六氟化硫在电力工业中有着广泛的应用 （东方IC）

 

随着全球气候变暖现象愈发受到关注，温室气体、节能减排、低碳生活这些词汇开始频繁出现在公众面前。在社会公众的一般认识里，二氧化碳才是主要的温室气体，也是导致全球气候变暖的罪魁祸首。但是从科学的角度而言，六氟化硫才是人类已知的最可怕的温室气体，其助长全球气候变暖的威力是二氧化碳的23900倍。控制六氟化硫气体的无序排放，已经刻不容缓。因此，除了加强对新型绝缘材料的研发强度外，也需要提高全民对六氟化硫的科学认识，全面加强对六氟化硫主要应用行业和领域的监管，共同应对六氟化硫对全球气候变暖带来的挑战。
 

 

温室气体也被称之为温室效应气体，它既包含大自然中固有的气体，也包括由人类技术合成的非自然气体。温室气体的核心特征是它们能够有效地吸收太阳长波辐射。从总体来看，具备这一特征的温室气体大约有30多种，而我们日常生活中易于接触和了解的温室气体主要有二氧化碳、甲烷、一氧化碳等。根据人类活动所产生的温室气体数量以及不同温室气体对气候变暖的影响力，《京都议定书》提出了六类需要全人类警惕并严厉控制其排放量的温室气体：二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳化物、全氟化碳、六氟化硫。
 

在这六种温室气体中，二氧化碳大家都非常熟悉了。甲烷是一种强势的短期温室气体，对人们目前经历的全球变暖的贡献率约为1/4。甲烷的排放主要来自畜牧业（主要是反刍动物，如牛、羊、鹿、羊驼等）、水稻种植以及煤炭油气开采行业，2019年2月国际能源署（IEA）发布的《世界能源展望2019》显示，2018年全球煤矿甲烷泄漏量达4000万吨，全球油气行业的甲烷泄漏量为8000万吨。氧化亚氮的主要来源包括海洋、河川、土壤、沉积物和人类工农业生产的排放。近岸海区特别是河口区是陆地、海洋与大气交互作用最为活跃和复杂的区域，也是海洋向大气释放氧化亚氮的重要来源。氢氟碳化合物曾被看作是有效替代破坏臭氧层物质的重要材料，广泛应用于冰箱、空调的制冷剂和绝缘泡沫生产的氯氟烃（CFCs）中等。据联合国环境部门的统计数据显示，氢氟碳化合物是当前全球增长速度最快的温室气体，其每年的排放增长速度达到了惊人的10%，尽管它不会破坏臭氧层，但在全球变暖中却扮演着重要角色，因此又成为了新的亟待控制的气候变暖“元凶”之一。幸运的是，作为重要的制冷剂，在科学家们的努力下找到了它的替代品：四氟丙烯。作为一种新型的制冷剂，四氟丙烯具有比氢氟碳化合物更加卓越的环保性能，臭氧耗损潜值为0，全球变暖潜值为4，生命周期为11天。全氟碳化物属合成产生的卤烃，只包含碳和氟原子，具有极端稳定性、不可燃性、低毒性，同时不消耗臭氧。它被广泛应用于电子产品的半导体制造部门、医疗、电器绝缘、碳同位素分离工质、日用品以及作为制冷剂（主要是与氢氟碳化合物和氟氯烃的混合物）。由于其具有良好的表面活性和较高的化学稳定性，也被广泛应用于纺织、造纸、包装、农药、地毯、皮革、电镀等领域。
 

作为本文研究和介绍的重点，六氟化硫是一种人工合成物质，具有相当稳定的化学性质，由于其具有良好的绝缘性和灭弧性，因而在电气设备中有广泛的应用。从应用领域来看，公众日常生活中与六氟化硫接触较少，是一种有特殊应用的物质和材料，实际上每年六氟化硫的使用和排放量相较于二氧化碳都非常小，既然如此，我们为什么还要说六氟化硫是最可怕的温室气体呢？其主要原因包括以下两个方面。
 

第一是六氟化硫惊人的全球变暖潜势值。为了更加直观地对比不同温室气体对气候变暖的影响力，科学家们提出了全球变暖潜势（global warming potential，GWP）这一科学的衡量指标。全球变暖潜势指的是在限定的100 年时间框架内，不同温室气体产生的温室效应相对于相同效应的二氧化碳的质量，该指标将二氧化碳的GWP设定为相对衡量标准1，而其他五种温室气体的GWP分别为：甲烷为21，氧化亚氮为310，氢氟碳化物为140～11700，全氟化碳为6500～9200，而六氟化硫的GWP 则达到了惊人的23900，也即六氟化硫的气候变暖威力是二氧化碳的23900倍。2019年9月13日，英国广播公司报道指出，虽然二氧化碳是公认的气候变暖的主因之一，但是六氟化硫才是目前人类已知的最可怕的温室气体，仅仅1千克的六氟化硫，对全球气候变暖的助推作用与24个人搭飞机来回伦敦与纽约一趟排放的二氧化碳相当，更直观的表述是其对地球变暖的影响力比同质量的二氧化碳要强23900倍以上。
 

