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大千世界:拿捏了,人類社會為何依賴這種氣?

(芝加哥時報訊)在美劇《生活大爆炸》中,實驗物理學家萊納德讓女友佩妮吸入一口氣體後,佩妮的嗓音立即變得比男性更雄渾低沈。娛樂節目《快樂大本營》中也有類似情節,吸入一口氣體,軟妹子的聲音也會瞬間變得兄貴起來。

這種能讓人嗓音變低沈的氣體叫做六氟化硫,在自然界中並不常見,它比人類日常吸入的空氣,密度大接近5倍。所以當人類肺部吸入六氟化硫之後,聲音傳播的速度會變慢,聽上去也會變得渾厚許多。

不過,人類將之配制出來,目的可不是為了讓人變聲。而是利用其特殊的物理特性,應用於配電行業,是一種不可或缺的重要原料。我們手機中的電池同樣需要這種獨特的氣體。

現代生活背後的隱形守護者

經過奧斯特、安培等一系列學者的理論積澱,1831年,法拉第發現了電磁感應現象,為日後電力的大規模應用奠定了理論基礎。此後發電機、電動機、變壓器等電氣時代的關鍵設備,也被逐一髮明出來,並不斷改進。

 

1875年,法國巴黎建起了世界第一座火電廠,並成功為附近的電燈供電。1881年英國建立起世界第一座水電站。一年後,美國紐約珍珠街電場落成,標誌著發電廠從實驗性質的先鋒科技項目逐漸走向成熟。很快發電站在工業強國的大城市紛紛建立起來,現代生活也因為電力的出現而發生翻天覆地的變化

須臾不停的燈火,是能量在燃燒

在諸多電器中,僅僅是電燈普及這一項成就,便極大程度改變了人類的生活方式。在電燈發明前,蠟燭與煤油燈是最常見的照明工具,前者造價昂貴且亮度並不穩定,後者需要穩定的煤油供應而且容易引發火災。因為照明工具不堪用,人類依舊遵循著日出而作日落而息的生活習慣,並沒有真正的夜生活。

除了夜間照明,對光的需求滲透到我們社會的方方面面

比如檢查雞蛋是否新鮮,也需要光源輔助

在電燈出現之前也只能用蠟燭

 

電燈明亮、穩定且安全,一旦推廣開來,使用和維護成本會不斷降低,人類的作息得以突破自然的限制,加班、挑燈夜讀的基礎方能具備,並出現了真正的夜生活。電燈在今天看來即便已極其普通。卻已是我們文明的基石之一,符號化的電燈更是靈感、智慧、科技的象徵。

事實證明,只有電能帶來真正的夜生活

前提是電足夠便宜,而成本是靠整個系統來降低的

 


隨著現代化逐漸深入,電力的地位已不可動搖,在生活中應用場景也越來越廣泛,總耗電量也越來越大。1980年中國發電量為2854億千瓦時,到2020年發電量達到了74170億千瓦時,電力毫無疑問成為了當代中國正常運轉的基礎。

中國發電量已經多年超過驚人的七萬億千瓦時

但我們的能源結構仍然嚴重依賴火電和煤炭

當電力應用越來越廣泛,作為將電力輸送到終端用戶前的最後一環,配電行業也在蓬勃發展。隨著現代電路越來越複雜,管理電路的難度也大幅提升,用電事故的風險也愈發棘手。

觸電對於人類來說危險性極高,而電路中容易出現的短路、電弧等問題,又有引發火災的隱患。成功“馴化”能量極高且桀驁的電,是保障現代社會順利運轉的基石。

工作就是把他們理清楚

說到電弧,短路也好、斷開也罷,都會產生電弧,電弧中蘊藏的能量會導致高溫,甚至在一瞬間釋放。此類情況一旦發生便非常危險,不但影響設備的正常功能,也危害裝置本身。

當電壓過強,氣體發生電擊穿而持續形成等離子體

電流在此種狀態下可以通過絕緣體,即出現電弧

更可怕的是電弧具有不可預測性,往往令人猝不及防,突然出現很容易造成飛弧短路,給附近人員帶來電弧灼傷甚至危及生命。而短路過程中出現的高溫容易引發火災,甚至引發爆炸。

