六氟化硫替代气体研究进展综述
邓云坤;马仪;陈先富;张少泉;陈晓云;肖登明汩汩滔滔
【摘 要】采用气体绝缘的电气设备,通常都使用六氟化硫(SF6)气体作为绝缘介质.然而,SF6是一种很强的温室气体,其对全球气候变暖的影响程度是二氧化碳(CO2)的23900倍.随着全球范围对温室气体排放的管控日益严苛,SF6存在的环境问题逐渐成为制约我国乃至全球电网绿色发展的重要因素.因此,寻找到电气性能与之相当且环境友好的SF6替代气体成为近年来国内外研究的热点.本文从绝缘性能角度介绍了国内外SF6替代气体的研究现状及最新的研究进展,为我国SF6替代气体的研究工作提供有益的参考.
【期刊名称】《云南电力技术》
【年(卷),期】2017(045)002
【总页数】5页(P124-128)
【关键词】SF6替代气体;温室效应;气体绝缘;研究进展
【作 者】蜡笔小黑邓云坤;马仪;陈先富;张少泉;陈晓云;肖登明
【作者单位】云南电网有限责任公司博士后工作站,昆明 650217;云南电网有限责任公司电力科学研究院,昆明 650217;云南电网有限责任公司电力科学研究院,昆明 650217;云南电网有限责任公司电力科学研究院,昆明 650217;云南电网有限责任公司电力科学研究院,昆明 650217;上海交通大学电气工程系,上海 200030
【正文语种】中 文
【中图分类】TM621.8
六氟化硫气体是电网中应用最为广泛的气体绝缘介质和灭弧介质。每年生产的 SF6气体约 有 80% 被 应 用 于 电 力 工 业 领 域[1]。 随 着 SF6气体使用量的不断增加，大气中 SF6的含量增加了一个数量级[2]。目前，全球每年排放的 SF6气体总量相当于 1.25 亿吨二氧化碳（CO2），并且还在以每年 10% 的速度继续增长[3,4]。SF6作为一种对环境有很大危害的温室气体，其以100 年为基准的全球增温潜势（Global Warming Potential, GWP）值约为 CO2的 23900 倍，并且由于 SF6的化学性质极为稳定，一旦泄漏基本不会自然分解，
对全球气候变暖的影响具有累积效应[5,6]。在电力系统中减少、限制甚至禁止使用SF6气体是未来电网装备发展的必然趋势。
绝缘性能优于 SF6或者与 SF6相当的绝缘气体都存在GWP较高或者液化温度过高的缺点。而对环境友好的气体，如 CO2、N2等，则由于电负性太弱或不具有电负性，导致气体的绝缘强度过低而无法用于高压电气设备中。。
1.1 SF6混合气体
为有暗香来近年来，关于 SF6混合气体的研究工作取得了一些进展[9-13]。目前来看，在各种 SF6混合气体中，SF6-N2最有工业应用前景。研究表明，SF6含量为 50% 的 SF6-N2混合气体在均匀电场中的耐电强度能达到纯 SF6的 85% 左右，并且由于混合气体的优异值比纯 SF6高，因此对电极表 面 缺 陷 及 导 电 微 粒 的 敏 感 度 更 低[14]。ABB、西门子等公司已相继开发出了使用 SF6-N2混合气 体 作 为 灭 弧 和 绝 缘 介 质 的 断 路 器[15-17]。 但 是由于混合气体的灭弧能力都远逊于纯 SF6，并且混合后气体的绝缘强度下降，反而需要增大压强以保证绝缘强度，这对设备的防泄漏水平提出了更高的要求，对于在 GIS 中使用 SF6混合气 体 一 直 持 比 较 谨 慎 的 态 度[18]。 此 外 ， 在 这 些混合气体中，SF6的含量仍
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然比较高（＞30%），这并不能达到降低 SF6排放的目的。
寻找到绝缘性能与之相当且环境友好的 SF6替代气体才是最为彻底和有效的解决方法。
写雨的作文1.2 全氟化碳类气体（PFC）
