电 减碳技术——六氟化硫气体替代

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一、基本特征

SF6由卤族元素中最活泼的氟（F）原子与硫（S）原子结合而成。分子结构是个完全对称的八面体。SF6分子量为146，约是空气分子量的5.1倍，因此同样体积的SF6气体比空气重得多。SF6是强电负性气体，它的分子极易吸附自由电子而形成质量大的负离子，削弱气体中碰撞电离过程，因此其电气绝缘强度很高，SF6的电气强度约为空气的2.5~3倍，灭弧能力更高达空气的100倍以上。SF6气体绝缘的全封闭开关设备比常规的敞开式高压配电装置占地面积小得多，且其运行不受外界气象和环境条件的影响。由于SF6气体具有优良的灭弧性能和绝缘性能以及良好的化学稳定性，它从20世纪50年代末开始被用作高压断路器的灭弧介质。在超高压和特高压断路器中，SF6作为灭弧介质，已完全取代绝缘油和压缩空气而成为唯一的断路器灭弧介质。SF6作为良好的气体绝缘体，还被广泛用于电子、电气设备的气体绝缘。电子级高纯六氟化硫是一种理想的电子蚀刻剂，广泛应用于微电子技术领域，还可用作氮准分子激光器的掺加气体，在气象、环境检测及其他部门用作示踪剂、标准气或配制标准混合气等。应用十分广泛。

SF6是迄今为止最为优良的气体绝缘介质和灭弧介质，在电力、石油、航空航天等领域得到了广泛的应用。但是，SF6是一种很强的温室气体，其温室效应指数是CO2的23900倍，大气中的存在寿命长达3200年，1997年签订的《京都议定书》中明确将其列为限用或禁用的温室气体。寻找环境友好的SF6替代气体成为近年来国内外研究的热点，采用环保气体作为绝缘介质的电气设备将成为未来的发展趋势。

二、技术现状

针对SF6替代气体，国际国内开展了广泛研究，日本、法国、墨西哥等国的高校，ABB、ALSTOM、西门子等企业开展了SF6替代气体及相关设备研究。国内上海交大、西安交大、武汉大学、华北电力、中科院等，以及国家电 、南方电 也相继开展研究工作。

目前主要研究的替代气体有三类：常规气体(空气、N2和CO2)、SF6混合气体和强电负性气体及其混合气体。针对三类气体除了气体本身的理化性质，还进行了电气性能方面的试验和理论探究。首先是从试验数据直观了解不同气体的绝缘性能和灭弧性能。理论方面主要从微观层面分析气体的分子结构评估气体的绝缘性能，结合局部热动力学方程计算微观粒子的热动力学参数，判断气体的灭弧性能，并与SF6进行比较，为替代的可能性提供理论支撑。除此之外，气体的分解性能的研究，也是评估气体在设备中使用的安全性和自恢复性能的重要内容。

SF6-N2 混合气体：能够有效降低绝缘气体液化温度，使之适用于高寒地区；混合N2后，绝缘强度仍能维持在相对较高的水平；缓解纯SF6对尖端放电敏感的问题。由于混合N2后，气体绝缘强度有所下降，因此要相应地提高混合气体压力，以达到与SF6同等的绝缘水平；不适合用作大容量断路器的熄弧介质，通常作为绝缘使用。SF6-N2混合气体在代GIL、C-GIS中已经得到了广泛应用。国家电 公司正推广在GIS上使用30%SF6-70%N2作为母线中的绝缘介质。

图 SF6/CO2混合气体断路器

SF6-CO2混合气体：CO2气体灭弧性能优于空气，但远低于SF6；根据零点俱乐部（current zeroclub）的研究 道，CO2气体为目前高压设备最具前景的灭弧与绝缘介质或主要成分；在考虑需要开断大容量电流的场合中，SF6-CO2混合气体应用较为广泛。

SF6-CF4混合气体：SF6和CF4都是电负性气体，混合后绝缘及灭弧性能都优于SF6与N2 或CO2混合；ABB公司推出了额定电压550kV、开断电流40 kA的SF6/CF4断路器并在多尔西换流站稳定运行；由于CF4本身是温室气体，其GWP高达6300，仍然属于京都议定书中明确限制使用的温室气体，因此SF6-CF4混合气体出发点仍然是降低液化温度，在环保性上并无优势。