突然就著起來了

為什麼要替換掉六氟化硫

正因為意外的出現往往不可預測,在設計配電系統時,規避容易造成短路的設計,並設計專門的功能,在電弧尚未造成損失時熄滅電弧,就成了唯一可行的方案。而常用的手段是,在配電開關設備中,加入能夠迅速熄滅電弧的材料,即所謂滅弧介質和絕緣介質。

為了尋找高效且經濟的絕緣介質,人類曾經廣泛應用過油、固體、壓縮空氣、以及惰性氣體。隨著應用場景不斷變多,技術也在不斷更新換代。目前,在中壓配電設備中,應用最廣的便是六氟化硫。這種氣體無色、無味、無毒、不可燃,是作為絕緣介質的理想材料。

六氟化硫斷路器

六氟化硫並非自然界中天然存在的氣體,它是一種人工合成的氣體,而距離法國的兩位化學家Moissan和Lebeau第一次合成人造惰性氣體六氟化硫也不過一百年的時間。

六氟化硫氣體絕緣體分子

因為其作為滅弧介質的優良特性,40年前, 六氟化硫開始被廣泛應用於電力行業,其產量隨著世界發電量與耗電量的不斷攀升而上升,成為滅弧介質中越來越主流的選擇。

六氟化硫斷路器

如今僅僅是使用六氟化硫作為滅弧介質的中壓開關櫃就有3000萬套,而在萬家燈火背後,都離不開這種氣體廣泛應用做出的貢獻。除此之外,六氟化硫也被應用於其他領域。

比如在隔熱玻璃窗中添加六氟化硫

可以提高其隔熱和隔音性能

然而,六氟化硫本身雖然無毒,但是依舊會對環境造成巨大的壓力。因為它是一種非常強烈的溫室氣體,效果是二氧化碳的22800倍。1千克六氟化硫對氣候變化的影響相當於駕駛一輛汽車行駛約20萬公里,以每套開關櫃中平均1千克的六氟化硫量進行計算,3000萬套中壓開關櫃一旦出現維修、處理、回收不當,將為環境造成難以估量的影響。

沒想到連配電櫃都能改變地球

隨著氣候變化日益明顯,人類面臨的環保壓力越來越大,國家政策和國際社會也越來越關注環保。六氟化硫已成為《京都議定書》規定限制排放的六種溫室氣體之一。

 

另一方面,六氟化硫本身雖然無毒,但是在進行斷開操作的時候會產生一些有毒的副產物,所以在電器設備檢修的時候,需要用專門的設備回收、淨化六氟化硫中的雜質,這顯然增加了設備維修的成本。

而在報廢時,為了妥善處理六氟化硫,報廢處理費用約為設備本身價格的20%。減少它的排放、用對環境更加友好的產品逐步替代它,已經變成了一種必然的趨勢。

 

更清潔的未來

目前,電氣設備製造商都在尋找六氟化硫的替代方案。而施耐德電氣用了10年的時間,找到了一種新的、無毒無害的絕緣氣體,它就是乾燥空氣。他們將並聯真空開斷技術與乾燥空氣絕緣結合在一起,在滿足環保的同時,也可滿足電氣性能的要求,並能讓操作者保持原有的操作習慣不變。

 

這一方案擁有領先的技術,可以更好的保護操作人員及現場作業人員的人身安全。同時,因為利用乾燥空氣絕緣,所以既不需要回收廢氣,又減少了相關零件的數量,降低了維護和報廢成本,正因如此,這一技術路線的設備預期壽命會比六氟化硫安全櫃更長。

為了降低更換系統的學習成本,尊重用戶的使用習慣。不但設備與六氟化硫解決方案尺寸相近,操作方式也與六氟化硫三工位開關相同,具有一定的延續性。具備轉換成本低,企業與環境收益大的優勢。

這一代無六氟化硫中壓開關設備不僅僅更環保,同時也更智能。包含向複雜的分析工具提供數據傳感器。為智能化的資產管理,和物聯網的搭建創造基礎。

環保不止源自一些眾所周知的領域。一些不被消費端關注的細微之處,對環境保護的結果同樣起到至關重要的作用。

一個更加清潔、可持續的未來離不開生產端的自我革新和持續努力。而更綠色的未來,正是從一個個看似微小的細節之處發生改變,進而一點一點變成現實。

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