少温室气体排放、减缓气候变化是《联合国气候变化公约》和《京都议定书》的主要目标，而我国在减少温室气体排放方面所面临的国际压力越来越大。

温室效应是指大气中的二氧化碳等气体能透过太阳短波辐射，使地球表面升温。

同时阻挡地球表面向宇宙空间发射长波辐射，从而使大气增温。

由于二氧化碳等气体的这一作用与“温室”的作用类似，故称之为“温室效应”，二氧化碳等气体被称为“温室气体”。

其中CO2对温室效应影响最大，占60%，而SF6气体的影响仅占0.1%，但SF6气体分子对温室效应具有潜在的危害，这是因为SF6气体一个分子对温室效应的影响为CO2分子的25000倍，同时，排放在大气中的SF6气体寿命特长，约3400年。

现今，每年排放到大气中的CO2气体约210亿吨。

现在全球每年生产的SF6气体中，至少有一半以上用于电力工业，还在不断的增长当中，而且增速惊人[9]。

这儿最值得关注的是其特别长的寿命和达到CO2的25000倍对温室效应的贡献能力！

当然，也有人提到SF6在应用过程中会产生少量的毒性物质等问题，但这些问题在严酷的温室效应面前就显得微不足道了。

2.3国对SF6的环境保护意识淡薄

出于对利润的渴望，电力设备的生产商竭尽所能的研发和推广各种使用SF6的产品。

而各地电力公司也往往推波助澜，很多时候在不必要的情况也尽量选取GIS等类似的SF6设备，尤其是经济效益很好的一些省市，更是变本加利，指导方针变成了：

只要有可能，就用这种设备。

完全置环境保护于不顾。

在所有SF6电力设备中，GIS是SF6气体用量最大，也是最难对泄露气体回收的，但由于其占地面积非常小，部分地区不顾具体情况，一味的采用GIS，更有部分地区，甚至以采用这种设备为荣。

目前，尚有相当一部分人缺乏环境保护知识，对SF6气体的理化性能了解不够，对其给环境所造成的危害认识不深，环境保护意识淡薄。

在生产、使用SF6气体的环节中由于使用、管理不当所造成的泄露及人为的排放相当严重[10]。

甚至有很多人认为：

SF6在大气中的存在量甚微，SF6目前对温室效应的贡献极小。

因此，很多企业在开发拓展SF6电力设备上乐此不疲，甚至在上市报表把SF6设备作为支柱产业的发展方向。

3、应用SF6的电力设备的现状

3.1GIS

GIS（gasinsulatedsubstation）是气体绝缘全封闭组合电器的英文简称。

GIS由断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线、连接件和出线终端等组成，这些设备或部件全部封闭在金属接地的外壳中，在其部充有一定压力的SF6绝缘气体，故也称SF6全封闭组合电器。

GIS设备自20世纪60年代实用化以来，已广泛运行于世界各地。

GIS不仅在高压、超高压领域被广泛应用，而且在特高压领域也被使用。

与常规敞开式变电站相比，GIS的优点在于结构紧凑、占地面积小、可靠性高、配置灵活、安装方便、安全性强、环境适应能力强，维护工作量很小[12]。

但依然存在部故障隐患的检测比较困难等问题，尤其是局放信号的检测。

单单在华东地区，截至2006年，其110kV和220kV的GIS间隔就达到了1812个，还不包括电厂、大型企业使用的，也没有包含500kV和35kV的GIS[13]。

图1是直接摘取的华东电网的GIS增长情况[13]，由图中可以看出，其GIS间隔自2002年起开始大幅增加，2002年至2004年增加了420个，2006年达到了1812个间隔，可见：