第二是六氟化硫不易被分解，且在大气中生命周期相当长，长期累积导致其温室效应巨大。由于六氟化硫是人工合成气体，且具有相当稳定的化学性质，因此当它排放到空气中后，极不易与其他物质发生反应。在它超长的3200年的生命周期里，虽然能在平流层及以上大气层缓慢光解和沉降，但仍将在大气中不断地积累，由此导致六氟化硫所带来的温室效应会在相当长的时间内不断增强。

 

北极变暖使得捕食更加困难的北极熊纷纷侵入居民点，它们成群结队在垃圾堆中翻找食物 （搜狐网）

 

总结而言，虽然六氟化硫在我们的生产生活中实际使用和排放量相当有限。但是由于六氟化硫是人工合成气体，不易与外界物质发生反应，导致其在大气中极难被分解，因此具有超长的生命周期，它在数千年的人类发展历程中将不断积累。此外，更重要的是六氟化硫具有远超其他同类五种温室气体的全球变暖潜势，由于其数万倍于二氧化碳的全球变暖潜势值，再叠加其不易分解的特质和超长的大气生命周期，导致了六氟化硫成为当之无愧的“最可怕温室气体”。
 

 

物质的应用领域往往是由其基本性质决定的，因此要从根本上了解六氟化硫的应用领域，首先需要了解六氟化硫的基本物理和化学性质。
 

六氟化硫最早由两位法国化学家Moissan和Lebeau于1900年合成，至今已有百余年历史，1940年美国军方开始将其应用于曼哈顿计划（核军事），1947年开始商用，20世纪五六十年代开始应用于电气设备中，也是大规模民用的开端。六氟化硫的化学式是SF6，它是一种无色、无味、无毒和不可燃且透明的惰性气体。在20℃和0.1MPa时密度为6.1kg/m³，约为空气密度的5倍。六氟化硫在常温常压下为气态，其临界温度为45.6℃，三相点温度为-50.8℃，常压下升华点温度为-63.8℃。
 

六氟化硫具有十分优异的绝缘性能。作为一种温室气体，六氟化硫具有超越同类气体的强负电性，六氟化硫的分子能够轻易的吸附物理电场内存在的自由离散电子，并形成具有较大质量的负离子，这一特性能有效地降低气体中的电离碰撞，实际上就起到了绝缘作用。有科学数据表明，在一般的均匀电场中，六氟化硫的绝缘强度能达到空气的2倍以上。随着气压升高，其绝缘性能也会逐渐提升，在4个大气压下，其绝缘性相当变压器油。六氟化硫气体在T≈2000K时出现热分解高峰，这意味着当交流电弧电流过零时，其对电流弧道的冷却功效将远超空气。在实际测量和应用环节中，科学家和工程师们发现六氟化硫的灭弧能力能超过空气的百倍。由于具有优良的灭弧性能和绝缘性能以及良好的化学稳定性，在超高压和特高压断路器中，六氟化硫作为灭弧介质，已取代油，并已大量取代了压缩空气。得益于六氟化硫的超强绝缘性，以其为绝缘材料的电气设备能够极大地缩小绝缘距离，相应的，这些电气设备的设计空间和体积就能有极大地缩减。正是由于这些优异的电气性能的存在，六氟化硫才在电力工业中得到了越来越多的应用。
 

六氟化硫虽具有强大的温室效应能力，但是在它合成之初人们并没有意识到这一问题，反而由于其优异的化学性质而被广泛的应用于多种行业和领域中。由于其良好的绝缘性和灭弧性，六氟化硫已被广泛的应用于电气断路和绝缘产品和工艺中，如断路器、高压开关、高压变压器、高压传输线、互感器等。近年来，六氟化硫也开始不断的向中低压电气开关设备中应用和扩展。具体而言，六氟化硫在电力行业的主要应用场景包括：
 

