浅谈C4F7N-C02环保气体在12kV环网柜中的应用

上海启腾电气股份有限公司上海市 201400

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摘要：C4F7N因其优异的绝缘和环保特性成为最有潜力替代SF6气体的绝缘介质，分析阐述了C4F7N-C02混合气体的绝缘性能和分解产物，国内现状常见环网环保气体绝缘结构形态，进而阐述我司推出的方案以及相关试验验证，C4F7N-C02环保气体有代替SF6的可能。

关键词：C4F7N-C02混合气体；环保气体；气体特性；分解产物；代替SF6

引言

在国内，目前12kV常用的环网柜有：SF6气体环网柜，环保气体绝缘环网柜，固体绝缘环网柜，常压密封空气绝缘环网柜，其中SF6气体环网柜在市场上使用数量占比最大，SF6气体分子对温室效应的危害十分明显，在《京都议定书》中， SF6气体是受到限制的温室气体之一，基于此，在寻找SF6的替代气体时，推出了环保气体绝缘环网柜，目前环保气体绝缘环网柜绝缘介质采用的是纯氮气或者干燥空气，或者干燥空气和氮气的混合气体，充分借鉴国外超高压技术，尝试选用C4F7N和C02环保气体在12kV环网柜中的应用。固体绝缘环网柜和常压密封空气绝缘环网柜不在此阐述。

一、C4F7N-C02环保气体探索

近年来国内外热点关注SF6替代气体研究，除了纯氮气或者干燥空气，或者干燥空气和氮气的混合气体之外，比如C2F6、C3F8、c-C4F8、CF3I、HFO-1234ze、C5F10O、C6F12O 和C4F7N 等新环保气体，在不断探索研究，以改善设备的环保效益，发现更加环保，经济的环保气体。

从气体的特性参数表1可以看出，C5F10O 和C6F12O 具有优异的绝缘和环保特性，然而液化温度较高，仅适用于中压设备。综合来看，C4F7N是目前最具潜力替代SF6应用于各类电压等级的气体绝缘设备的环保型气体绝缘介质。

20世纪初，美国GE公司采用C4F7N-C02构成的g3（green gasfor grid）气体，研制了420kV GIL，2017年在英国投运。C4F7N的GWP为2090，大气寿命（在空气中的存续时间）约为30年，与SF6的GWP为23500及大气寿命3200年相比，具有良好的环保价值。

C4F7N在常压下的液化温度为?4.7 ℃，大多与CO2、N2或空气等缓冲气体混合使用，以满足设备的使用环境温度。不同体积分数C4F7N的饱和蒸汽压不同。在相同气压下，C4F7N绝缘强度为SF6的近2倍，C4F7N-CO2的绝缘强度随C4F7N体积分数增加线性增长，体积分数为20%时，绝缘强度接近甚至超过SF6的值。

二、C4F7N-C02环保气体绝特性

图1不同气压和C4F7N 含量下C4F7N-C02混合气体的PDIV-（负半周局部放电起始电压）变化情况，可以看出C4F7N-C02混合气体受气压影响程度低于SF6 气体；图2给出了不同气压和C4F7N含量下C4F7N-C02混合气体的PDIV+（正半周局部放电起始电压）。C4F7N-C02混合气体的PDIV+随气压变化情况与PDIV- 情况相似。由此可见，C4F7N-C02混合气体适用于环保气体绝缘环网的配方。

三、C4F7N-C02混合气体分解产物

局部放电下C4F7N-C02混合气体主要分解产物有CO、CF4、C2F6、C2F4、C3F8、C2F3N、C3F6、C4F10、C3F5N、C2N2、HCN。局部过热下主要分解产物有CO、CF4、C2F6、C2F4、C3F8、C2F3N、C3F6、C4F10、C3F5N、C2N2、C4F8、i-C4F8。目前在不同工况情况下，是否分解其它气体还有待验证。