全氟化碳（PFC）是碳氢化合物中的氢原子被氟原子取代后形成的一类化合物，最早于20世纪中叶即研制成功作为化工、生物等领域的应用材料。在全氟化碳类气体中，八氟环丁烷（c-C4F8）、全氟丙烷（C3F8）及其混合气体尤其引起了研究人员的广泛关注。
c-C4F8常 温 下 为 无 色 无 味 的 气 体， 化 学 性质 稳 定 ， 无 毒 不 然[19]。c-C4F8对 环 境 的 影 响 远远小于 SF6，其臭氧破坏潜能（Ozone Depletion Potential，ODP） 为 零， 且 GWP 为 8700， 仅为 SF6的 36%[20]。 更 为 重 要 的 是，c-C4F8作 为一种强电负性气体，其绝缘强度远高于 SF6，而且 对 电 极 表 面 粗 糙 度 敏 感 性 低[21]。 然 而 ， 纯 净的 c-C4F8气体在电力设备中的应用存在着极大的局限性。根据不同的文献报道，c-C4F8的沸点为 -6℃或 -8℃，液化温度过高的缺陷极大的限制了纯 c-C4F8气体的适用范围。为解决这一问题，通常的做法是考虑在 c-C4F8中混合缓冲气体，如 CO2、N2和 CF4等来降低其液化温度。
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2001 年，日本研究人员研究了 c-C4F8-N2、c-C4F8-air 和 c-C4F8-CO2混合气体在稍不均匀电场和不均匀电场情况下的击穿特性，并共同建议将 c-C4F8作为绝缘介质应用于电气设备中来取代 SF6[22]。此后相继从微观放电参数及宏观击穿特性等方面对 c-C4F8的绝缘性能展开了研究，并取得一些进展[23-25]。国内则有上海交通大学、西安交通大学、中科院电工所等高校和研究机构开展了理论或实验研究，分析了 c-C4F8及其混合气体用于电气设备中的可行性[26-28]。
全氟丙烷（C3F8）气体是全氟碳化物的一种，一般用作制冷剂或刻蚀气体，多用于微电子工业和医学方面。通常状况下，C3F8是一种无色、低毒、不燃气体，具有非常好的化学稳定性和热 稳 定 性。 从 环 保 的 角 度 来 看，C3F8的 GWP是 CO2的 7000 倍，远小于 SF6，且在大气中的存在时间 (2600 年 ) 也短于 SF6(3200 年 )。近年来，国际上从微观的电子参数和反应速率方面对 C3F8 的 绝 缘 性 能 做 了 大 量 的 研 究[29-31]。 苏黎世大学的 Koch，Dahl 和 Frank，日本的一些研究学者和来自欧洲的其他研究学者对纯 C3F8以及 C3F8与 N2、CO2和一些其他气体的混合物的绝缘特性进行了工频试验以及冲击电压试验研究[32-36]。在各类混合气体中，20% 的 C3F8与80%的N2组成的混合气体具有最好的绝缘表现，这种混合气能有效降低 GWP，且它的绝缘强度接近于 20%SF6-80%N2混合气体
的绝缘强度[37]。
然 而， 由 于 c-C4F8和 C3F8虽 然 表 现 出 不俗的绝缘性能，但它们属于全氟化碳类气体（PFCs），仍是规定的全球限制使用的温室气体，并且这一类气体的沸点通常都较高，在实际应用中存在很大的局限性。
听课反思怎么写1.3 CF3I气体
小蓝车怎么收费近年来，受一些制冷剂（如氟氯昂）耐电强度远超 SF6的启示，研究人员逐渐将视角转向制冷材料领域。
三 氟 碘 甲 烷（CF3I） 气 体 是 近 年 来 引 起 国内外广泛关注的一种环保型绝缘气体。它无色、无味、无嗅、不燃，化学性质稳定，具有良好的油溶性和材料相容性，被认为是传统氟利昂制冷剂组元以及灭火材料 “哈龙 ”的理想替代品之一，联合国环保署已将其列入了有希望的替 代 制 冷 剂 目 录[38]。 从 元 素 组 成 来 看 ，CF3I 气体由最活泼的卤族元素氟（F）、碘（I）以及碳（C）结合而成。由于卤族元素极易捕捉电子，因此 CF3I表现出了很强的电子吸附能力，这将有助于抑制电子崩的形成与发展，进而提高气体的绝缘强
