PFAS及含氟气体管控下环保绝缘气体研究与电力装备应用展望

全球气候变化背景下,SF6的使用将受到更严格的限制。以C_(4)F_(7)N和C_(5)F_(10)O等为代表的低全球变暖潜在值(global warming potential,GWP)、高绝缘强度气体得到了广泛关注,相关高压电气装备已在多个国家推广应用。然而随着2019年《斯德哥尔摩公约》的签署,世界多国逐步出台了针对全氟烷基和多氟烷基物质(polyfluoroalkylsubstances,PFAS)以及含氟气体限制使用的法规和标准,以美国和欧盟为代表的激进PFAS政策也间接导致3M公司计划于2025年底累计停产包括C_(4)F_(7)N、C_(5)F_(10)O在内的58种含氟物质。为此,该文深入剖析PFAS及含氟气体管控背景下环保绝缘气体与装备发展面临的挑战,阐述相关政策对我国气体绝缘装备低碳发展的影响,指出氟碳类环保绝缘气体的全生命周期管控标准的制定及应用监管规范化是目前的重要工作,并对新型绝缘气体分子设计方法、绝缘与放电理论、工程应用技术及产品研发等方面的未来发展进行展望,以期为我国环保电力装备研发及相关政策的制定提供参考。

环保绝缘气体介电强度预测方法评估

为明确各类气体介电强度预测方法的准确性,基于9种气体(N_(2)、CO_(2)、N_(2)O、CF_(4)、SO_(2)F_(2)、c-C_(4)F_(8)、C_(3)F_(8)、C_5F_(10O)和C_(4)F_(7)N)在50 Hz工频交流电场下测得的相对介电强度对5种预测方法进行了评估。结果表明,各方法预测准确性与其给出的可决系数R~2不一致。这主要与其使用的样本数据测试条件不统一、同一气体的相对介电强度不一致有关。当修正上述问题后,各方法准确性得到提升,并与其R~2相符。分子参数的丰富和放电理论的介入可使预测方法准确性提升。使用样本外气体进行验证的方法,其预测结果在修正前后都具有较高的准确性;使用基团贡献法的预测方法也具有上述特性。通过上述评估结果可知,样本中的气体数据需在统一条件下获得,并根据试验条件和样本分子特征确定预测方法的适用范围。放电理论、分子几何特征和新分子参数的引入有助于提高预测模型的准确性。模型验证和基团贡献法可提高预测方法对样本数据的包容性。

环保绝缘气体设备研发与应用进展

SF_(6)在中、高压气体绝缘输配电设备中被广泛使用。然而,SF_(6)作为一种强温室气体,其全球变暖潜能值高达CO_(2)的23500倍且大气寿命长,由于SF_(6)气体作为绝缘气体在电气设备中的大量使用,致使其在大气中的浓度持续增加。为践行“2030年碳达峰,2060年碳中和”的减排目标,推动电网设备选型向绿色环保领域迈进,环保型气体绝缘介质及设备研发成为热点。近年来,全氟化酮、全氟化腈及其混合气体凭借优良的绝缘及环保性能被广泛关注,被认为是极具潜力的SF_(6)替代气体。文中阐述了常见环保型气体绝缘介质的基础特性,分析了其应用于气体绝缘输配电设备的可行性,并介绍了近年来国内外环保绝缘气体设备的研发与应用进展;最后,展望了环保绝缘气体应用面临的问题及未来的发展趋势。

环保绝缘气体C4F7N研究及应用进展Ⅰ:绝缘及电、热分解特性

目前在中、高压气体绝缘输配电设备中大量使用的SF_(6)是一种极强的温室气体。为实现“2030年碳达峰,2060年碳中和”的减排目标,推进输配电装备制造业清洁低碳转型和绿色发展,开发环保型气体绝缘介质及设备以逐步减少SF_(6)的使用已成为研究热点。近年来,全氟异丁腈(C_(4)F_(7)N)及其混合气体凭借优良的绝缘及环保性能被广泛关注,被认为是极具潜力的SF_(6)替代气体。该系列文章综述了近五年来国内外有关环保绝缘气体C_(4)F_(7)N的主要研究成果。本文综述Ⅰ首先介绍了常见环保绝缘气体基础参数;其次对C_(4)F_(7)N混合气体的绝缘和灭弧特性研究进展进行了总结;最后介绍了C_(4)F_(7)N的电、热分解机理及分解特性,并展望了未来针对绝缘性能及电、热分解特性的研究趋势。