通过相关实现：

（1）测定多组小鼠（每组10只，雌雄对半，年龄8-10周）的LC50来评估急性毒性，设置对照组，并在小鼠死亡后进行尸体剖检观察，以及生物化学分析。

（2）根据OECD的第403条知道准则以至少3种浓度进行LC50评估，进而确定气体的毒性；

（3）再15L的开关上充相应气体后，进行了100的CO，630A，12kV测试得出了以下结论：

（1）C4F7N、C5F10O在开断后，会产生一系列副产物；

（2）C4F7N、C5F10O在开断后，副产物的生殖及致癌风险的研究较少，不排除潜在危害。

四、我司推出的环网柜技术方案

1、为了和世界发达国家接轨，探索更加经济，环保气体。我司在现有最为普通的标准化SF6绝缘环网柜基础上优化：

（1）采用20%C4F7N和80%CO2混合气体（C4F7N≥99.2%，CO2≥99.995%）代替SF6气体，绝缘性能可达SF6气体的95%以上，充气压力0.02Mpa；

（2）气箱内部空间净绝缘安全距离由35mm增加到50mm；

（3）主回路从电场，温升等方面做优化设计；

（4）提高产品性能及可靠性，满足产品在恶劣环境中的可靠运行。

优化创新点：A.气箱内所有螺钉均更换成球头螺钉，带电体均去毛刺、倒圆角；B.在真空断路器上的出线端加装均压罩，优化电场分布；C. 真空灭弧室和静触头平面直接连接导电，增大接触面积，提高产品温升能力；D. 隔离动触刀截面由25*6改成30*6mm，降低动触头的温升；E. 隔离刀头触点材料变为铜钨触点，提升接地关合能力；F.操作机构重新设计，采用锌镍合金表面处理，代替传统的镀锌处理，盐雾试验时间可达300小时。或选用IP65的操作机构替代传统机构，整体提高产品的防护能力。

除了以上的优化创新点，最大创新点使用了引进沈阳工业大学获得发明专利的盘式旋磁纵吹真空灭弧室（专利号ZL201110408481.6）。专利技术高开断能力真空灭弧室的开发，提高了开断能力。

五、技术方案绝缘试验验证

说明：以上数据只供参考，20% C4F7N和80% CO2混合时，气箱内雷电冲击达到国标的要求，工频耐压满足国标要求。

六、技术方案接地关合试验验证

随C4F7N含量增加，预击穿能量下降，接地关合产生电弧对触头的烧蚀程度减轻，由此可见，20％C4F7N，80%CO2混合气体下触头烧蚀情况与SF6相当。

结果表明，C4F7N-C02混合气体适于用作环网柜绝缘气体。

六、防护安全

国内充气柜使用、制造已经20余年，工艺相当成熟，气箱漏气的概率非常低，即使漏气也只是微漏，正常使用及运行情况下C4F7N的职业接触极限值不会超过0.0065%，可以不需要防护；对于特殊的科研和运维人员，在潜在暴露量>0.0065%的情况下，建议推荐使用间接通气护目镜对眼睛和面部进行防护，使用丁腈手套对手部进行防护，使用供气式半面罩或全面罩呼吸器进行呼吸防护，以避免吸入或接触C4F7N 气体对自身安全带来隐患和危害。以及以下方面需要我们去探索：（1）现场运行的环网柜若出现漏气现象，是否有专用设备进行测漏，C4F7N气体配套的气体检测设备是否有厂家生产；（2）目前不同配比的C4F7N混合气体论证性研究数据还不完善，是否有专业机构牵头试验论证；（3）针对C4F7N混合气体灭弧后分解气体的生物安全性，可获取的信息不足，是否有专业机构提供权威的数据等。

参考文献：

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杜仲江；1984年1月；性别，男；民族，汉族；籍贯，陕西，学历，本科；职称，工程师；研究方向：12kV环网柜，环网箱以及一二次融合高压成套等产品设计与开发。

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