采用SF6混合气体能够一定程度上较少SF6用量，但不能彻底解决SF6存在的温室效应问题。

八氟环丁烷（ c-C4F8）：c-C4F8在本世纪初一度被认为是最有可能的SF6替代介质。c-C4F8的绝缘强度是SF6的1.25~1.31倍，GWP为8700，SF6的36%，无毒不燃、化学性质稳定。2001年，日本电力中央研究所及东京大学共同建议将c-C4F8作为绝缘介质应用于电气设备中来取代SF6；2004年，美国国家标准局则建议将c-C4F8-N2混合气体作为中长期SF6替代介质展开持续研究。80%比例的c-C4F8混合气体能达到与SF6相当的绝缘水平；c-C4F8属于全氟化碳类气体，GWP高达8700，本身依旧是京都议定书中限制使用的温室气体；液化温度高达-8℃，需要与N2、CO2等常规气体混合，混合后绝缘性能下降明显，且放电分解后会析出碳单质，于绝缘不利。

全氟丙烷（ C3F8）：C3F8也被广泛认为是一种可行的SF6替代方案；C3F8 绝缘强度与SF6相当，且液化温度较低，为-37℃。20%的C3F8与80%的N2组成的混合气体具有最好的表现，能有效降低GWP，且它的绝缘强度接近于20%SF6与80%N2混合气体的绝缘强度；C3F8也属于全氟化碳类气体，依然面临着被限制使用可能性。

三氟碘甲烷（ CF3I ）：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，温室效应指数与CO2相当，远低于SF6；对臭氧层没有破坏潜能。CF3I安全无毒，在灭火和制冷领域已经得到认证和使用，分解产物中C3F6和CH3I是有毒的，会引起呼吸道不适。

元素组成中含有卤族元素F和I，预示着CF3I分子具有很强的电子吸附能力，有望获得良好的绝缘性能。2007和2011年，墨西哥、日本高校举行了微观参数研究，日本、法国研究机构，以及我国重庆大学开展了击穿电压、绝缘性能研究。纯CF3I气体的绝缘强度约为SF6的1.2倍，与缓冲气体混合一定比例后能达到与SF6同等的绝缘水平；

g3 气体（ C4F7N+CO2混合气体）：2014年，法国阿尔斯通（ASTOM）从美国3M 公司制冷剂目录中筛选出了一种名为Novec? 4710（C4F7N）的气体。这种气体的绝缘性能是同等条件下SF6的2.2倍以上，同时GWP又远低于SF6气体。受困于液化温度较高的问题（沸点为-4.7℃），ALSTOM不得不将Novec? 4710与CO2混合使用。混合后气体的绝缘强度仍能达到同等条件下SF6的87%~96%，可以作为绝缘和灭弧介质应用于72kV以上电压等级的断路器。

C5/C6 气体（ C5F10O/C6F12O+CO2混合气体）：2014年，瑞士ABB 提出使用以全氟酮类化合物（PFK）C6F12O 和C5F10O为电负性成分的混合气体作为SF6替代物；C5/C6耐电强度是SF6的2倍以上，但它们的液化温度却分别高达26℃和49℃。也就是说，在常温常压下这些气体就将液化。因此，混合气体中全氟酮所占的分压势必不能超过1个标准大气压；ABB已开发出采用C5混合气体为绝缘介质的35kV中压开关柜。

常规气体：常规气体指空气、N2、CO2等自然界本身存在的气体。其优点是化学性质稳定，无毒不燃，不存在环保性问题，制备成本低廉，液化温度远低于SF6。但其绝缘及灭弧性能差，即使提高充气压力，也无法满足高压设备的使用要求，在中低压领域比较有应用前景。

三、 发展趋势

从研究来看，迄今为止，仍没有一种单一气体或者气体混合物能在理化性质、耐电强度以及灭弧性能等方面全面替代SF6；常规气体的绝缘和灭弧性能较差，可应用的电压等级及开断容量都较低；SF6混合气体只能作为短期替代方案，不能从根本上解决SF6存在的环境问题。

CF3I、C4F7N、C5F10O等特种气体具有较大的应用潜能，但相关研究仍不充分，尤其是复杂电场下的分解产物、灭弧性能等方面仍大量工作有待开展。开展CF3I、C4F7N、C5F10O等特种气体的绝缘性能、灭弧性能、分解产物、材料相容性研究；开展高电压等级、大容量真空开断技术研究；开展气-固复合绝缘技术研究，拓展常规气体在中高压设备中的应用空间；进一步合成、探索新型环保绝缘气体。

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