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　　SF6因其較強(qiáng)的絕緣性能和滅弧能力廣泛應(yīng)用于氣體絕緣設(shè)備中，如氣體絕緣封閉組合電器（Gas Insulated Switchgears, GIS）、充氣柜（Cubic type Gas Insulated Switchgears, C-GIS）、氣體絕緣斷路器（Gas Circuit Breaker, GCB）和氣體絕緣管道母線（GasInsulated Line, GIL）等，其中高壓開關(guān)設(shè)備的用氣量約占SF6用氣量的80%以上，中壓開關(guān)設(shè)備的用氣量約占10%。

　　第八屆電工技術(shù)前沿問題學(xué)術(shù)論壇征文通知.pdf

    隨著電力行業(yè)的發(fā)展SF6的使用量飛速上漲[1]。SF6氣體絕緣設(shè)備的調(diào)試、檢修以及氣體的泄露和回收都會(huì)使得SF6進(jìn)入大氣環(huán)境中。然而，SF6氣體被公認(rèn)為一種對(duì)大氣環(huán)境有較大危害的溫室氣體，其溫室效應(yīng)潛在值（Global Warming Potential, GWP）是CO2的23 900倍，在大氣中的存活壽命為3 400年[2]。

　　聯(lián)合國(guó)氣候變化公約締約方在1997年簽訂的《京都議定書》中，將SF6列為六種限制性使用的溫室氣體之一，并要求限制SF6的使用。美國(guó)、歐盟、英國(guó)和日本政府均與電力公司合作，提出一系列減少溫室氣體排放的措施，且美國(guó)加州提出從2020年開始逐年降低電氣領(lǐng)域SF6使用量，歐盟計(jì)劃在2030年將SF6排放量縮減到2014年的2/3[3]。大氣中的SF6氣體的含量以每年8.7%的速度增長(zhǎng)[4]，到目前為止，SF6氣體占溫室氣體總排量已經(jīng)超過15%，因此尋找環(huán)境友好型的SF6替代氣體作為絕緣介質(zhì)用于電氣設(shè)備刻不容緩。

　　SF6在大功率電弧、火花放電和電暈放電作用下會(huì)發(fā)生不同程度的分解，生成各種低氟硫化物（SFx，x=1, 2, 3, 4, 5），如果SF6氣體絕緣裝備內(nèi)部同時(shí)存在微量的H2O和O2等雜質(zhì)成分，其分解物還會(huì)進(jìn)一步與之發(fā)生反應(yīng)，生成如SO2F2、SOF2、SO2、HF和H2S等組分氣體[5-9]，這些分解氣體有不同程度的毒性，給電力從業(yè)者帶來安全隱患[10]。因此SF6的削減和替代是電力行業(yè)急需解決的問題，同時(shí)具有極大的環(huán)境效益和社會(huì)效益。

　　從20世紀(jì)70年代各國(guó)學(xué)者便開始尋找環(huán)境友好型氣體，探究不同氣體和絕緣性能并分析替代SF6的可行性。目前主要研究的替代氣體有三類：常規(guī)氣體（空氣、N2和CO2）、SF6混合氣體和強(qiáng)電負(fù)性氣體及其混合氣體。

　　針對(duì)三類氣體除了氣體本身的理化性質(zhì)，還進(jìn)行了電氣性能方面的試驗(yàn)和理論探究，試驗(yàn)測(cè)量不同工況下（直流、交流和沖擊電壓）替代氣體的局部放電特性、擊穿特性和滅弧特性等表征絕緣能力的參數(shù)，并分析不同替代氣體的絕緣性能受到氣壓、電場(chǎng)均勻度和電極間距的影響，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)直觀了解不同氣體的絕緣性能。

　　理論方面主要從微觀層面分析氣體的分子結(jié)構(gòu)，計(jì)算氣體的碰撞截面參數(shù)，再通過求解玻耳茲曼方程或者蒙特卡洛模擬方法進(jìn)一步計(jì)算電場(chǎng)評(píng)估氣體的絕緣性能，結(jié)合局部熱動(dòng)力學(xué)方程計(jì)算微觀粒子的熱動(dòng)力學(xué)參數(shù)（比熱、質(zhì)量密度和焓值）和輸運(yùn)參數(shù)（擴(kuò)散系數(shù)、粘性系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和電導(dǎo)率），判斷氣體的滅弧性能，并與SF6進(jìn)行比較，為替代的可能性提供理論支撐。微觀參數(shù)的計(jì)算比較復(fù)雜且受到多種因素的影響，計(jì)算的準(zhǔn)確性和合理性還需要經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證。

