CN110807247A - 一种基于环保的sf6替代介质选取方法 - Google Patents

一种基于环保的sf6替代介质选取方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于环保的SF6替代介质选取方法，涉及电气技术领域。本发明步骤如下：步骤1：确定SF6替代介质的温度环境和充气压力范围；步骤2：根据Riedel蒸气压方程和Raoult定律计算得到对应充气压力下SF6替代介质对应的液化温度；步骤3：根据所给出的设备运行的环境温度的范围选取液化温度满足要求的SF6替代介质；步骤4：对步骤3筛选后的SF6替代介质的全球变暖潜能值进行对比，得到满足条件的气体。本方法计算手段简单，容易操作，且适用性强，可以针对不同的电力设备选取对应的SF6替代气体，采用本发明可以大幅度的减少SF6的使用，为环境保护具有积极作用。

Description

一种基于环保的SF6替代介质选取方法
技术领域
本发明涉及电气技术领域，尤其涉及一种基于环保的SF6替代介质选取方法。
背景技术
SF6绝缘和灭弧介质在气体绝缘开关设备(Gas Insulated Switchgear,GIS)和气体绝缘输电管道(Gas Insulated Lines,GIL)等电力设备中被广泛应用。但是，SF6气体在应用中面临着两个非常严重的问题：①SF6气体是一种严重的温室效应气体，其全球变暖潜能(Global Warming Potential,GWP)大约为CO2的23900倍，并在1997年签订的《京都议定书》中被列入排放受限制的6种温室效应气体之一；②SF6气体的液化温度较高，限制了其在高寒地区的应用，如0.1MPa和0.6MPa时SF6气体的液化温度分别约为-64℃和-25℃，而CO2分别约为-78.5℃和-53℃。虽然在SF6中加入N2、CO2、CF4等构成二元混合气体可以降低其液化温度，但混合气体的绝缘和灭弧性能都要低于SF6，不能从根本上解决SF6使用过程中带来的环境问题。上述原因使得探索环境友好的SF6替代气体成为该领域的一个重要研究方向和迫切需要解决的热点问题。作为SF6替代气体必须满足以下基本要求：
1)环境需求：足够低的温室效应，不破坏臭氧层，无生态毒性。
2)健康与安全需求：对人类无毒或毒性足够低，不易燃烧、***等。
3)技术需求：液化温度低，绝缘强度高，热耗散能力强，灭弧性能好。
单一的常规气体替代SF6气体主要为CO2、N2和干燥空气，这3种气体物理化学性能均比较稳定，价格低廉，不易燃烧且不助燃，液化温度也远低于SF6气体。其中CO2气体作为潜在的环保型灭弧介质近期受到了重点关注。
部分替代气体方面的研究主要针对SF6与CO2、N2、惰性气体、PFC(全氟烃类)等气体的混合。其主要目的在于，通过SF6气体与低液化温度气体的混合来降低其液化温度，具有十分重要的工程意义，同时还可在一定程度上降低成本、减小SF6气体对环境的影响。
近期ABB公司报道了其研究的新型环保气体属于全氟酮类的C5F10O、C6F12O及其混合气体方面的工作，指出C5F10O和C6F12O气体的绝缘强度分别约为纯SF6气体的2倍和2.5倍，然而由于该气体的液化温度均过高(如0.1MPa时C5F10O和C6F12O的液化温度分别约为24℃和49℃，无法单独使用。此外还有C4F7N的全球变暖潜能值约为CO2的2100倍，低于SF6气体，无毒、无腐蚀性，介电常数约为SF6的2倍。其液化温度较高，一个大气压下液化温度约为-4.7℃，将其与CO2或N2混合即可将其液化温度降低到能接受的范围内，在一个标准大气压下3％C4F7N/97％CO2混合气体液化温度低于-35℃，在最低温度限制为-25℃时，5％C4F7N/95％CO2混合气体所允许使用的最高压力为0.65MPa。CO2或N2的混入还会降低混合气体的全球变暖潜能值，降低对环境的危害，具有较好的应用前景。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供基于环保的SF6替代介质选取方法，本方法计算手段简单，容易操作，且适用性强，可以针对不同的电力设备选取对应的SF6替代气体，采用本发明可以大幅度的减少SF6的使用，为环境保护具有积极作用。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
本发明提供一种基于环保的SF6替代介质选取方法，包括如下步骤：
步骤1：基于SF6替代介质的所要应用的电力设备的运行温度，确定SF6替代介质的温度环境，根据所应用的电力设备的充气压力要求，确定SF6替代介质的充气压力范围；
