六氟化硫氣體絕緣或?qū)⒈惶娲?/h4>

SF6因其較強的絕緣性能和滅弧能力廣泛應用于氣體絕緣設備中，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)設備的用氣量約占SF6用氣量的80%以上，中壓開關(guān)設備的用氣量約占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域SF6使用量，歐盟計劃在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)用于電氣設備刻不容緩。

從20世紀70年代各國學者便開始尋找環(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混合氣體和強電負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，液化溫度遠低于SF6，且有較低的溫室效應，應用于氣體絕緣設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)合應用在GIS中，不改變設備的尺寸的條件下，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與固體復合絕緣材料在開關(guān)設備中的應用，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小于SF6，導致絕緣強度小于SF6的40%。在設備中使用常規(guī)氣體一般要增大氣壓同時增大電氣設備的尺寸，造成設備占地面積增加，經(jīng)濟成本也相對增加，不利于大范圍的推廣使用。

20世紀70年代，SF6混合氣體作為絕緣介質(zhì)的研究逐漸展開，當時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，一些物理化學性質(zhì)穩(wěn)定、絕緣強度高且溫室效應較低的電負性氣體在電氣領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、較強的電負性和相對較低的溫室效應而被關(guān)注。常見的電負性氣體有CF3I、c-C4F8、C3F8和C2F6等。

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

20世紀80年代，J. C. Devins研究了C3F8和C2F6等多種電負性氣體的擊穿電壓，認為C3F8絕緣性能大于C2F6。上海交通大學學者基于穩(wěn)態(tài)湯森（Steady State Townsend, SST）采用兩項近似方法求解玻耳茲曼方程，使用修正的碰撞截面計算了C3F8臨界擊穿場強為338Td，認為其絕緣性能與SF6相當。墨西哥學者DeUrquijo J. 計算了C2F6臨界擊穿場強為304Td，約為SF6的0.84。

CF3I和c-C4F8絕緣性能可達到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用，必須與液化溫度較低的緩沖氣體混合使用。

電負性氣體混合氣體，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，絕緣強度可以接近SF6水平，g3氣體也在420kV的GIL中被應用實踐[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用前景，但目前并沒有工程實踐應用，針對其放電機理、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，替代潛力遠小于CF3I混合氣體，因此目前相關(guān)研究的報道較少。g3氣體、C5F10O和C6F12O目前處于研究初步階段，其更多的性質(zhì)和應用前景需要進一步的研究和探索。

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