　　本文分析了三種類型替代氣體的研究現(xiàn)狀總結(jié)現(xiàn)有的研究成果，從理化性質(zhì)、絕緣性能、滅弧特性、機(jī)理研究以及工程應(yīng)用等方面進(jìn)行了詳細(xì)的歸納總結(jié)，并指出了不同替代氣體的局限和適用范圍。最后結(jié)合當(dāng)前研究現(xiàn)狀和存在的問題，指出替代氣體未來研究的趨勢(shì)和發(fā)展的前景。

　　1  常規(guī)氣體

　　常規(guī)氣體主要為干燥空氣、N2、CO2以及相應(yīng)的混合氣體，由于常規(guī)氣體理化性質(zhì)比較穩(wěn)定，制備成本較低，液化溫度遠(yuǎn)低于SF6，且有較低的溫室效應(yīng)，應(yīng)用于氣體絕緣設(shè)備中的前景受到較大關(guān)注。

　　日本日立公司研究發(fā)現(xiàn)氣壓為0.5MPa空氣的絕緣強(qiáng)度大于純N2和CO2，與N2/O2（O2體積分?jǐn)?shù)為20%）絕緣強(qiáng)度相當(dāng)，并指出0.6MPa下空氣的絕緣強(qiáng)度為SF6/N2（SF6體積分?jǐn)?shù)為5%）的95%[11]。日本名古屋大學(xué)研究了CO2混合N2、O2、He和空氣的電流開斷能力，研究發(fā)現(xiàn)30% CO2混合O2或He擊穿后殘余電弧的電導(dǎo)下降更快，開斷能力明顯提高[12]。日本AE電力公司研究了空氣和N2在棒-板電極下的局部放電和擊穿特性，兩者的局部放電起始電壓幾乎相同但空氣的擊穿電壓大于純N2[13]。

　　法國(guó)圖盧茲大學(xué)的Yousfi等計(jì)算了CO2、N2和O2及其混合氣體的電子崩參數(shù)，比較了CO2混合N2和O2的臨界場(chǎng)強(qiáng)，為分析絕緣特性提供了理論基礎(chǔ)[14]。東京電力公司對(duì)CO2和N2進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，探究非標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓下的擊穿特性和伏秒特性，分析替代SF6應(yīng)用于GIS中的可能性[15,16]。

　　ABB公司的P. C. Stoller等研究了CO2在斷路器中的滅弧能力，并與空氣和SF6進(jìn)行比較，CO2的滅弧能力優(yōu)于空氣，有可能替代SF6，但需要優(yōu)化斷路器的結(jié)構(gòu)[17]。挪威科技大學(xué)的N. S. Aanensen等測(cè)試了空氣對(duì)440A、630A和880A電流的開斷能力，分析了觸頭和噴嘴尺寸以及空氣流速對(duì)開斷能力的影響[18]。

　　常規(guī)氣體與固體相結(jié)合的絕緣方式也有一定的研究成果，在電極表面添加固體絕緣涂料，增加設(shè)備的絕緣能力，日本試圖將高氣壓的N2與固體絕緣材料結(jié)合應(yīng)用在GIS中，不改變?cè)O(shè)備的尺寸的條件下，采用1.0MPaN2與固體絕緣材料結(jié)合可以替代0.5MPa的SF6[19]。日本明電舍公司研究了空氣、N2與固體復(fù)合絕緣材料在開關(guān)設(shè)備中的應(yīng)用，電極添加固體涂料可以使擊穿電壓提高到原來的1.5倍[20]。

　　日本東芝三菱輸配電株式公社采用CO2與固體絕緣材料結(jié)合的方法設(shè)計(jì)并制造了72.5～31.5kV等級(jí)的CO2氣體絕緣開關(guān)柜，經(jīng)過測(cè)試結(jié)果滿足絕緣需求[21]。韓國(guó)忠北國(guó)立大學(xué)試驗(yàn)研究空氣與硫化硅橡膠組合絕緣的雷電沖擊擊穿特性，組合絕緣的擊穿電壓高于純干燥空氣，為組合絕緣應(yīng)用于GIS、GIL以及GCB等設(shè)備提供了基本的數(shù)據(jù)支持[22]。

