攻克环保电力设备难题,助力电网绿色低碳发展

  2019年9月,由新葡萄京官网8814-新萄京ag65609com-新澳门葡萄京8814cc电力科学研究院自主研发,采用绿色含氟气体作为绝缘介质的环保型10kV柱上负荷开关、10kV环网柜在昭通威信供电局成功实现挂网运行。设备投运以来,经受住2020年春节期间低温、冰冻、雷暴等恶劣天气考验,充分验证了新型环保气体绝缘电力设备在高海拔环境下的优异性能。这标志着新型环保气体绝缘电力设备首次在国内电网得到工程应用,实现“从无到有,从有到用”的重大突破。

  背景:六氟化硫温室效应严重

  传统高压电力设备通常采用六氟化硫(SF6)气体作为绝缘和灭弧介质。据统计,全球每年生产的SF6气体约有80%被应用于电力设备中。然而,随之带来的SF6气体泄漏问题也日益加剧。根据全球大气实验计划(AGAGE)对温室气体含量的监测显示,从1973年到2018年的45年间,大气中SF6的含量增加了一个数量级。目前,全球每年排放的SF6气体总量相当于2.2亿吨二氧化碳(CO2),并且还在以每年10%的速度继续增长。

  清洁低碳已成为全球能源转型发展的必然趋势。SF6作为目前已知最强的温室气体之一,其以100年为基准的全球变暖潜力值(GWP)值约为CO2的23500倍,并且由于SF6的化学性质极为稳定,在大气中的存在时间可长达3200年之久,一旦泄漏基本不会自然分解,对全球气候变暖的影响具有累积效应。正因如此,在1997年《联合国气候变化框架公约》第3次缔约方会议上,84个国家签署联合签署《京都议定书》,明确将SF6列为6种限制排放的温室气体(CO2、CH4、N2O,PFC,HFCs,SF6)之一。新葡萄京官网8814国作为《京都议定书》的主要缔约国之一,正在积极地推进和执行温室气体减排任务。

  2017年,中国政府在《巴黎协定》中承诺,到2030年单位国内生产总值CO2排放比2005年下降60%到65%。由于SF6对温室效应的潜在影响较大,因此严格限制SF6气体排放、减少SF6气体使用对于新葡萄京官网8814国达成减排目标意义重大,影响深远。正因如此,探索可等效替代SF6的新型环保绝缘气体成为电气工程领域重要的研究方向和迫切需要解决的热点问题。

  现状:尚未有理想的替代方案

  历史研究表明,目前尚未发现某单一气体在物理、化学以及电气性能上与SF6相当。一些潜力替代方案,如常规气体(干燥空气、氮气等)因电气性能有限,在高压设备中作为绝缘和灭弧介质难度较大。SF6混合气体方案能部分减少SF6使用量,延长SF6的使用周期,但并非最为理想的替代方案。

  近年来,SF6替代气体的研究取得了一些积极进展。ASTOM公司(现GE公司)从3M公司制冷剂目录中筛选出了C4F7N气体,并将其与CO2混合后应用于72kV以上电压等级的断路器中。ABB公司也提出使用以C5F10O为电负性成分的混合气体作为SF6替代物,并开发出AirPlusTM系列170kV GIS、40.5kV开关柜等。目前,国外采用绿色含氟绝缘气体的高压设备已实现工程应用,取得了良好的社会经济效益。由于绿色含氟气体的长期依赖进口,国内相关领域研究起步较晚,目前主要处于基础性能研究和样机试制阶段,亟须开展面向工程的示范应用,对于提升国际形象和话语权,提升新葡萄京官网8814国环保产品竞争力具有重要的意义。

  行动:新型环保气体绝缘关键技术研究

  云南电科院坚持创新驱动发展战略,主动承担社会责任,积极构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系,助力云南打好“绿色能源牌”。