（1）气体绝缘全封闭组合电器（gas insulatedsubstation，GIS）。GIS设备由多种断路器、开关、避雷器和连接件组成，这些零部件部分或全部密封于金属接地的保护壳内，其内部填充有特定气压的六氟化硫气体，以发挥绝缘功能。20世纪60年代，GIS设备已经开始在世界各地的高压、超高压和特高压领域广泛应用。由于六氟化硫的超强绝缘性和灭弧性，使得GIS设备在占地空间、装配性、安全性、后续维护性方面具有较强的优势，也因此GIS设备的使用正处在高速增长阶段，相应的，六氟化硫的使用量也随之快速增加。在这快速攀升的六氟化硫使用量背后，也暗含着惊人的泄漏量。以大型的发电厂、变电站为例，其年泄漏量可达数百千克。尤其令人不安的是，虽然GIS设备已经在世界范围内的电厂和变电站广泛使用，但是关于六氟化硫的年泄漏量仍然缺乏科学精确的统计数据。
 

（2）断路器。由于六氟化硫的优异绝缘性和灭弧性，断路器领域也成为了其重要的应用场景。到目前为止，六氟化硫断路器的最高应用工作电压已经达到了765kV，由此可见其在断路器领域具有的广泛应用场景。从整体来看，在中压断路器领域，六氟化硫断路器占比约为50%，而在110kV及以上的中压和高压、超高压断路器中，空气、油断路器都已基本被六氟化硫断路器所替代。
 

（3）电流互感器。通俗而言，电流互感器的作用就是将交流电路中的较大的电流通过电磁原理转化为一定比例的较小的电流，以实现科学测量和继电保护的作用。根据绝缘材料的不同，电流互感器主要分为六氟化硫气体电流互感器和油浸式电流互感器。就我国的情况而言，六氟化硫气体电流互感器的实际使用比例要远超油浸式电流互感器。在不同的电压等级中，六氟化硫气体电流互感器的使用比例也不尽相同，其中在220kV、110kV和500kV电压等级中使用比较较高，分别占比45%、35% 和15%。广泛的应用，也意味着较高的电气设备故障率和气体泄漏率，从近年的统计数据来看，因电流互感器的导致的气体泄漏和逃逸现象正呈现逐年递增趋势。
 

（4）其他中压电器设备。基于六氟化硫在电气绝缘、灭弧等方面的优异表现，大量的中压电气设备中也开始将六氟化硫作为绝缘气体。开关柜、环网柜等各种配电设备中开始大量地将六氟化硫作为新的绝缘材料。从整体上来看，以六氟化硫为绝缘材料的开关柜设备的市场份额有逐年上升的趋势。随着六氟化硫向中压电器市场的扩散，其用量必然是惊人的，而更令人担忧的还是六氟化硫在这些电气设备中的泄露和逃逸量以及其所产生的温室效应。
 

高纯度的六氟化硫在我国尖端科研和生产部门中也扮演者重要角色，被认定为急需的特种气体，在TFT-LCD面板厂及半导体微电子工业中用于清洁气体和等离子蚀刻气体，在光导纤维制造中用作隔离层掺杂剂，在镁及其合金的冶炼过程中，高纯度的六氟化硫或其混合气体可作为保护气体防止镁及其合金被氧化。在医疗领域，六氟化硫可以作为一种安全的造影剂用于超声造影，特别是肝脏肿瘤的造影检查，一般将六氟化硫经静脉注射后溶于血液，而后通过呼吸方式缓慢排除。在采矿工业中，六氟化硫气体还可以作为反吸附剂，在矿井煤尘中用于置换氧气，保证矿井作业安全。从总体而言，六氟化硫的主要应用场景仍然集中在电气绝缘工艺中。近数十年以来，人类逐渐意识到温室气体对气候变暖的重要影响，开始降低非可再生能源的使用比例，转而增加了绿色替代能源的使用范围，如积极发展风能、水能、太阳能等绿色能源，这就导致了各国需要大批量的更新和更换输电设备，这其中就包括大量的变压器等电力交换设备。为了电力安全起见，新增的电力交换设备大多采用先进的气体绝缘设备，以现阶段的产业和技术水平，六氟化硫就是最佳的绝缘气体。据相关统计数据显示，全世界80%的六氟化硫气体被应用于气体绝缘开关设备中，电力行业每年六氟化硫的排放量达到了8100吨，而据美国《科学新闻》网站2019年12月4日的报道，到2019年底，全球化石燃料燃烧排放的二氧化碳排放量将达到368亿吨，相较于2018年的365.7亿吨仍有显著增长。虽然六氟化硫的年排放量远低于二氧化碳，但是鉴于六氟化硫远超于二氧化碳的全球变暖潜势值，以及其在大气中超长的生命周期，六氟化硫对气候变暖的贡献仍然值得我们给予相当的关注和重视。因此，对六氟化硫的科学回收和处理，以及积极寻找替代气体已经刻不容缓。
 