　　常規(guī)氣體雖然性質(zhì)穩(wěn)定，在部分中低壓設(shè)備中作為絕緣介質(zhì)可以替代SF6，但是氣體分子吸附電子的能力遠(yuǎn)小于SF6，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度小于SF6的40%。在設(shè)備中使用常規(guī)氣體一般要增大氣壓同時(shí)增大電氣設(shè)備的尺寸，造成設(shè)備占地面積增加，經(jīng)濟(jì)成本也相對(duì)增加，不利于大范圍的推廣使用。

　　2  SF6混合氣體

　　20世紀(jì)70年代，SF6混合氣體作為絕緣介質(zhì)的研究逐漸展開，當(dāng)時(shí)首要目的是為了解決高寒地區(qū)SF6氣體容易液化、SF6氣體價(jià)格昂貴以及SF6對(duì)不均勻電場(chǎng)較敏感等問題。目前SF6混合氣體研究主要包括空氣、N2、CO2、N2O、CF4以及一些惰性氣體。

　　溫莎大學(xué)學(xué)者于20世紀(jì)70年代在均勻和不均勻電場(chǎng)下施加直流、交流和脈沖電壓研究SF6與空氣，N2O和N2混合氣體的擊穿特性。SF6/N2（SF6含量在50%～60%）混合氣體介電強(qiáng)度可達(dá)到SF6的85%～90%，且可以提高在極不均勻電場(chǎng)下的脈沖和交流擊穿強(qiáng)度，運(yùn)行氣壓可以比SF6極限壓強(qiáng)高600kPa，800kV輸電線路的混合氣體成本為SF6的21%[23]。

　　美國(guó)西屋電氣公司L. E. Kline等通過求解玻耳茲曼方程電子能量分布，計(jì)算SF6及其混合氣體（He和N2）的電離系數(shù)、附著系數(shù)和極限擊穿場(chǎng)強(qiáng)，在理論上分析了SF6及與He和N2混合氣體替代SF6的可能性[24]。進(jìn)入20世紀(jì)80年代，A. Lee等研究SF6和其混合氣體在滅弧室的開斷能力，評(píng)估了十五種氣體以及混合氣體60Hz交流電的滅弧性能，結(jié)果表明這些參與測(cè)試的氣體及混合氣體滅弧性能均低于SF6[25]。

　　印度科學(xué)研究所R. S. Nema等給出計(jì)算SF6及其混合氣體在均勻和不均勻場(chǎng)強(qiáng)下的擊穿電壓的公式，并提供了計(jì)算不同SF6混合物（N2、空氣、N2O，其中SF6含量為5%～100%）擊穿電壓對(duì)應(yīng)的系數(shù)[26]。溫莎大學(xué)的R. S.Safar等研究了負(fù)極性脈沖電壓不均勻電場(chǎng)下SF6與N2、空氣和CO2混合氣體的擊穿特性，三種混合氣體中SF6/CO2擊穿電壓最高甚至略高于純SF6[27]。

　　西安交通大學(xué)的邱毓昌帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)SF6與空氣、N2O、N2和CO2等的混合氣體在不同電場(chǎng)條件下的絕緣特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究[28]并與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家合作先后開發(fā)了SF6混合氣體絕緣變壓器、電容器以及開關(guān)柜等電力設(shè)備。SF6混合氣體作為絕緣介質(zhì)的電力設(shè)備也在實(shí)際工程得到了應(yīng)用，德國(guó)西門子公司研發(fā)的世界上第一條SF6/N2混合氣體GIL于2001年在瑞士日內(nèi)瓦國(guó)際機(jī)場(chǎng)投入運(yùn)行[29]，目前SF6/N2混合氣體GIL已成功應(yīng)用在245～550kV線路中。

　　基于直流高壓設(shè)備在電力系統(tǒng)建設(shè)中的需求逐漸增高，華北電力大學(xué)李慶民、王健等學(xué)者建立了直流電壓同軸圓柱電極下金屬微粒在SF6/N2混合氣體中的運(yùn)動(dòng)模型，為研究微粒對(duì)SF6/N2混合氣體絕緣性能的影響提供研究基礎(chǔ)[30]。西安交通大學(xué)的張喬根等對(duì)SF6/N2混合氣體進(jìn)行了研究和分析，并提出一種新的計(jì)算和衡量協(xié)同效應(yīng)的方法，并發(fā)現(xiàn)混合氣體的低氣壓下負(fù)極性雷電沖擊的擊穿電壓和高氣壓下正極性雷電沖擊的擊穿電壓出現(xiàn)負(fù)協(xié)同效應(yīng)[31]。

