“六氟化硫在電力系統(tǒng)中80%用于開關(guān)設(shè)備。電網(wǎng)企業(yè)對六氟化硫氣體的回收和排放提出了更嚴格的要求，越來越多的電網(wǎng)企業(yè)愿意采購無六氟化硫的產(chǎn)品。”在5月23日舉辦的國際高壓開關(guān)設(shè)備新型環(huán)保絕緣與滅弧技術(shù)論壇上，國際真空放電級絕緣會議國際科技委員會主席、四川大學(xué)教授賈申利表示。
六氟化硫替代迫切
六氟化硫(SF?)是一種非常嚴重的溫室效應(yīng)氣體。與二氧化碳相比，它的全球增溫潛勢(GWP:GlobalWarmingPotential)為25200，雖然排放量不大，但自然壽命很長，約為1000到3200年，對環(huán)境影響很大。因此，《京都議定書》明令要求逐步減少使用并最終禁用這種氣體。
憑借卓越的絕緣性能和滅弧性能，六氟化硫一直被廣泛應(yīng)用于電力設(shè)備領(lǐng)域。六氟化硫氣體滅弧絕緣電力開關(guān)設(shè)備，在高壓電網(wǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。
數(shù)據(jù)顯示，截止2020年，國家電網(wǎng)公司10-1000kV電網(wǎng)用配電開關(guān)設(shè)備和變電開關(guān)設(shè)備的六氟化硫氣體使用量，共計約31786噸。
由于高電壓等級開關(guān)設(shè)備在制造過程中需要使用六氟化硫氣體，而六氟化硫氣體是一種限制排放的嚴重溫室氣體，研究和開發(fā)環(huán)保型開關(guān)設(shè)備，研究六氟化硫替代技術(shù)，成為目前行業(yè)的當務(wù)之急。
“發(fā)展環(huán)境友好型的六氟化硫替代技術(shù)，成為雙碳戰(zhàn)略下的重大需求。”賈申利表示。
資料顯示，推進電力開關(guān)設(shè)備中減少或替代六氟化硫的技術(shù)，已被中國政府納入非二氧化碳類溫室氣體減排的重要措施中。在國際上，各國政府也在限制六氟化硫的使用。例如，美國加州空氣資源委員會已頒布了逐步禁止使用六氟化硫的法規(guī);歐盟含氟氣體法規(guī)最新修訂中提到：“在有替代品的情況下，將禁止在產(chǎn)品和設(shè)備中使用含氟氣體”。
中國西電集團首席科學(xué)家、中國電器工業(yè)協(xié)會高壓開關(guān)分會理事長元復(fù)興表示，“隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和新能源的普及，高壓開關(guān)設(shè)備作為新能源接入電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其市場需求呈現(xiàn)增長態(tài)勢。高壓開關(guān)正處于從成長期向成熟期的過渡，意味著行業(yè)將面臨新一輪技術(shù)更新和產(chǎn)業(yè)升級。”
數(shù)據(jù)顯示：2021年高壓開關(guān)行業(yè)總產(chǎn)值同比增長4.71%，2022年同比增長17.64%，2023年同比增長4.5%?！笆濉捌陂g，高壓開關(guān)行業(yè)總產(chǎn)值預(yù)計增長17.25%，年均增長3.45%。
另據(jù)《高壓開關(guān)行業(yè)年鑒》不完全統(tǒng)計，2023年工業(yè)總產(chǎn)值2900億元，比2022年增長4.5%;主營收入2870億元，比2022年增加5%;高壓利潤總額120億元，同比增加6%;資產(chǎn)4500億元，同比增加6.5%。
“低碳、環(huán)保、綠色產(chǎn)品研發(fā)力度加大，所有行業(yè)主導(dǎo)企業(yè)、骨干力量均投入大量人力物力，爭取在新型電力系統(tǒng)設(shè)備轉(zhuǎn)型中切一塊蛋糕?！痹獜?fù)興分析，“在新能源領(lǐng)域，環(huán)保開關(guān)設(shè)備、GIS、C-GIS發(fā)展勢頭強勁。充入高壓力值的環(huán)保(天然)氣體作為絕緣介質(zhì)的中高壓產(chǎn)品，未來會有一定市場?！?/span>
誰來替代六氟化硫?