2004年至2006年就增加了1400余个间隔，其增长率趋势是惊人的。

GIS的电压覆盖围甚至可以达到500kV、750kV等级。

但GIS中SF6气体的用量也是惊人的，其一个气室的用气量就会达到数百公斤。

对有些大型变电站，尤其是较大电厂，其年漏气量甚至会达到数百公斤，甚至上吨[14]。

由此推算，其漏气总量是惊人的，而且，GIS的使用还在不断的扩大之中。

图1：

华东电网截至2004年的GIS间隔统计

目前，GIS装置在大中城市、电厂等都已经普遍使用，而对SF6的年漏气总量还未见到有关监测数据，

3.2断路器

由于SF6气体具有优良的绝缘性能和灭弧性能，因而SF6气体绝缘断路器具有尺寸小、重量轻、开断容量大、维护工作量小等优点。

目前SF6断路器最高工作电压已达765kV，开断电流已达80kA，额定电流已达12kA[15]。

目前，35kV的中压断路器基本上是真空断路器和SF6断路器平分市场，其中SF6的在2004年就已经达到8600多台。

而110kV及以上的中压和高压、超高压断路器，空气、少油断路器都已基本被SF6断路器所替代。

2005年1～9月份的统计资料显示，252千伏SF6断路器累计产量866台，比上年同期增长18.5%；363千伏SF6断路器87台，同比增长102.3%；550千伏SF6断路器93台，同比增长43.1%[16]。

另外，插接式断路器系统PASS（Plug&SwitchSystem），是国外最近几年推出的一种新型智能化高压断路器，既能满足变电所在占地、环境和适应性方面的苛刻要求，对变电所的扩建及改造又有较高的灵活性，同时也能减少变电所的投资、满足节能降耗和环保的要求。

类似的产品还有AIS，PASSMO，COMPASS等，是把一相断路器加隔离开关和接地开关作为一个模块放在SF6密闭仓中，每一直有独立的外壳，在制造厂就已进行了成套设备的组装和调试工作，现场安装调试较简便，其可靠性和灵活性就比较高，同时对PASS来说如果哪一相有问题就更换那一相，缩小了停电围和检修时间；而且模块化的生产工艺使之具有更强的抗震性和运行的安全性。