步骤2：根据Riedel蒸气压方程和Raoult定律计算得到对应充气压力下SF6替代介质对应的液化温度；
Figure BDA0002226111140000021
A＝-35Q (2)
B＝-36Q (3)
C＝42Q+αC (4)
D＝-Q (5)
Q＝0.0838(3.758-αC) (6)
Figure BDA0002226111140000023
式中：Tr＝T/Tc，Tbr＝Tb/Tc，T、P、Tr、Pr、Tc和Pc分别为绝对温度、绝对压力、对比温度、对比压力、临界温度、和临界压力；Tb代表沸点温度，Tr 6项方程为描述高压区域内蒸气压曲线的转折点；P1为液化温度较高气体的饱和蒸气压，P2为缓冲气体的饱和蒸气压；Pm为混合气体的饱和蒸气压；x和y分别为液化温度较高气体的气相、液相摩尔分数；A、B、C、D、Q和ψb均是由实验数据推导得到的经验值；αC为Riedel常数；
根据混合气体GWP的计算方法得到SF6替代介质的全球变暖潜能值；
GWPz＝x1·GWP1+x2·GWP2+…+xn·GWPn (9)
式中：x1、x2····xn为混合气体中每种气体的质量分数；GWP1、GWP2····GWPn为各组分的GWP；GWPz为混合气体的GWP，其中n为正整数；
步骤3：根据所给出的设备运行的环境温度的范围选取液化温度满足要求的SF6替代介质；
步骤4：对步骤3筛选后的SF6替代介质的全球变暖潜能值进行对比，得到满足条件的气体；所述条件为SF6替代介质的全球变暖潜能值必须低于纯SF6的5％。
所述步骤1中SF6替代介质包括单一常规替代气体、完全替代气体和部分替代气体；其中，单一常规替代气体包括：CO2、O2、N2和空气；完全替代气体包括：c-C4F8、CF4、C3F8、C2F6、CF3I、C4F7N及其混合气体和全氟酮类气体及其混合气体；部分替代气体是由SF6与缓冲气体混合组成，其中与SF6混合的缓冲气体包括有N2、CO2、CF4或惰性气体。
所述的C4F7N及其混合气体是由C4F7N气体和其缓冲气体组成的，所述的C4F7N及其混合气体中C4F7N气体的摩尔分数含量不高于20％。
所述的全氟酮类气体及其混合气体是由全氟酮气体和其缓冲气体组成。
所述的C4F7N及其混合气体中的缓冲气体为CO2、N2、空气或CO2和O2混合气体。
所述的全氟酮类气体及其混合气体中的其缓冲气体为CO2、N2或空气。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种基于环保的SF6替代介质选取方法，本方法以气体绝缘介质的液化温度与全球变暖潜能值作为对比参数，可以快速的选取满足不同电力设备在不同温度环境与充气压力要求的气体绝缘介质，再通过地温室效应系数计算得到满足要求的环保型SF6替代气体。该方法计算手段简单，容易操作，且适用性强，可以针对不同的电力设备选取对应的SF6替代气体，采用本发明可以大幅度的减少SF6的使用，为环境保护具有积极作用。
附图说明
图1是本发明具体实施方式的一种基于环保的SF6替代介质选取方法的流程图；
图2是本发明具体实施方式的C4F7N及其混合气体饱和蒸气压计算结果图；
图3是本发明具体实施方式的不同压强下混合气体液化温度随C4F7N含量变化曲线图；
图4是本发明具体实施方式的C4F7N/CO2和C4F7N/N2的全球变暖潜能值计算结果图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例的方法如下所述。
如图1所示，本申请是一种基于环保的SF6替代介质选取方法，所述的替代介质包括单一常规替代气体、完全替代气体和部分替代气体，所述选取方法包括：
步骤1：基于SF6替代介质的所要应用的电力设备的运行温度，确定SF6替代介质的温度环境，根据国家标准中规定的所应用的电力设备的充气压力要求，确定SF6替代介质的充气压力范围。
步骤2：根据Riedel蒸气压方程和Raoult定律计算得到对应充气压力下SF6替代介质对应的液化温度；
在一定压力下，同一种物质随着温度的变化出现气-液平衡或者是气-固平衡的状态时，所对应的温度就是该物质的液化温度。同一种物质在不同压力下的液化温度不同，并且随着所处压力的减小，液化温度也减小。对于两种气体混合时，混合气体的液化温度临界与两种气体对应压力下的液化温度之间。另外，由于气体混合时受压缩的状态不同，混合气体的液化温度不能通过道尔顿分压定律对液化温度较高的气体进行分压计算得到。
液化温度计算公式为：
Figure BDA0002226111140000041