度。同时，由于C原子与三个F原子的诱导效应使得碳原子附近的电子云密度大幅度下降，增强了C碳原子的电负性，使其电负性比I碘原子更强。
CF3I 分子为 195.1，是 SF6的 1.34 倍，因而同体积、同压力的 CF3I气体比 SF6气体重。同时，CF3I在 1 个标准大气压下的沸点为 -22.5℃，这表明 CF3I气体在温度低于 -22.5℃时就将由气态向液态转化。因此，在环境温度较低的情况下使用 CF3I时要注意增温保暖，使其维持在气体态。环境特性方面，CF3I是一种对环境极其友 好 的 气 体 ， 其 GWP 几 乎 和 CO2相 当[39-41]。根据文献 [41]对 CF3I红外线及长波紫外线的吸收 特 性 来 看，CF3I的 GWP 约 为 CO2的 1 到 5倍， 远 小 于 SF6。 同 时， 由 于 CF3I 分 子 结 构 中C-I化学键容易在太阳辐射的作用下发生光解，导致 CF3I在大气中的存在时间很短（＜2 天）。这一特点极大地限制了 CF3I气体向同温层的移，因此，尽管含有卤族元素氟和碘，CF3I也不会对臭氧层造成破坏。尤其是在中纬度地区，由于人类工业生产活动释放的 CF3I对环境的影响甚至远远小于自然环境本身产生的碘代碳化物，比 如 CH3I等。基 于 以 上 结 论， 研 究 人 员 认 为CF3I的臭氧破坏潜能（ODP）小于 0.008，甚至低于 0.0001，通常情况下都忽略不计。
2007 年以来，墨西哥国立自治大学先后对CF3I、CF3I-N2和 CF3I-SF6混合气体在 100～850Td（1Td=1×10-17Vcm2）范围内的电离系数、附着系数、电子漂移速度和径向扩散系数进行了测量，从微观放电参数角度分析了 CF3I混合气体相对于 SF6的绝缘强度[42,43]。2009 年，日本北海道大学测量了 CF3I气体的第一、第二电离系数以及电子漂移速度，指出 CF3I是一种优良的蚀刻气体 和 绝 缘 介 质[44]。 击 穿 试 验 方 面， 日 本 东 京 大学于 2006 年采用 200kV 阶跃脉冲对 CF3I-N2和CF3I-air 混合气体在稍不均匀场下的闪络电压和伏秒（V–t）特性进行了研究。所得到的试验结果 表 明，CF3I 的 绝 缘 性 能 是 纯 SF6的 1.2 倍，CF3I-N2和 CF3I-air混合气体的闪络电压随 CF3I气体比例线性增加，当 CF3I气体含量达到 60%时，绝缘强度能达到纯 SF6水平[45]。2008 年，东京电机大学采用标准雷电冲击实验测量分析了 CF3I-CO2混合气体在球球电极下的冲击特性。结果显示，60%～100% 比例的 CF3I-CO2混合气体，其绝缘强度超过纯 SF6气体。研究人员指出 30%～70% 比 例 的 CF3I 混 合 气 体 能 用 于 GIS中 取 代 SF6[46]。2009 年 ， 法 国 国 家 科 学 研 究 院（CNRS）对 CF3I-N2混合气体在准均匀场下的直流击穿特性进行了研究。试验结果表明，当气压与极间距离的乘积（Pd）在 0～0.2MPa_mm之间变化时，纯 CF3I气体的击穿电压始终高于SF6，但 CF3I-N2混合气体的击穿电压与 CF3I 气体含量成
正比例关系，并没有表现出如 SF6-N2混合气体中所出现的协同效应[47]。2014 年，英国卡迪夫大学采用棒板、板板和同轴圆柱电极对 30% 比例的 CF3I-CO2混合气体在雷电冲击作用下的绝缘强度进行了测试，指出 CF3I混合气体可用于 GIL 中替代 SF6作为绝缘介质，并建议 对 10% 和 20% 比 例 的 CF3I-CO2混 合 气 体 作进 一 步 的 深 入 研 究[48]。 我 国 近 年 来 也 相 继 有 高校和研究机构对 CF3I的绝缘性能展开了研究。[49-52]。