环保绝缘气体C_(4)F_(7)N研究及应用进展Ⅱ:相容性、安全性及设备研发

研发新一代环保型气体绝缘设备以推进输配电装备制造业绿色升级,符合构建清洁低碳能源体系的战略需求。该文在环保绝缘气体全氟异丁腈(C_(4)F_(7)N)研究及应用进展Ⅰ的基础上,重点关注与C_(4)F_(7)N应用层面相关特性的研究进展。首先,总结了目前针对C_(4)F_(7)N与金属、非金属材料相容性的研究进展,评估C_(4)F_(7)N气体-固体材料界面稳定性;其次,分析C_(4)F_(7)N及其混合气体生物安全性参数,提出应用安全防护建议;最后,综述目前国内外C4F7N混合气体绝缘输配电设备的研发及应用情况,展望了环保绝缘气体目前存在的主要问题以及未来的发展趋势。

无取向电工钢M21环保绝缘涂料的研制

介绍了马钢无取向电工钢用M21环保绝缘涂层的开发过程及工艺流程。并对其性能进行了检测分析,结果表明,M21环保绝缘涂层是一种半有机涂层,主要由丙烯酸树脂和无机填料组成。具有优异的绝缘性能,层间电阻约800Ω.mm2/片,其综合性能能够满足用户的需要。

环保绝缘气体C_(5)F_(10)O分解及复原性能研究现状及展望

针对SF_(6)绝缘气体介质在电工装备领域实际应用展开论述,介绍SF_(6)在电力工业中的发展历程和重要地位,通过大量文献解读,从多角度分析阐述环保绝缘气体的国内外研究现状,以新型环保气体绝缘介质中具有较大工程应用潜力的C_(5)F_(10)O为例,比较与SF_(6)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重要参数。可以看到,以C_(5)F_(10)O为代表的新型绝缘气体,虽然同时具有优良的绝缘性能和环保特性,但因其自身分子结构的不对称性导致其在灭弧能力和自复原性等方面的性能与SF_(6)气体存在差异,适合于温、热带和低海拔等地理环境下的中低压开关柜及较低电压等级的GIL、GIS和GIT等设备中应用。因此,现阶段C_(5)F_(10)O及其他环保气体还不具备完全替代SF_(6)气体应用于开关电器的能力。最后,分析环保绝缘气体研发过程中面临的工程问题及未来发展方向,对今后的研究重点进行展望。

环保绝缘气体C3F7CN与密封材料三元乙丙橡胶的相容性研究

三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer,EPDM)是SF6气体绝缘设备中常用的密封材料,若使用环保绝缘气体C3F7CN替代SF6而不改变设备密封材料,首先应确认C3F7CN与EPDM的材料相容性以确保气体绝缘设备的长期安全稳定运行。因此,采用热加速方法进行了C3F7CN与EPDM的相容性试验,测试了橡胶试样的力学性能,并通过傅里叶变换红外光谱、扫描电镜与能谱和气相色谱质谱联用分析了固体与气体的成分变化。试验后发现EPDM试样的应力应变性能严重下降,拉断伸长率降至初始50%以下;表面出现多层断面和裂痕,并存在无机添加剂晶体析出,判断因橡胶结构损伤导致了力学性能劣化。同时EPDM表面氟元素含量大幅增加,红外光谱中出现氟碳基团,气体成分中发现了CO2、C3F6、烃类以及氟代烷烃等分解产物。推测橡胶中碱性添加剂能够使C3F7CN分解,是导致密封材料出现相容性问题的原因之一,在设计和制造气体绝缘设备密封材料时需考虑这一因素。