这些产品近年来使用的也比较多，比如：

、等省。

3.3互感器

截止2005年底，国家电网公司SF6气体电流互感器为11473台，较2004年增加138%。

其中以220kV和110kV电压等级的居多，其次是500kV电压等级，最后是330kV电压等级和66kV电压等级。

占SF6气体电流互感器总数的百分比分别为45.1%、36.6%、15.4%、2.7%和0.18%[17]。

从统计结果可以看出：

2005年SF6气体电流互感器的增长比例远远超过油浸式电流互感器。

并且随着电压等级的上升,SF6气体电流互感器所占相应电压等级总台数的比例也随之上升。

500kV电压等级的比例最高,为39.13%;以下依次为330、220、110kV和66kV,分别为27.8%、12.46%、5.05%和0.13%[17]。

但从近年的统计数据来看,SF6气体电流互感器的事故和障碍有增加的趋势。

500kVSF6气体绝缘的电流互感器的事故率相对较高[17]。

而对于电压互感器，目前仍然是以油浸式和电容式电压互感器为主，SF6电压互感器已经出现，但是市场份额还很小。

3.4其他设备

由于SF6气体具有优越的绝缘性能、灭弧性能和散热性能，也开始向中压设备发展。

SF6开关柜也在逐步提升市场份额。

近年来，各种配电用的开关柜、环网柜等充SF6的产品不断涌现[18]。

中压的各种SF6充气柜一旦在市场上扩散，其用量及回收简直是不敢想象。

更可怕的是，很多该类型产品堂而皇之的以高新技术产品的名义出现。

气体绝缘变压器（GIT）和气体绝缘电缆（GIC）也都在研究当中，其中GIT在国也已经有数十台在、等地运行[19]。

4、分解与回收

4.1分解

SF6作为一种非二氧化碳的温室效应气体，在大气中的化学性质稳定，它们的寿命相当长，目前,其清除机制所能够确定的是缓慢光解和沉降[20]。

由于SF6是一种人工合成的极其稳定的气体，其参与自然循环过程的机理还有待进一步研究和确定。

而且对环境的长期影响还有待进一步观察和研究。

目前所发现：

SF6的分解主要有三种情况：

在电弧作用下的分解，在电晕、火花和局部放电下的分解，在高温下的催化分解。

这几种分解方式，可靠的仅仅是在高温下的催化分解，前两者不能确保彻底分解。

对于回收且不能重复利用的SF6，可以灵活选择安全可靠的分解方式，但对于泄露到大气中的SF6，目前尚无法进行搜集分解。

4.2回收与重复利用

国在SF6气体回收这方面做的工作也不少了，但实际的回收装置利用率很低，甚至有些企业就根本没有配置。

而SF6气体的回收处理更差，废气几乎都是一放了之或经过简单的过滤吸附而排放到大气中。

目前国还没有可对SF6气体进行再生处理的回收装置。

这些装置均是对电器设备进行抽真空，将设备的SF6气体回收至气腔压力为负133Pa，同时将废气压缩到储气罐中，储气罐的容量最大为500kg。

而这些回收的“废气”一般用于电器设备中零部件检漏，很少有送回生产厂家对其进行再生处理的[21]。

单单南网，2007年泄露到大气中的SF6就甚至达到了6300kg，该统计还不包含钢铁、能源等大型企业中的排放。

这个还仅仅是当年泄露的，即使按照年漏气率0.5%计算，仅在南网，SF6实际使用的量也已经达到了1260吨。

而且，南网仅仅管辖、、、、、六个地区，其发电装机容量才0.19亿千瓦[22]，2008年全国就已经达到了7.925亿千瓦[23]，南网仅占据其中的2.4%。

由此推算，全国的SF6使用量可能已经达到5.26万吨，每年的排放量可能超过262.8吨，相当于CO2的628.1万吨，按照目前的人均CO2排放1.3吨核算，目前已经达到了483万人的CO2排放量，更何况还在年年高速增长之中，而且实际使用的迟早也是要排放到大气之中的，触目惊心！

5、应对措施及研究方向

5.1回收、再利用和分解

国，在生产厂商、、电力公司却呈现了一种畸形的发展，SF6设备在不断的更新、扩大，并受到制造商和用户的推崇，并在实际力推动。

而针对SF6的回收、再利用、分解等方面的研究和实际应用却是凤毛麟角。

由于SF6在电气设备上的巨大用量，世界各国都在积极研究探索降低SF6用量的技术和方法、以及回收处理SF6的装置和方法，并不断取得成绩。

国家电网近年也关注到了这个问题，并取得了部分成果[24]，但成果甚微，而且很难得到大面积的推广应用，实在是赶不上其反面作用。

在SF6的回收方面，国家电网公司从承担社会责任、保护环境的要求出发,对此积极地组织力量，在国网系统主动进行SF6气体的回收工作，成效显著。

但是，在SF6回收物的再利用方面，绝大部分回收的废气最终都排放到了大气当中，前期的回收工作基本上未起到作用。

因此，迫切需要开展对废气的回收和再利用，直至最终的收集分解方面进行足够的研究工作。

在此，值得注意的是：

目前的回收往往还都是针对报废的SF6设备。

而对于正在运行的SF6电力设备，这些产品都有年漏气率的控制要求，但是对于泄露到大气当中的SF6废气如何进行回收处理，需要引起足够的重视，尤其是用气量极大的GIS设备。

其次，就长期而言，必须要对SF6的分解方法进行有效的研究工作。

目前最有效的是在高温下的催化分解，有信息表明：

SF6分子在2000K附近高温下大部分被分解成S、F元素或低氟化硫，分解反应吸收能量；在6000K以上形成离解高峰，产生大量电子、离子，也吸收能量[25]。

但是，在目前市场上很难见到对SF6进行分解的装置，也未见到对这方面的需求。

因此，需要研究有效的SF6分解装置及新的简单有效的分解方法。

5.2替代物和替代产品

首先，关于SF6替代物的研究，从20世纪70年代起，美国的EPRI（电力研究所）积极开展了这方面的工作，交通大学的邱毓昌教授也早在80年代就开始类似的研究[26]。

