Page 29 - 《精细化工》2022年第5期

第 5 期 张呈平，等: 电力绝缘用 SF 6 替代物的过去、现在和未来 ·883·

负荷开关、环网柜等领域。 的毒性等，一般要求同时满足无毒、绝缘性能好、
为建立高效、节能、环保的全球能源物联网， 热稳定性好、不燃等指标，保证其满足电力行业的
中国大力发展电力行业并提出构建特高压网络，特 应用要求；（3）建立完备可靠的测试系统平台，对
高压工程现已成为中国创造的一张名片。作为电力 候选物进行环境性能的评测，包括臭氧层消耗潜能
值（ODP）、GWP 值、二次污染评估等，筛选得到
系统中的关键环节，大多数高压电气设备采用 SF 6
作为绝缘介质。对国内 SF 6 主要生产厂家的产能进 环境友好的候选物。通过上述分子设计和综合评价，
行统计，2018 年，国内的 SF 6 年生产能力约为 18000 t。 从而确认理想的 SF 6 替代物。
随着中国经济转型和产业升级的不断推进，六氟化 开发 SF 6 替代物高效、绿色的合成技术，是 SF 6
硫使用量呈现出持续增长的态势。2018 年，国内主 替代物能否实现商业化的关键所在。其核心技术包
要电气设备的 SF 6 使用量已超过 7000 t。 括：（1）引入氟元素的途径，即：氟源是来自于氟
SF 6 是目前发现的温室效应最高的化合物，其电 气、HF、高价金属氟化物，还是含氟砌块，这需要
弧分解产物主要有氟化亚硫酰、硫酰氟、四氟化硫、 进行合成路线的科学设计；（2）过程催化剂的设计
四氟化硫酰、二氧化硫、十氟化二硫、一氧十氟化 与制备：引入氟的过程，往往面临高温、强腐蚀的
二硫等高毒性物质。早在 1995 年，美国国家海洋和 使用环境，大多催化剂由于对使用环境的耐受性差
而快速失活，如何设计和开发出高活性的过程催化
大气管理局（NOAA）报告：全球范围内发现 SF 6
浓度增加。政府间气候变化专门委员会（IPCC）报 剂，是 SF 6 替代物开发的一大挑战。
告，SF 6 的 100 年内全球暖化潜能值（GWP 100 ）为 SF 6 替代物的产业化，面临强放热、高腐蚀、中
23900，大气寿命 3200 年，属于强温室气体。研究 间产物多等工艺难题，只有通过耐腐蚀材料选型、
发现，温室气体的大量排放，加剧了全球气候变暖。 连续独立循环技术、分离纯化等多学科领域的技术
国际社会先后签订了一系列针对 SF 6 的公约或规定， 集成，实现绿色生产工艺，才能推动替代物的应用
比如：1997 年，《京都议定书》将 SF 6 列为 6 种管制 和推广。
温室气体之一；1999 年，美国国家环境保护局（EPA）
建议减少 SF 6 排放；2006 年，欧洲 842 条例规定了 2 SF 6 替代物的发展现状
对 SF 6 进行管制、回收和处置；2015 年的《巴黎协
通常而言，SF 6 替代物的开发要综合考虑绝缘性
定》、2016 年的《基加利修正案》旨在限制 SF 6 、氢
能、环境性能、沸点、毒性、稳定性等诸多因素。
氟烃（HFCs）等高温室气体的排放。
就绝缘性能而言，分子中卤素的存在可以增强其电
因此，开发电力绝缘用的 SF 6 替代物，实现 SF 6
负性，提升分子的电子吸附能力，从而增强分子的
的淘汰，从而建立环保、高效的绿色电网，对于助
[4]
绝缘强度 。此外，分子中双键或者三键也可进一
力解决全球暖化的国际环境难题，实现中国“碳中 [5]
步提升其绝缘性能 。基于此，先后开发出来的 SF 6
和、碳达峰”的国家战略具有重要意义。
替代物包括 SF 6 混合气体、饱和卤代烃、氢氟烯烃
1 SF 6 替代物的开发方法 （HFOs）、全氟酮和全氟腈。
2.1 SF 6 混合气体
SF 6 替代物的开发方法包括替代物的设计与确 SF 6 和氮气按一定比例混合后，其绝缘强度会表
认、合成、产业化等。 现出较强的协同效应，其中 SF 6 和氮气的物质的量
[6]
设计和确认 SF 6 替代物，属于基础研究，具有 比为 7∶13 的混合气体对应的协同效应最强 ，因
前瞻性和战略性。其步骤如下：（1）通过物性预测、 而在实际电力设备中得以应用（见表 1），主要用在
大气寿命预测，设计出系列的 SF 6 替代物的候选物 GIL 和 GCB 领域，其中 GIL 中 SF 6 和氮气的物质的
分子；（2）对候选物进行物性和安全性评价，包括 量比为 1∶4 [7-8] ，而 GCB 中 SF 6 和氮气的物质的量
热特性、燃烧性、绝缘性能、毒性、开端分解产物 比为 1∶3 [9-10] 。

表 1 SF 6 混合气体的组成和性能
Table 1 Composition and performance of SF 6 mixed gas
研究单位 SF 6 混合气体的组成 性能或用途
[6]
贝尔格莱德大学 n(SF 6)∶n(N 2)=7∶13 协同效应最强，在不均匀场下的协同效应较均匀场更显著
[7]
阿尔斯通公司 n(SF 6)∶n(N 2)=1∶4 240 kV GIL 已应用于瑞士机场
[8]
西门子公司 n(SF 6)∶n(N 2)=1∶4 开发了电压等级 550 kV、输送容量 300 MW 的 GIL
韩国晓星公司 n(SF 6)∶n(N 2)=1∶3 170 kV/50 kA 压气式 GCB 实验中，开断能力与纯 SF 6 相当
[9]
日本东京大学 [10] n(SF 6)∶n(N 2)=1∶3 在吹气式 GCB 实验中，其开断能力接近纯 SF 6 的 80%
加拿大马尼托巴水电站 [11] n(SF 6)∶n(CF 4)=1∶1 开发了 115 kV/40 kA 高压 GCB