對此，中國電科院教授級高工王承玉表示，六氟化硫替代技術(shù)的研究主要分為以下四個方向：
第一，使用六氟化硫混合氣體。在六氟化硫混合氣體研究中，六氟化硫/氮氣研究成果最豐富，但六氟化硫/氮氣不適于作大容量斷路器的熄弧介質(zhì)。該方法也無法徹底解決六氟化硫氣體應(yīng)用帶來的環(huán)境問題。
第二，使用真空介質(zhì)。真空介質(zhì)應(yīng)用于中壓和126kV領(lǐng)域開斷技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但受制于工藝和技術(shù)影響，在252kV及以上高壓領(lǐng)域暫未得到普遍應(yīng)用，其在高電壓等級對非線性負載的開斷性能尚需實際運行的驗證。
第三，使用天然氣體。天然氣體如干燥空氣、氮氣、二氧化碳等在自然界已經(jīng)存在，對環(huán)境無任何污染，容易制備，價格低廉，是目前中壓開關(guān)設(shè)備絕緣介質(zhì)的理想選擇。
第四，使用合成環(huán)保氣體。在新型合成環(huán)保氣體方面，目前研究最多的是全氟異丁腈(簡稱C4)、全氟甲基異丙基酮(簡稱C5)，它們的介電強度與六氟化硫相當，環(huán)保特性優(yōu)于六氟化硫。但滅弧性能不佳，開斷電弧過程中容易降解，含量發(fā)生變化，對長期開斷性能有影響，存在容易液化的問題。所以需要與其它常規(guī)氣體混合使用。
環(huán)保開關(guān)加碼布局
六氟化硫替代迫在眉睫，環(huán)保型開關(guān)設(shè)備需求持續(xù)增加。
記者獲悉，不少企業(yè)率先在環(huán)保型氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(GIS)中發(fā)力布局。其中，西門子能源推出了8VM172.5kVGIS、8VN1145kVGIS、3AV1罐式斷路器，在研252kVGIS、420kVGIS等Blue系列產(chǎn)品;西高院研發(fā)了基于潔凈空氣絕緣真空開斷的環(huán)保型40.5kV和72.5kVGIS產(chǎn)品以及252kV單斷口真空開斷型環(huán)保GIS;西開、平高等業(yè)內(nèi)骨干企業(yè)也相繼推出了環(huán)保型新產(chǎn)品。
這些產(chǎn)品采用真空滅弧室作為主要開斷單元、高壓力潔凈空氣作為絕緣介質(zhì)的環(huán)保技術(shù)路線，提高了電壓等級，實現(xiàn)了遠距離大容量輸電，同時避免了六氟化硫氣體的大量使用。
據(jù)王承玉介紹，對于中壓開關(guān)設(shè)備，真空滅弧與干燥空氣技術(shù)已非常成熟，相關(guān)產(chǎn)品包括天然氣氣體絕緣開關(guān)柜、環(huán)網(wǎng)柜以及柱上斷路器，在企業(yè)已有大量運行經(jīng)驗，應(yīng)用前景廣闊。對于高壓開關(guān)設(shè)備，真空滅弧與干燥空氣技術(shù)、C4+二氧化碳+氧氣和二氧化碳+氧氣混合氣體技術(shù)并存。72.5kV-126kV產(chǎn)品，已經(jīng)商業(yè)化產(chǎn)品投入運行。252kV及以上電壓等級開關(guān)設(shè)備，國內(nèi)外均在加緊研制中。從2023年下半年起，國家電網(wǎng)公司已不再采購含六氟化硫氣體的配電開關(guān)設(shè)備。
在高壓開關(guān)設(shè)備中，國電公司已立項研究確定以30%的六氟化硫/70%氮氣，作為混合氣體，對現(xiàn)有126-550kV的GIS產(chǎn)品進行改進，已完成除斷路器單元外的其余所有單元的混合氣體改進，六氟化硫氣體的使用量減少50%以上。國網(wǎng)公司對此進行了10個站的GIS改造，已安全穩(wěn)定運行5年以上。