　　研究發(fā)現(xiàn)CF4具有突出的滅弧性能[32]，因此與SF6混合氣體的絕緣性能也受到關(guān)注。韓國(guó)仁荷大學(xué)的學(xué)者C. H. Hwang等試驗(yàn)研究了SF6/CF4混合氣體在25.8kVGIS中的擊穿特性[33]。韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)的學(xué)者S. H. Lee等比較了N2、SF6和CF4在低溫下高壓套管內(nèi)的擊穿特性，CF4液化溫度較低且高寒環(huán)境中表現(xiàn)出較突出的絕緣特性[34]。

　　上海交通大學(xué)的肖登明團(tuán)隊(duì)對(duì)SF6/CF4混合氣體微觀參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，通過蒙特卡洛模擬SF6/CF4混合氣體放電的電子崩參數(shù)，討論了混合CF4后SF6電子崩參數(shù)的變化[35,36]。西安交通大學(xué)趙虎和李興文等對(duì)SF6/CF4混合氣體擊穿特性展開研究，通過求解玻耳茲曼方程求解冷態(tài)氣體和熱態(tài)氣體的電子能量分布、電離和吸附反應(yīng)系數(shù)得到折合臨界場(chǎng)強(qiáng)，判斷混合氣體的擊穿特性[37,38]。

　　M. J. Pinheiro等通過兩項(xiàng)近似求解玻耳茲曼方程得到SF6與He、Xe、CO2和N2混合氣體的有效電離系數(shù)和臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)四種混合氣體SF6與N2混合氣體的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)最高[39]。日本九州大學(xué)的K. Tomita等研究了20%SF6與80%Ar混合氣體在斷路器中的開斷能力，分析了電弧熄滅的發(fā)展過程并測(cè)量滅弧過程中的電子密度，混合氣體電弧的熄滅速度大于純Ar[40]。

　　西安交通大學(xué)的王偉宗、榮命哲等計(jì)算了高壓斷路器中300～3 500K高溫下SF6與He混合氣體的有效電離系數(shù)和臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)，混合氣體具有較好的開斷能力歸因于He原子本身具有較高的比熱和熱導(dǎo)率[41]。

　　SF6混合氣體在絕緣電氣設(shè)備的推廣和使用可以一定程度減少SF6氣體的使用量和排放量，但是不能徹底避免SF6的使用，無法從根本上解決溫室效應(yīng)問題。SF6混合其他氣體后液化溫度會(huì)降低，具有一定的工程意義，但是SF6混合氣體絕緣性能和滅弧性能都有不同程度的下降，其適用范圍受到局限。

　　3  電負(fù)性氣體及其混合氣體

　　3.1  電負(fù)性氣體

　　除上述常規(guī)氣體和SF6混合氣體外，一些物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、絕緣強(qiáng)度高且溫室效應(yīng)較低的電負(fù)性氣體在電氣領(lǐng)域中的研究取得一些成果。一些氫氟碳化物（Hydrofluorocarbons, HFCs）和全氟化碳（Perfluorocarbons, PFCs）氣體因其優(yōu)良的介電特性、較強(qiáng)的電負(fù)性和相對(duì)較低的溫室效應(yīng)而被關(guān)注。常見的電負(fù)性氣體有CF3I、c-C4F8、C3F8和C2F6等。表1為幾種氣體的特性參數(shù)[42]。

　　表1  氣體的特性參數(shù)

　　近些年，CF3I作為一種性能穩(wěn)定的典型電負(fù)性氣體受到絕緣介質(zhì)研究領(lǐng)域的關(guān)注，CF3I氣體在理化性能、熱力學(xué)性質(zhì)以及電氣性能方面都表現(xiàn)突出。墨西哥學(xué)者De Urquijo J. 通過脈沖湯森實(shí)驗(yàn)研究了CF3I的電子漂移速度，有效電離系數(shù)和臨界電場(chǎng)強(qiáng)度等參數(shù)。研究表明純CF3I的電子漂移速度要略低于SF6，且純CF3I的臨界場(chǎng)強(qiáng)為437Td（1Td= 10◆17V·cm2），大于純SF6（SF6為360Td）[43]。

　　法國(guó)Laplace實(shí)驗(yàn)室Cressault計(jì)算了CF3I的平衡組成、熱力學(xué)性質(zhì)（質(zhì)量密度、焓值和定壓比熱）和傳輸特性（電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和粘度）并與SF6進(jìn)行對(duì)比。計(jì)算結(jié)果證實(shí)CF3I和SF6的導(dǎo)熱率接近，CF3I在傳導(dǎo)熱量和滅弧方面可以達(dá)到與SF6的水平；純CF3I和CF3I混合氣體的電導(dǎo)率都要低于純SF6，這也證實(shí)了CF3I及其混合氣體具有較強(qiáng)的絕緣能力，相對(duì)SF6更容易抑制放電的產(chǎn)生和發(fā)展[44]。