新型环保绝缘气体研发回顾与展望

文中针对目前电力行业SF_(6)替代的迫切问题,重点回顾了环保型SF_(6)替代气体的重要探索历程,以及气体分子设计方法的发展趋势,指出传统方法难以创造出新颖的分子结构以兼顾环保绝缘气体的各项性能要求。针对目前的问题与挑战,文中创新性地提出将材料基因工程这一兼具颠覆性和可行性的前沿技术引入到新型气体的探索研究中,研发出性能更优的单一分子和共沸协同复配体系,形成面向电网应用的新型气体“g4”。

无气味低挥发环保绝缘漆的制备与性能

采用双官能团环氧小分子单体对不饱和树脂进行封端改性,将环氧键引入不饱和树脂中,以邻苯二甲酸二烯丙酯/甲基丙烯酸缩水甘油酯(DAP/GMA)作为活性稀释剂、甲基六氢苯酐作为环氧固化剂制备了无气味低挥发环保绝缘漆。并与通用不饱和聚酯制备的绝缘漆、苯乙烯体系绝缘漆进行对比研究。结果表明:无气味低挥发环保绝缘漆保留了传统苯乙烯体系绝缘漆的优良性能,具有良好的贮存稳定性与尺寸稳定性,显著降低了固化挥发份和高温介质损耗因数。

环保绝缘漆在内燃机车牵引电动机上的应用

为将环保型绝缘漆在内燃机车交流牵引电机上进行工艺应用,对浸渍漆的性能进行了检测,并按电机绝缘结构制作模型线圈,对模型线圈分别按一浸一烘和两浸两烘工艺进行处理。分别对比测试了初始常态介损、180℃介损、高低温冲击后介损、浸水电阻、局部放电以及耐电晕性能。根据测试结果,推荐在实际应用中采用两浸两烘工艺。

环保绝缘漆在三相异步绕组上的应用分析

介绍了环保类绝缘漆在三相异步绕组上的工艺应用。

环保气体绝缘强度预测模型研究现状

为推进新型环保绝缘气体开发工作,对单一气体、混合气体的绝缘强度经验和半经验预测模型进行了分析。对于经验模型,分子微观参数的优选是关键。相互作用性质函数(general interaction properties function,GIPF)和基团贡献法的引入可提高模型准确性。在使用上述参数时需要从气体放电的角度出发,对参数适用性进行判断,并尝试寻找或定义出气体绝缘领域的特殊分子微观参数。此外,所用气体放电数据需要标准化处理,并在统一的测试条件下对各类气体的绝缘强度进行评估,进而减少样本质量对模型误差的影响。在气体放电理论研究尚不完备的前提下,经验、半经验模型仍需要配合使用。而对于混合气体预测模型,其主要难点在于协同效应的量化定义和预测,这可能与分子间相互作用等微观过程有关。而在完备气体放电理论指导下建立的预测模型可具有更高的准确性和通用性,并可进一步提高环保绝缘气体的开发效率。

12 kV/4000 A环保气体绝缘开关设备散热结构设计

由于环保气体绝缘开关设备是完全密封的,其散热工况极差,针对12 kV/4 000 A环保气体绝缘开关设备研发中的热传递与散热问题,开发了一种组装式断路器。对断路器的内部结构设计进行了优化,增大有效的散热面积,同时优化风道与风机布局来进一步扩大散热面积,强化外部热对流交换。试验结果表明,温升值完全控制在标准要求的范围内,开发的12 kV/4 000 A环保气体绝缘开关设备满足温升标准,确保了开关柜运行的可靠性。

替代SF_6的环保型绝缘气体研究进展与趋势

综述了近些年国内外替代SF_6的环保型绝缘气体的研究进展,阐述了单一绝缘气体和混合绝缘气体的研究现状。提出了替代气体理化、环保及电气特性的评价指标和方法,确定了评价指标的优先级。考虑到臭氧消耗效应,明确替代气体分子中应避免出现氯元素和溴元素。展望了SF_6替代气体的研究趋势,提出利用量子化学方法研究SF_6替代气体,需列入长期研究计划;同时,通过调控已有环保绝缘混合气体,以及设计满足环保气体绝缘要求的新结构是短期内解决SF_6替代问题的有效手段。