目前的研究结果表明：

纯N2或SF6和N2的组合气体，是SF6替代物的最佳选择。

SF6替代物方面已经有了很多的研究成果，如何将其应用在设备当中，以便完全替代或者大幅降低SF6的用量，是当务之急。

这个方面的工作需要国家政策的支持，同时需要用户的认识和积极配合。

比较可喜的是，目前充纯N2的电气设备已经在研制当中。

其次，对于普通独立式的电力设备，如包括断路器、互感器、GIT等，如果有可替代物，应该首选其他类型的替代产品。

虽然单台设备的用气量不大，但是其数量众多，影响更是不容小视。

因此，在满足性能要求的前提下，应该尽量选择市场上可以购买到的其他类型设备。

比如，真空断路器在中压领域就应用的比较好，而互感器在甚至在高达220kV的电压等级上也有可以替代SF6设备的成熟的类似环保产品[27]。

5.3选用合理的变电站类型：

变电站的形式有户外敞开式、户的，GIS，PASS那种类似的。

目前，GIS是电力工业中最大的SF6排放根源，无论那种变电站型式都可以满足电力系统的要求，实在没有必要现在投资很大建设了，将来要更大的投资来消除环保影响。

应该尽量撇弃GIS这种型式，对这种型式的变电站应该在建设之前做环保评估，如果实在是地方狭小，而且也没有其他方案可选，再选择GIS。

如果一定要选择GIS，则必须对泄露气体的回收与再利用做出规定并进行考核。

这个是短期即可见到明显减排效果的最简单、最有效的方法，其原因是电力行业中绝大部分SF6都是消耗在GIS之，而且泄露的也大多是由于GIS产生的。

5.4取消SF6中压设备

对于35kV及以下的中压设备，完全可以用真空、充N2、或其它类型设备替代SF6设备，没有必要在中压设备上浪费有限的SF6排放量的资源。

6、结论

A、由于SF6电气技术设备的大量使用，不可避免地给人类赖以生存环境带来污染和破坏。

高压电器中的SF6用量的增多，对环境会产生的影响越来越大，在国际大环境下，其它使用SF6的行业在减少SF6排放方面做出卓有成效的工作，而国的电力行业却在逆势而上。

B、对SF6，应该在分解方法及装置、替代物的成果应用上多做研究工作，而对SF6的回收再利用应该保持跟踪，防止其最终排放到大气当中。

C、在短期，最简单、最有效的SF6减排方法是：

尽量抛弃GIS，甚至H-GIS等的应用；尽量减少SF6独立设备的使用；并鼓励中压设备完全取消SF6的使用。

到2020年我国单位国生产总值二氧化碳排放比2005年要下降40％~45％[28]，在国际大趋势下，我国电力工业中的SF6排放量也应该紧跟形势，积极为实现国家目标而努力。

根据目前情况，电力工业中采取一些简单的措施，就可以做出比较可观的贡献。

参考文献：

[1]电气设备中SF6介质的应用与发展，鞠佳，电气应用，2009，28

（2）；

[2]电气设备中SF6气体的安全管理措施，如山，电机工程学会第五届供电专业学术交流会论文集,2008年

[3]京都议定书，联合国气候变化框架公约，1997

[4]三星电子停用SF6等几种化学物质——中化新网2009年8月7日

[5]全氘甲烷大气示踪技术——邢丕峰,羊衍秋等，原子能科学技术，第39卷第1期　2005年1月

[6]镁合金熔炼阻燃技术进展及发展趋势——泷，唐靖林等，铸造技术，2005年10月

[7]SF_6气体在高压开关设备中的应用，文兵，罗庆文，电力设备,2008年第8期

[8]六氟化硫（SF_6）电气设备防护新探，郭蕾，靳要军，电力设备,2005年04期

[9]全球变暖与温室气体——建基，赛尔输配电产品应用开关卷，总第81期

[10]高压电气设备SF_6气体危害及防措施，丁繁荣，学军等，电网技术,2007年第S2期

[11]省首个２２０千伏ＧＩＳ变电站落户，中国政府门户，2009-03-04

[12]气体绝缘开关装置（GIS）的近期发展动向——汪沨，邱毓昌，电网技术，2003年2月

[13]GIS变电站在华东电网中的应用及其展望，林，电气制造,2006年第08期  

[14]GIS设备SF6漏气处理，华荣生，水力发电厂，2008年8月

[15]GIS智能化及PASS技术，文生，跃年，电力建设,2000年第09期  

[16]全国电力系统高压开关设备十年运行状况述评——袁大陆中国电力科学研究院，100085；

[17]SF6气体电流互感器运行情况分析及技术发展现状——邹建明，电力设备，2007年1月第8卷第1期；

[18]SF_6充气柜生产的必备条件及主要难题，芮祖存，电气制造,2008年第08期 

[19]SF6气体绝缘变压器未来在我国的发展前景——克宁交通大学教授；

[20]六氟化硫回收气体再利用的讨论,付汉江，全国电力用油技术学术研讨会,2005

[21]SF6回收处理及再利用，心利，省电科院讲义，2008

[22]省电力公司简介，省电力公司企业门户，

[23]电力监管年度报告（2008），国家电力监管委员会，2009年4月22日

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[25]GIS设备的发展和应用研究，飞，硕士论文，大学，2007

[26]电负性混合气体绝缘取代SF_6的可能性，邱毓昌，高压电器，1983年第03期

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