　　東京電機(jī)大學(xué)研究人員通過在球-球間隙下施加標(biāo)準(zhǔn)雷電沖擊電壓，純CF3I的擊穿性能是SF6的1.2倍左右[45]。東京大學(xué)武田敏信等研究了純CF3I與聚四氟乙烯界面上沖擊電壓下的絕緣特性，CF3I的第一次沿面閃絡(luò)電壓是SF6的1～1.2倍，之后降到SF6的0.6倍左右并保持，界面上有碘固體析出影響絕緣性能[46]。碘的出現(xiàn)可能導(dǎo)致介電強(qiáng)度的下降：經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間多次（1 300次）高壓擊穿，CF3I的閃絡(luò)電壓下降11%[47]。

　　東京大學(xué)對(duì)比了波頭時(shí)間為16ns、峰值為200kV的沖擊電壓下CF3I與SF6在不同均勻度電場(chǎng)下的伏秒特性，結(jié)果表明電場(chǎng)利用率越高，CF3I的伏秒特性越好；在低電場(chǎng)利用率下，SF6的伏秒特性更佳[48]。相比SF6氣體，CF3I氣體的伏秒特性受電場(chǎng)不均勻程度影響更嚴(yán)重[45]。

　　日本九州工業(yè)大學(xué)使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）研究了不同放電量下局部放電CF3I分解產(chǎn)物的組成以及變化趨勢(shì)。發(fā)現(xiàn)CF3I局部放電分解產(chǎn)生C2F6、C2F4、C2F5I、C3F8、CHF3、C3F6和CH3I等產(chǎn)物，其中CH3I是放電累積到一定時(shí)間后出現(xiàn)的氣體。分解產(chǎn)物中C2F6含量最高，其次是C2F4，其他的產(chǎn)物含量極少，CF3I局部放電后并不能完全恢復(fù)到原始狀態(tài)[49]。

　　重慶大學(xué)學(xué)者通過密度泛函理論對(duì)常溫常壓下含有微量水分的CF3I放電分解過程進(jìn)行仿真分析，研究表明水的存在會(huì)破壞CF3I自身的動(dòng)態(tài)平衡，降低其絕緣性能[50]。

　　日本京都大學(xué)的宅間董（Takuma Tadasu）等對(duì)c-C4F8氣體的絕緣性能進(jìn)行了探索，發(fā)現(xiàn)純凈的c-C4F8氣體在均勻電場(chǎng)下的絕緣性能是SF6氣體的1.18～1.25倍，但該氣體液化溫度較高無法在低溫高海拔地區(qū)使用[51]。

　　中國(guó)電力科學(xué)研究院電工研究所研究了c-C4F8的局部放電特性，證實(shí)純c-C4F8氣體的局部放電起始電壓是純SF6氣體的1.3倍左右[52]；同時(shí)研究了c-C4F8在局部過熱、局部放電、火花放電及電弧放電等故障下的分解產(chǎn)物，并對(duì)故障生成物的危害性進(jìn)行了探討[53]。

　　20世紀(jì)80年代，J. C. Devins研究了C3F8和C2F6等多種電負(fù)性氣體的擊穿電壓，認(rèn)為C3F8絕緣性能大于C2F6[54]。上海交通大學(xué)學(xué)者基于穩(wěn)態(tài)湯森（Steady State Townsend, SST）采用兩項(xiàng)近似方法求解玻耳茲曼方程，使用修正的碰撞截面計(jì)算了C3F8臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)為338Td，認(rèn)為其絕緣性能與SF6相當(dāng)[55]。墨西哥學(xué)者DeUrquijo J. 計(jì)算了C2F6臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)為304Td，約為SF6的0.84[56]。

　　CF3I和c-C4F8絕緣性能可達(dá)到SF6的1.2倍以上，表現(xiàn)出較大的替代潛力，C3F8和C2F6絕緣性能略低于SF6，且受到氣壓、溫度等因素的影響較大。由于純電負(fù)性氣體普遍具有相對(duì)較高的液化溫度（尤其是CF3I、c-C4F8和C3F8），使得難以直接獲得應(yīng)用，必須與液化溫度較低的緩沖氣體混合使用。

