六氟化硫氣體絕緣或?qū)⒈惶娲?/h4>

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、充氣柜、氣體絕緣斷路器和氣體絕緣管道母線等，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%。

聯(lián)合國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、歐盟、英國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2/3CO2。大氣中的SF6氣體的含量以每年8.7%的速度增長CF4，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。

從20世紀(jì)70年代各國學(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。

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。

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，不改變設(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。

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)成本也相對增加，不利于大范圍的推廣使用。

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對不均勻電場較敏感等問題。目前SF6混合氣體研究主要包括空氣、N2、CO2、N2O、[4]以及一些惰性氣體。

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。

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。

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的臨界場強(qiáng)為437Td（1Td= 1017V·cm2），大于純SF6（SF6為360Td）。

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。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臨界擊穿場強(qiáng)為338Td，認(rèn)為其絕緣性能與SF6相當(dāng)。墨西哥學(xué)者DeUrquijo J. 計(jì)算了C2F6臨界擊穿場強(qiáng)為304Td，約為SF6的0.84。

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。

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。

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[3]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較低，液化溫度也不是這三種氣體的優(yōu)勢，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。

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