A＝-35Q (2)
B＝-36Q (3)
C＝42Q+αC (4)
D＝-Q (5)
Q＝0.0838(3.758-αC) (6)
Figure BDA0002226111140000042
Figure BDA0002226111140000043
式中：Tr＝T/Tc，Tbr＝Tb/Tc，T、P、Tr、Pr、Tc和Pc分别为绝对温度、绝对压力、对比温度、对比压力、临界温度、和临界压力；Tb代表沸点温度，Tr 6项方程可以描述高压区域内蒸气压曲线的转折点；P1为液化温度较高气体的饱和蒸气压，P2为缓冲气体的饱和蒸气压；Pm为混合气体的饱和蒸气压；x和y分别为液化温度较高气体的气相、液相摩尔分数。A、B、C、D、Q和ψb均是由实验数据推导得到的经验值；αC为Riedel常数；
根据混合气体GWP的计算方法得到SF6替代介质的全球变暖潜能值；
GWPz＝x1·GWP1+x2·GWP2+…+xn·GWPn (2)
式中：x1、x2····xn为混合气体中每种气体的质量分数；GWP1、GWP2····GWPn为各组分的GWP；GWPz为混合气体的GWP，其中n为正整数；该方法不仅可以计算混合气体的全球变暖潜能，还对单一气体的全球变暖潜能值适用。
根据上面介绍的饱和蒸气压和全球变暖潜能值的计算方法，以C4F7N及其混合气体为例，计算得到C4F7N/CO2和C4F7N/N2两种混合气体的饱和蒸气压和全球变暖潜能值，并与SF6气体的相关数据进行了对比。
如图2所示，温度不高于283K时，C4F7N摩尔分数为10％的C4F7N/N2的饱和蒸气压与SF6相差不大，而相同C4F7N含量的C4F7N/CO2的饱和蒸气压略小于SF6。
如图3所示，当环境温度为253K时，C4F7N含量为5％、10％、15％或20％的C4F7N/N2混合气体不发生液化的最大气压分别是1.04MPa、0.53MPa、0.35MPa或0.27MPa；相同温度下，C4F7N含量为5％、10％、15％或20％的C4F7N/CO2混合气体不发生液化的最大气压分别是0.86MPa、0.48MPa、0.33MPa或0.25MPa。
图4为C4F7N/CO2和C4F7N/N2的全球变暖潜能值计算结果图，当C4F7N摩尔分数相同时，C4F7N/CO2的GWP小于C4F7N/N2，其中，C4F7N摩尔分数为5％、8％和10％的C4F7N/CO2混合气体GWP分别为399、586和693。
步骤3：根据所给出的设备运行的环境温度的范围选取液化温度满足要求的SF6替代介质；
以步骤2中计算的两种混合气体为例，在实际应用时，为使最低温度253K，C4F7N/CO2和C4F7N/N2混合气体在0.5MPa下的GIL中不发生液化，混合气体中C4F7N的占比最多分别约为8％和10％，而在0.7MPa下的断路器中，混合气体中C4F7N的占比最多分别约为5％和8％。
步骤4：对步骤3筛选的SF6替代介质的全球变暖潜能值进行对比，得到满足要求的气体。
以步骤2中计算的C4F7N/CO2混合气体全球变暖潜能值为例，C4F7N摩尔分数为5％、8％和10％的C4F7N/CO2混合气体GWP分别不高于SF6的1.67％、2.45％和2.90％，均低于SF6全球变暖潜能值的5％，满足要求。
根据2006年5月17日欧洲议会和理事会关于某些氟化温室气体的第842/2006号条例(EC)[11]提到对混合气体GWP的计算方法，得到SF6替代介质的全球变暖潜能值。
本申请所述的基于环保的SF6替代介质包括单一常规替代气体、完全替代气体和部分替代气体。其中单一替代介质包括CO2、O2、N2和空气；完全替代气体包括c-C4F8、CF4、C3F8、C2F6、CF3I、C4F7N及其混合气体和全氟酮类气体及其混合气体。C4F7N及其混合气体是由C4F7N气体和其缓冲气体组成的，所述的C4F7N及其混合气体中C4F7N气体的摩尔分数含量不高于20％，全氟酮类气体及其混合气体是由全氟酮气体和其缓冲气体组成。部分替代气体是由SF6与其他气体混合组成，与SF6混合的缓冲气体包括有N2、CO2、CF4和惰性气体。完全替代气体中C4F7N及其混合气体中的缓冲气体只有一种的包括有CO2、N2和空气，此外还有两种缓冲气体的有CO2和O2，所述的C4F7N及其混合气体中C4F7N气体的摩尔分数含量不高于20％；所述的完全替代气体中全氟酮类气体及其混合气体中的其缓冲气体只有一种的包括有CO2、N2和空气。