　　3.2  電負(fù)性氣體混合氣體

　　緩沖氣體一般選擇為N2或CO2，這兩種氣體性質(zhì)穩(wěn)定，液化溫度分別為◆196℃和◆78℃，與電負(fù)性氣體混合后可極大的改善液化溫度性能。

　　日本名古屋大學(xué)的Y. Yokomizu等對(duì)CF3I/CO2高溫等離子體進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)溫度低于10 000K條件下，CF3I/CO2的電導(dǎo)率隨CF3I增加而提升，在7 000K左右，其熱導(dǎo)率與CF3I有關(guān)；當(dāng)CF3I在混合氣體的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于0.9后，其電弧電導(dǎo)率下降，滅弧能力增強(qiáng)[57]。

　　東京電機(jī)大學(xué)試驗(yàn)研究雷電沖擊電壓下球-球電極的50%擊穿電壓，CF3I/CO2中CF3I含量為60%時(shí)，其絕緣強(qiáng)度可以達(dá)到純SF6水平，30%/70%的CF3I/CO2混合氣體絕緣強(qiáng)度為純SF6的0.75～0.8倍，隨著CF3I體積分?jǐn)?shù)的增加，CF3I/CO2混合氣體的擊穿強(qiáng)度呈線性增長(zhǎng)[58]。

　　法國(guó)格勒諾布爾大學(xué)研究人員使用球-球電極模型模擬準(zhǔn)均勻電場(chǎng)測(cè)試CF3I/N2混合氣體的直流擊穿絕緣特性。相同比例下，CF3I/N2擊穿電壓比SF6/N2低，隨著CF3I混合比的增加，CF3I/N2混合氣體的直流擊穿電壓呈近似的線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而SF6/N2呈現(xiàn)出非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)[59]。

　　華北電力大學(xué)的屠幼萍通過直流擊穿試驗(yàn)證明30%/70%的CF3I/N2與20%/80%的SF6/N2的絕緣性能相當(dāng)[60]。重慶大學(xué)學(xué)者實(shí)驗(yàn)探究了CF3I/N2的擊穿特性及受氣壓和電場(chǎng)均勻度的影響程度，指出氣壓0.3MPa時(shí)30%CF3I與70%N2混合可以作為絕緣介質(zhì)運(yùn)用在絕緣要求不高的中壓電力設(shè)備中[61]。

　　東京大學(xué)使用相同沖擊電壓在電場(chǎng)利用系數(shù)為0.89、間距為10mm的球-板電極下對(duì)CF3I/N2及CF3I/空氣等混合氣體的伏秒特性進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：CF3I氣體的混合比達(dá)到60%時(shí)，CF3I/N2及CF3I/空氣混合氣體的伏秒特性與SF6氣體近似相同[48]。

　　重慶大學(xué)學(xué)者研究了混合比、壓強(qiáng)、電極間距等因素對(duì)CF3I/N2和CF3I/CO2兩種混合氣體工頻局部放電特性的影響規(guī)律，并與相同條件下SF6及其混合氣體進(jìn)行了對(duì)比分析，研究結(jié)果表明：N2、CO2等緩沖氣體可以降低混合氣體的液化溫度，CF3I/CO2混合氣體的局部放電起始電壓是相同條件下SF6/CO2的0.9～1.1倍，CF3I體積分?jǐn)?shù)為30%～70%的CF3I/CO2混合氣體PD性能達(dá)到純SF6的0.74倍左右，CF3I體積分?jǐn)?shù)為20%的CF3I/N2混合氣體的工頻局部放電起始電壓達(dá)到相同條件下SF6/N2混合氣體的0.92～0.94倍。CF3I/CO2混合氣體表現(xiàn)出良好的協(xié)同效應(yīng)，協(xié)同效應(yīng)值為0.53[2,62-64]，并分析了CF3I/CO2混合氣體運(yùn)用在C-GIS中替代SF6的可行性[65]。

　　東京電機(jī)大學(xué)研究人員研究了CF3I/CO2和CF3I/N2混合氣體在開斷近區(qū)故障（Short Line Fault, SLF）和斷路器端部故障（BreakerTerminal Fault, BTF）中的開斷性能，CF3I/CO2混合氣體的開斷性能表現(xiàn)出協(xié)同效應(yīng)，而CF3I/N2混合氣體協(xié)同效應(yīng)不明顯，CF3I的混合比例達(dá)到20%時(shí)，CF3I/CO2混合氣體的SLF開斷性能可以達(dá)到純CF3I的95%；CF3I/N2（30%/70%）的BTF開斷性能是SF6的0.32倍，而相同CF3I含量的CF3I/CO2混合氣體BTF開斷性能可以達(dá)到純CF3I的水平[66,67]。