  在新葡萄京官网8814科技项目、国家自然科学基金、云南省重大科技专项支持下,云南电科院高原环保电力设备项目团队联合上海交通大学、西北工业大学、西安交通大学、浙江省化工研究院、北京宇极、西开电气、上海思源、浙江常有等国内优势单位进行联合攻关,深入开展C4F7N、C5F10O等新型环保气体物性及放电基础理论、多条件约束下的混合气体组配原则、气体合成与制备等共性关键技术研究。确定了环保混合气体适用于不同海拔、环境温度下电力设备的配比和压力优选方案,提出了基于新型环保气体特性的电力设备绝缘结构优化设计方法,突破了中压电力设备在高海拔地区的“零表压”运行技术,研制出多品类环保电力设备。

  2018年4月,项目团队在国内率先研制成功采用C4F7N混合气体作为绝缘介质的10kV柱上负荷开关,并在西安高压电器研究院通过绝缘型式试验。

  2019年4月以来,项目团队又先后在西安高压电器研究院、国家电器产品质量监督检验中心通过了10kV柱上断路器、10kV气体绝缘环网柜、35kV气体绝缘开关柜、110kV GIS母线及隔离/接地开关、220kVGIS母线的绝缘、温升型式试验或性能试验。

  效果:设备工程应用,技术国际领先

  目前,项目团队已攻克新型环保气体应用于220kV及以下电压等级设备中的绝缘关键技术,开发出多品类环保型电力设备,在“气体基础性能—制备关键技术—环保设备开发—工程示范应用”等方面均取得了重大突破。

  此次在昭通威信供电局率先实现工程应用的10kV环保型柱上负荷开关和10kV环保型环网柜,采用C4F7N和干燥空气混合气体作为绝缘介质,GWP仅为SF6的2%。相比于原SF6气体设备,该环保型设备在同等用量的情况下可减少98%的温室气体排放量。通过优化组配方案,设备中使用的环保气体绝缘强度高于SF6,不仅提高了设备的可靠性,还可以保证在高海拔环境下实现“零表压”运行,能有效解决常规气体(干燥空气、氮气等)绝缘设备在平原地区充气后到高原地区后出现的气箱鼓包、气体泄漏等问题。试点单位威信供电局位于云、贵、川三省结合部,常年受低温、大风、雷电、暴雨等恶劣气候影响,在威信供电局开展试点应用,能有效考核环保型设备在恶劣环境下的运行情况,为新型环保设备的推广运行积累经验。

  此外,项目团队还将于近期在昆明供电局220kV果林变、保山供电局220kV王家山变、香格里拉高速公路工程、云南电科院配网真型试验平台等地开展其他类型环保气体绝缘电力设备的落地应用。

  2019年12月,中国电工技术学会对云南电科院牵头完成的“新型环保气体绝缘关键技术研究及工程应用”组织召开了科技成果鉴定会。由邱爱慈院士、颜德岳院士等专家组成的鉴定委员会一致认为:项目实现了新型环保混合绝缘气体关键技术突破,创新性强,工程示范性好,整体技术达到国际领先水平。

  愿景:助力电网绿色低碳发展

  未来,云南电科院高原环保电力设备团队将进一步紧密围绕节能环保、先进制造等国家重大战略需求,以支撑和服务云南省“绿色能源牌”打造、当好生态文明建设排头兵为目标,主动承接新葡萄京官网8814成为具有全球竞争力的世界一流企业的企业愿景,开展环境友好型气体绝缘材料在电力领域的研究与应用,推动环境友好型电工材料对高温室效应气体的替代过程。积极探索向更高电压等级、更大规模的产品范围迈进,进一步提高电网“绿色化”水平,为高端绿色电力装备研发、实现制造强国提供技术路径。

  团队介绍:

  云南电科院高原环保电力设备项目团队

  云南电科院高原环保电力设备项目团队于2019年3月成立。团队致力于开展环保型开关设备共性关键技术研究,研制系列环保型开关设备产品,进行工程示范和产业化推广,并联合省内外优势企业及研究机构,打造“气体制备—技术攻关—设备研发—示范应用”完整产业链,引领新葡萄京官网8814国气体绝缘金属封闭开关设备发展方向。

  项目团队拥有云南省“千人计划”青年人才2名、“万人计划”青年拔尖人才1名,云南电网公司技术专家5名,博士3名,硕士10名。

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