上述所有的气体，单一常规替代气体中CO2、N2和空气的全球变暖潜能值分别为1、0和0，一个标准大气压下的液化温度分别为-78.5℃、-196℃和-183℃。完全替代气体中c-C4F8、CF4、C3F8、C2F6、CF3I、C4F7N、C5F10O和C6F12O的全球变暖潜能值分别为8700、6500、7000、9200、5、2100、1和1，一个标准大气压下的液化温度分别为-6℃、-186.8℃、-37℃、-78℃、-225.5℃、-4.7℃、26.5℃和49℃。通过以上基础参数，本申请提供了一种基于环保的SF6替代介质的选取方法，首先确定SF6替代介质的温度环境和充气压力范围；然后根据充气压力确定SF6替代介质对应的液化温度和全球变暖潜能值；再根据所给的环境温度的范围选取液化温度满足要求的SF6替代介质；最后对筛选的SF6替代介质的全球变暖潜能值进行对比，得到满足环保要求的气体。通过本方法可以方便高效的计算出不同环境下满足环保要求的SF6替代介质的组成成分。
本申请提出的一种基于环保的SF6替代介质选取方法所选出的环保气体满足环境应用要求，全球变暖潜能值小，可以广泛应用于气体断路器(GBC)、隔离开关(DC)、气体绝缘金属封闭式组合电器(GIS)以及气体绝缘输电管道(GIL)等电力设备。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于环保的SF6替代介质选取方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：基于SF6替代介质的所要应用的电力设备的运行温度，确定SF6替代介质的温度环境，根据所应用的电力设备的充气压力要求，确定SF6替代介质的充气压力范围；
步骤2：根据Riedel蒸气压方程和Raoult定律计算得到对应充气压力下SF6替代介质对应的液化温度；
Figure FDA0002226111130000011
A＝-35Q (2)
B＝-36Q (3)
C＝42Q+αC (4)
D＝-Q (5)
Q＝0.0838(3.758-αC) (6)
Figure FDA0002226111130000012
Figure FDA0002226111130000013
式中：Tr＝T/Tc，Tbr＝Tb/Tc，T、P、Tr、Pr、Tc和Pc分别为绝对温度、绝对压力、对比温度、对比压力、临界温度、和临界压力；Tb代表沸点温度，Tr 6项方程为描述高压区域内蒸气压曲线的转折点；P1为液化温度较高气体的饱和蒸气压，P2为缓冲气体的饱和蒸气压；Pm为混合气体的饱和蒸气压；x和y分别为液化温度较高气体的气相、液相摩尔分数；A、B、C、D、Q和ψb均是由实验数据推导得到的经验值；αC为Riedel常数；
根据混合气体GWP的计算方法得到SF6替代介质的全球变暖潜能值；
GWPz＝x1·GWP1+x2·GWP2+…+xn·GWPn (9)
式中：x1、x2....xn为混合气体中每种气体的质量分数；GWP1、GWP2....GWPn为各组分的GWP；GWPz为混合气体的GWP，其中n为正整数；
步骤3：根据所给出的设备运行的环境温度的范围选取液化温度满足要求的SF6替代介质；
步骤4：对步骤3筛选后的SF6替代介质的全球变暖潜能值进行对比，得到满足条件的气体；所述条件为SF6替代介质的全球变暖潜能值必须低于纯SF6的5％。
2.根据权利要求1所述的一种基于环保的SF6替代介质选取方法，其特征在于：所述步骤1中SF6替代介质包括单一常规替代气体、完全替代气体和部分替代气体；
其中，单一常规替代气体包括：CO2、O2、N2和空气；完全替代气体包括：c-C4F8、CF4、C3F8、C2F6、CF3I、C4F7N及其混合气体和全氟酮类气体及其混合气体；部分替代气体是由SF6与缓冲气体混合组成，其中与SF6混合的缓冲气体包括有N2、CO2、CF4或惰性气体。
3.根据权利要求2所述的一种基于环保的SF6替代介质选取方法，其特征在于：所述的C4F7N及其混合气体是由C4F7N气体和其缓冲气体组成的，所述的C4F7N及其混合气体中C4F7N气体的摩尔分数含量不高于20％。
4.根据权利要求2所述的一种基于环保的SF6替代介质选取方法，其特征在于：所述的全氟酮类气体及其混合气体是由全氟酮气体和其缓冲气体组成。
5.根据权利要求3所述的一种基于环保的SF6替代介质选取方法，其特征在于：所述的C4F7N及其混合气体中的缓冲气体为CO2、N2、空气或CO2和O2混合气体。
6.根据权利要求4所述的一种基于环保的SF6替代介质选取方法，其特征在于：所述的全氟酮类气体及其混合气体中的其缓冲气体为CO2、N2或空气。
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