环保型C5F10O绝缘介质过热分解后的自还原特性

C5F10O因其优异的绝缘性能和极低的全球变暖潜能,在中低压气体绝缘封闭开关设备中具有替代SF6气体的潜力。在设备内部出现局部过热故障的情况下,C5F10O分解后是否能够自我复原是决定其应用前景的重要因素之一,而目前有关C5F10O气体故障分解后的复原情况的研究还较少。聚焦C5F10O气体过热分解后的复原特性,在已有的气体绝缘介质局部过热分解实验系统上初步进行C5F10O的复原实验,实验结果表明在400℃~475℃的温度范围内,C5F10O过热分解后具有一定的自还原能力;利用密度泛函理论中的Hybrid:B3LYP方法对C5F10O和主要分解产物进行了分子结构优化,详细研究了CF3CFCOCF3—、CF3—、(CF3)2CFCO—自由基以及C3F6生成C5F10O分子的反应路径,并分析了温度对复原反应发生概率的影响,与相同条件下的C5F10O主要分解反应进行对比,从分子层面上初步揭示了C5F10O的自还原特性,为C5F10O气体的工业化应用奠定了基础。

冷轧无取向电工钢环保绝缘涂层性能评价试验研究

基于用户加工工艺,通过实验室对比试验,并结合产品实际使用情况,研究了冷轧无取向电工钢环保绝缘涂层的耐蚀性、耐高温性及涂层附着性的评价试验方法及指标。结果表明:1涂层耐蚀性的评价试验方法宜采用"NSST/6h,锈蚀面积小于5%;NSST/12h,锈蚀面积小于20%";2涂层耐高温性适宜的评价试验方法为"将试样叠置于氮气保护气氛下经750℃加热保温2h,涂层无起泡、脱落、掉粉";3对于涂层附着性,较为适宜的评价试验方法为"试样依次经0T弯曲变形、采用3M胶带粘贴弯曲变形部位并撕离和浸入5%CuSO4溶液浸泡5s,涂层均无开裂、剥落或变色"。

环保硅钢绝缘涂层的研究进展

随着人们对环境保护的日益重视,硅钢涂层正逐步朝着无铬的方向发展。介绍了磷酸盐涂层、钼酸盐涂层、稀土元素涂层和新型涂层等环保硅钢绝缘涂层及硅钢硅酸镁底层的特点及研究进展。

无取向电工钢环保绝缘处理液试验研究

针对目前大部分无取向电工钢处理液为含铬处理液、且需在较高温度下固化的情况，在分析成膜物质性质的基础上，试验研究了一种可低温快速固化的电工钢环保绝缘处理液，研究了其涂装工艺，并测定了涂层的附着性、绝缘性、耐热性、耐蚀性等性能。试验结果表明：该处理液可在150～250℃下快速烘干固化，涂层表面光滑且致密均匀，性能优良，可满足中小电机的使用要求。

“碳达峰、碳中和”目标下高压电气设备中强温室绝缘气体SF_(6)控制策略分析

广泛应用在高压电气设备中的绝缘气体六氟化硫(SF_(6))具有极强的温室效应。近些年随着中国输、变、配电网络的高速发展,SF_(6)的使用量和排放量持续增加。通过提取卫星测试数据发现,中国区域内SF_(6)大气含量呈逐年提高的趋势。为实现“碳达峰、碳中和”目标,控制电力行业SF_(6)的使用和排放具有重要意义。该文综合分析SF_(6)的净化回收、降解处理、环保替代3种减排手段的研究现状,并对各类技术的优劣势、互补性和发展前景进行讨论;同时,指出现有SF_(6)减排技术仍处在较为初级的阶段,治理方案亟待提升,建立SF_(6)全寿命周期管理体系是现阶段最为有效的手段。因此,该文对电力行业减排措施研究和策略制定具有理论实施和实际参考价值。