　　墨西哥學(xué)者Urquijo證實(shí)相同含量下，CF3I/CO2混合氣體的電子漂移速度要低于CF3I/N2[43]。上海交通大學(xué)的肖登明教授通過求解玻耳茲曼方程在SST試驗(yàn)條件下證實(shí)CF3I與Ar、Xe、He、N2及CO2混合氣體中CF3I/N2臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)最大，CF3I/CO2次之[42]；CF3I含量超過70%的CF3I/N2和CF3I/CO2混合氣體電子漂移速度隨電場(chǎng)的變化趨勢(shì)與SF6接近，含量為75%的CF3I/CO2或CF3I/N2的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)可以達(dá)到純SF6水平[68]。

　　西安交通大學(xué)電力設(shè)備與電氣絕緣國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室計(jì)算出了CF3I/N2和CF3I/CO2不同比例下混合氣體的有效電離系數(shù)和臨界場(chǎng)強(qiáng)，結(jié)果表明，當(dāng)CF3I的體積含量大于65%時(shí)，CF3I/N2的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)高于同比例SF6/N2，當(dāng)CF3I的體積含量大于40%時(shí)，CF3I/CO2的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)高于同比例SF6/CO2[69]。

　　日本京都大學(xué)的學(xué)者對(duì)c-C4F8與N2、空氣和CO2混合氣體在球-板電極和針-板電極下的絕緣性能展開討論并研究其應(yīng)用于GIL的可能性，在準(zhǔn)均勻電場(chǎng)下，三類c-C4F8混合氣體的絕緣強(qiáng)度與SF6/N2接近，而在均勻電場(chǎng)下，甚至要高于SF6/N2，且c-C4F8與N2、空氣和CO2混合均呈現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)[70]。

　　國(guó)內(nèi)上海交通大學(xué)的肖登明團(tuán)隊(duì)對(duì)c-C4F8與N2、CO2、N2O、CHF3和CF4等緩沖氣體的混合氣體進(jìn)行了絕緣特性和放電機(jī)理的綜合研究，利用SST實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量了該種c-C4F8混合氣體的電子崩電流，確定了有效電離系數(shù)和臨界電場(chǎng)強(qiáng)度，并與SF6及其混合氣體進(jìn)行比較。

　　研究表明，c-C4F8/N2、c-C4F8/CO2和c-C4F8/CF4混合氣體的絕緣強(qiáng)度隨c-C4F8混合比的增加幾乎呈線性增長(zhǎng)，c-C4F8/N2與SF6/N2的工頻絕緣強(qiáng)度相近，c-C4F8/CO2和c-C4F8/N2兩種混合氣體交流絕緣強(qiáng)度的最優(yōu)混合比分別為10%和20%；當(dāng)溫度環(huán)境為0℃以上時(shí)，c-C4F8/N2和c-C4F8/N2O比c-C4F8/CO2和c-C4F8/CF4更有優(yōu)勢(shì)，當(dāng)溫度環(huán)境為◆20℃以上時(shí)，固定c-C4F8體積含量比為10%則c-C4F8/N2O/N2絕緣性能優(yōu)于相同比例的c-C4F8/CO2/N2和c-C4F8/CO2/N2O；但c-C4F8在放電分解中會(huì)析出碳原子，降低了氣體絕緣介質(zhì)的絕緣性能[71-74]。20%C4F8與80%N2混合氣體的局部放電性能與同比例的SF6/N2混合氣體的局部放電性能相當(dāng)，c-C4F8與N2局部放電性能具有協(xié)同效應(yīng)，協(xié)同系數(shù)約為0.45[52]。

　　日本京都大學(xué)從擊穿和局放的角度對(duì)C3F8/N2混合氣體和C2F6/N2混合氣體進(jìn)行了研究，并與SF6/N2混合氣體進(jìn)行了對(duì)比分析，C3F8/N2和C2F6/N2混合氣體的協(xié)同效應(yīng)低于SF6/N2混合氣體[75]。

　　東京市電力公司對(duì)C3F8和C2F6與N2或CO2的混合氣體擊穿特性進(jìn)行了研究，研究表明20%C3F8與80%N2混合比氣體表現(xiàn)出較好的特性[76]。西安交通大學(xué)對(duì)常溫和高溫C3F8混合氣體進(jìn)行了計(jì)算研究，發(fā)現(xiàn)常溫下C3F8/N2具有較好的絕緣性能且遠(yuǎn)優(yōu)于其他緩沖氣體和C3F8的混合物，但在高溫下C3F8的介電性能低于SF6[77]。