 

随着全球气候变暖以及极端气候频发，应对温室效应带来的全球灾难已经得到越来越多国家的认同和重视。作为重要温室效应气体之一的六氟化硫理所当然也成为了国际社会关注的焦点。为了满足国际社会对环保的要求，六氟化硫的部分重要应用行业已经开始通过技术改进和升级停止使用这一温室气体。比如，电子制造业、大气示踪已经基本放弃使用六氟化硫，而在金属熔炼方面也开始将新型混合气体逐渐替代六氟化硫的使用。但是电力电气行业作为六氟化硫最大的消耗行业，对其环保的关注度仍然有限，甚至现阶段电力电气行业仍在大幅提升和扩充对六氟化硫设备的使用。

 

温室效应导致南极变暖，企鹅们脚下的冰层融化后成了泥泞，这无疑将对企鹅的生存造成威胁 （Yahoo网）

 

据英国广播公司报道，预计到2030年，全球六氟化硫交换设备的使用量将增加75%，由此导致每年外泄的六氟化硫气体数量十分惊人。以欧盟为例，仅2017年外泄的六氟化硫气体所带来的温室效应就与673万吨二氧化碳气体相当，这也相当于一年新增130万辆汽车的碳排放量。2014年欧盟就曾计划出台政策禁止六氟化硫的使用，但是遭到了电力产业界的强烈反对和游说，最后以不了了之收场。在联合国气象和环保部门的强势介入下，世界各国达成协议并规定：发达国家必须每年向联合国详细报告六氟化硫的使用情况，而发展中国家则不受此限制。但实际上大气中六氟化硫的含量比报告中要高出10倍，欧盟计划在2020年对六氟化硫进行重新评估和审查，确认是否有新的绿色环保替代品，但是环保政策专家和研究者普遍认为，即使到2025年，欧盟也难以对六氟化硫出台任何实质性的禁令。

现阶段，全球应对六氟化硫的温室效应挑战主要包括三个途径：分解、回收和寻找替代产品。
 

（1）回收和重复利用。现阶段，国内的六氟化硫的回收产品数量和种类都较多，但是实际利用率则较低，甚至部分企业和机构根本没有配置相关回收装置，六氟化硫的废气也基本都是一放了之或经过简单的吸附过滤进而排放到大气中，而经过科学处理送回生产厂商进行再生处理的则少之又少。
 

（2）分解。六氟化硫作为一种人工合成的具有稳定化学性质的非二氧化碳气体，其生命周期相当长，自然清理机制主要通过光解和沉降实现，但是其参与自然循环的机制以及对环境的长期影响仍然有待进一步观察和研究。目前六氟化硫的分解主要包括电弧分解、电晕火花及放点场景下的分解、高温分解。这三种分解方式中只有高温分解效果相对较好，其他两种分解方式并不彻底。值得注意的是，六氟化硫分解的重要前提是能够回收和重复利用，这些回收的六氟化硫气体可以灵活的选择可靠的方式进行分解，但是对于直接泄露到大气中的六氟化硫则无能为力，现阶段也没有有效的搜寻收集方法和技术。
 

（3）六氟化硫的替代气体。现阶段学术界开发的可替代六氟化硫的气体主要包括六氟化硫的混合气体、全氟化碳类气体、三氟碘甲烷（CF3I）、Novec绝缘气体、全氟酮类化合物。六氟化硫的混合气体能延长六氟化硫的工业使用寿命，但是不能从根本上解决其温室效应问题。全氟化碳类气体绝缘性能虽然良好，但是GWP仍然较高，且也具有较高的液化温度，应用局限性较大。三氟碘甲烷及其混合气体兼具环保性和绝缘性，液化温度也相对较低，应用前景较好。Novec绝缘气体的绝缘性和灭弧性能达到六氟化硫同等水平，环保性远超六氟化硫，有望在高压断路器、电流互感器等产品率先应用。全氟酮类气体虽然单一气体绝缘性能远超六氟化硫，但液化温度过高，适用范围也必然会受到很大限制。究竟采取哪一种或哪一类气体来替代六氟化硫，学术界和工业界仍然没有定论，但专家普遍认为无论采用哪一种替代方案，都需要强有力的政策和法规支持，否则电力行业很难轻易放弃六氟化硫这一绝佳的兼具绝缘性和灭弧性的气体。
 

应对全球气候变暖刻不容缓，鉴于六氟化硫超强的全球变暖潜势和超长的生命周期，学术界、工业界以及全球各国政府亟待勠力同心，从人类长远利益出发，从人类命运共同体的大局观出发，共同应对六氟化硫的温室效应挑战。