“在高壓開關(guān)設(shè)備領(lǐng)域，當前六氟化硫混合氣體對現(xiàn)有GIS產(chǎn)品的改造和應(yīng)用最成熟，穩(wěn)妥。”王承玉說。
根據(jù)規(guī)劃，到2028年，國網(wǎng)GIS設(shè)備改造量將達到1萬間隔(等同于2028年預(yù)估新增間隔量)，實現(xiàn)六氟化硫氣體使用總量“零增長”。
替代六氟化硫，西門子能源股份公司電網(wǎng)科技集團選擇利用潔凈空氣，即采用真空滅弧技術(shù)結(jié)合空氣絕緣技術(shù)，以徹底消除溫室氣體排放。
據(jù)西門子能源股份公司資深技術(shù)專家Dr.StephanWethekam介紹，清潔空氣絕緣和真空開斷技術(shù)是成熟的、經(jīng)得住考驗的技術(shù)，不會受到修訂的歐盟含氟氣體法規(guī)的任何限制，也不會受到PFAS限制的影響。
其中，潔凈空氣(氮氣+氧氣)絕緣，可實現(xiàn)零二氧化碳排放，零毒性，最簡單的氣體處理。真空開斷則能做到分解產(chǎn)物無毒，密封緊密，并實現(xiàn)零維護。
“無氟氣體替代技術(shù)和產(chǎn)品已上市。全球范圍內(nèi)無氟氣體產(chǎn)品已廣泛可靠應(yīng)用，最高可達420kV。絕大多數(shù)依賴于源自于自然的氣體，可確保電網(wǎng)安全?！盌r.StephanWethekam表示。
資料顯示，由西門子能源研發(fā)的Blue環(huán)保型GIS產(chǎn)品，當前全球已有超過4200臺BlueCB和GIS訂購量，超過2300臺已成功送電投運，相當于減少二氧化碳排放量500萬噸。
“我們從2020年開始嘗試將無氟氣體的BlueGIS設(shè)備引入中國市場。2020年與上海電氣集團合作，在汕頭提供了中國首個72.5kV的BlueGIS設(shè)備。此后幾年，我們在國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)和海上風(fēng)電項目中獲得了200多個間隔的訂單，目前超過100臺已投入運行。例如，為國內(nèi)首座110kV零碳變電站-無錫清舒站提供了145kVBlueGIS設(shè)備，為國家電投全球批量應(yīng)用單機容量最大的海上風(fēng)電項目提供了66kVBlueGIS設(shè)備。此外，為國網(wǎng)河南省電力公司提供的國內(nèi)首臺145kV環(huán)保型柱式斷路器已穩(wěn)定運行超過3年?！蔽鏖T子能源有限公司電網(wǎng)科技集團總經(jīng)理王肩雷表示。
“高壓開關(guān)產(chǎn)品不像農(nóng)作物，無法迅速種植。推廣新產(chǎn)品也需要一個積累的過程，不能一蹴而就。”賈申利提醒。
“我認為現(xiàn)階段制造企業(yè)面臨的主要問題不是市場需求，而是產(chǎn)能問題。要增加產(chǎn)能，尤其是針對高壓環(huán)保型開關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)能。未來，如果國家出臺相關(guān)政策支持，市場將會出現(xiàn)快速爆發(fā)的增長趨勢?！辟Z申利預(yù)測，“建議國家有關(guān)部門，尤其是生態(tài)環(huán)保部，盡快制定減少甚至禁用某些物質(zhì)的時間表。立法方面的迫切性，已經(jīng)很明顯了。”
（來源：中國工業(yè)新聞網(wǎng)）