　　除此之外，阿爾斯通公司已研制出代號(hào)為g3的替代氣體，阿爾斯通在2015年漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上展示了世界上首臺(tái)使用綠色氣體g3替代SF6設(shè)計(jì)的高壓電氣設(shè)備。g3氣體主要由3M公司生產(chǎn)的Novec4710電子氟化液和CO2混合而成，與SF6相比，該氣體可將溫室效應(yīng)減小98%。

　　交流電壓下，將145kV GIS中的純SF6氣體替換成氣壓高于SF6氣體0.1MPa的g3氣體，絕緣強(qiáng)度可以接近SF6水平，g3氣體也在420kV的GIL中被應(yīng)用實(shí)踐[78]。ABB公司探索C5F10O和C6F12O全氟酮類替代SF6氣體的可行性[79]，但兩種絕緣物質(zhì)的液化溫度較高（分別為25℃和49℃），使用可能會(huì)受到限制。

　　緩沖氣體加入后CF3I不僅降低液化溫度，還可以抑制其分解過程，CF3I混合一定比例的CO2后絕緣性能依然可達(dá)到CF3I的水平，甚至超過相同比例下的SF6混合氣體。CF3I混合氣體具有較大的應(yīng)用前景，但目前并沒有工程實(shí)踐應(yīng)用，針對(duì)其放電機(jī)理、混合氣體的分解特性、滅弧性能以及受到外界條件的影響程度還需要進(jìn)行深入的研究和探討。

　　盡管c-C4F8、C3F8和C2F6相對(duì)于SF6的GWP值低，引起的溫室效應(yīng)也不可忽略，且混合氣體絕緣性能相對(duì)較低，液化溫度也不是這三種氣體的優(yōu)勢(shì)，替代潛力遠(yuǎn)小于CF3I混合氣體，因此目前相關(guān)研究的報(bào)道較少。g3氣體、C5F10O和C6F12O目前處于研究初步階段，其更多的性質(zhì)和應(yīng)用前景需要進(jìn)一步的研究和探索。

　　4  結(jié)論

　　本文綜述了SF6替代氣體的研究現(xiàn)狀，分析了常規(guī)氣體、SF6混合氣體和電負(fù)性氣體的研究成果，重點(diǎn)闡述了電負(fù)性氣體CF3I的特性和研究現(xiàn)狀，總結(jié)目前SF6替代氣體研究的主要結(jié)論：

　　1）常規(guī)氣體在實(shí)際工程取得一些應(yīng)用成果，高氣壓的N2和空氣作為絕緣介質(zhì)可適用于中低壓設(shè)備中，CO2具有一定的滅弧能力，但是開斷容量有限適用于電壓等級(jí)不高的設(shè)備。

　　2）SF6混合氣體基本可以滿足絕緣性能，SF6混合N2后降低了液化溫度適用于高寒地區(qū)，已經(jīng)作為絕緣介質(zhì)成功應(yīng)用于GIL中，但是不能完全限制SF6的使用和排放。

　　3）電負(fù)性氣體的液化溫度普遍較高，限制其使用范圍，混合緩沖氣體后整體的絕緣性能有不同程度的下降。目前對(duì)于電負(fù)性氣體都處于研究階段并沒有工程實(shí)踐。

　　4）電負(fù)性氣體分解之后的固體析出（碳和碘）會(huì)一定程度地降低絕緣性能，目前除了用特定的吸附劑解決沒有其他新的技術(shù)手段限制固體的析出保持氣體的絕緣特性。

　　對(duì)于SF6替代氣體的研究趨勢(shì)：

　　1）現(xiàn)有替代氣體單一使用會(huì)有局限性，未來絕緣氣體的使用或采用多元混合和氣體固體相結(jié)合的方式。

　　2）目前對(duì)于替代氣體的絕緣性能取得了一定的成果和工程實(shí)踐，而對(duì)于滅弧能力并沒有較大的突破，進(jìn)一步探索替代氣體的滅弧性能是未來研究的重點(diǎn)。

　　3）對(duì)于電負(fù)性氣體及其混合氣體在不同工況下、存在缺陷和微水的分解特性還需進(jìn)一步研究，探索其分解機(jī)理以及氣體之間的相互作用，確保其應(yīng)用于工程實(shí)踐的安全性。

　　4）替代氣體用于電氣設(shè)備需要在現(xiàn)有設(shè)備的結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化，以滿足不同的絕緣需求。

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