环保型绝缘气体的现状与发展

随着电力需求量的不断增长和环境保护日益受到人们的关注，迫切需要发展高电压、大容量和结构紧凑的高压电气设备，因而必须寻求不可燃、抗老化的优良绝缘材料。气体绝缘具有占用空间小，特别是在拥挤的城市中，对污染敏感度较低，运行维护成本低等优点。然而，绝缘气体对环境的影响也引起了越来越广泛的关注。

近百年来，地球气候正经历一次以全球变暖为主要特征的显著变化过程。这种全球性的气候变暖是由自然的气候波动和人类活动所增强的温室效应共同引起的。

温室效应是指大气中的CO2等气体能透过太阳短波辐射，使地球表面升温。同时阻挡地球表面向宇宙空间发射长波辐射，从而使大气增温。由于CO2等气体的这一作用与“温室”的作用类似，故称为“温室效应”，CO2等气体称为“温室气体”。温室气体能够吸收一部分经过地面发射的红外辐射，并且能够把吸收的热量反射回地面。目前，发现人类活动排放的温室气体有6种，它们是二氧化碳、甲烷、氧化亚氮、氢氟碳合物、全氟化碳、六氟化硫，这当中氟化物就有三种。其中CO2对温室效应影响最大，占60%，而SF6气体的影响仅占0.1%，但SF6气体对温室效应具有潜在的危害，这是因为SF6气体对温室效应的影响为CO2的24000倍（每单位质量），同时，排放在大气中的SF6气体寿命特长，约3200年，对全球变暖的影响具有累积效应。2015年11月9日世界气象组织发布的《温室气体公报》显示，1990年至2014年期间，温室气体对气候有升温效应的辐射强迫上升了36%，这是由于长寿命温室气体造成的。

温室效应引起的全球气候变暖会给人类的生存环境带来严重的威胁，并可能引起灾难性的后果，已成为国际关注的三大环境问题（臭氧层破坏、地球气候变暖和生物物种急剧减少）之一。近年来，国际社会广泛开展了全球性合作和努力，特别是1997年12月在日本京都召开的《联合国气候变化框架公约》第5次缔约国会议上，签署了《京都议定书》（Kyoto Protocol）。在该议定书中，确认了温室气体对全球气候变化的影响，明确了CO2、CH4（甲烷）、N2O、SF6、PFC（全氟烃类）、CFC（氯氟烃类）、HCFC（含氢氟烃类）和HFC（氢氟烃类）等温室气体的范围，并要求发达国家首先将温室气体的排放量冻结在20世纪90年代的水平，进而于2008—2012年期间在此冻结水平基础上将温室气体排放量削减5.2%，到2020年基本限制使用甚至禁止使用SF6气体。

现在全球每年生产的SF6气体中，约有80%用于电力工业。而在电力工业中，高压开关设备约占用气量的80%以上。其中中压开关的用气量约占1/10；主要是用在126～252k V的高压、330～800k V的超高压领域，特别是126～252～550k V的断路器（GCB）、SF6封闭式组合电器（GIS）、充气柜（C-GIS）、SF6气体绝缘管道母线（GIL）中。因此，合理、正确地使用管理SF6气体，已到了非整治不可的地步。

为了解决这些问题，科研人员在GIS中研究使用SF6的混合气体代替纯SF6气体。研究表明，在SF6中加入N2、CO2或空气等普通气体构成二元混合气体已显示出多方面的优越性。在相同的气体总压力情况下，SF6混合气体的液化温度比纯SF6气体低。因此在高寒地区的断路器，可采用SF6混合气体来代替纯SF6气体，以防止气体在低温下液化。另外在SF6中添加某些气体，可以减小电极表面的粗糙效应，对局部强电场的敏感度比纯SF6要小。可使极不均匀电场中正极性击穿电压明显提高。再者，使用SF6与常见气体如N2、CO2或空气构成的二元混合气体，可使气体成本大幅度降低，同时也降低了GWP值。然而，有文献对SF6/N2混合物的灭弧性能进行了研究，25%的N2含量时和纯SF6有相同的开断性能，而50%的N2含量时开断性能较差。因此，就SF6混合气体的开断性能来说，不能应用于高压断路器中。

对SF6/N2、SF6/CO2等混合气体的研究，其出发点是在保证一定耐电强度和改善绝缘性能的基础上，在一定程度上减少SF6气体的使用量，扩大SF6的应用环境。但是为了保证高的耐电强度和灭弧性能，SF6混合比一般不小于50%，而SF6混合气体的温室效应指数仍然是纯SF6气体的1/2以上，不能从根本上解决SF6的温室效应问题。

从长远的角度来看，不管是用混合气体替代纯SF6气体，还是采用保守的方法（如泄漏的检测、封堵、回收），只要还在使用SF6气体，就无法从根本上解决SF6气体对环境的危害。SF6的温室效应问题是一个不容忽视的全球问题，要彻底解决这一问题，则需要用温室效应较小而耐电强度与SF6相当的绝缘气体替代。

正如从SF6气体分子结构分析，SF6气体具有高的绝缘能力是因为它是一种强电负性气体。电负性气体的耐电强度都很高，其主要原因是其在低能范围内的附着截面比较大，易于附着电子形成负离子，而负离子的运动速度远小于电子，很容易和正离子发生复合，使气体中带电质点减少，因而放电的形成和发展比较困难。其次是这些气体的分子量和分子直径都较大，使电子在其中的自由行程缩短，不易积聚能量，因而减少了电子碰撞电离的能力。

所以，在研究新的绝缘气体替代SF6的工作中，应该选择电负性气体或卤化气体，实现高的绝缘能力，且具有较低的游离温度形成的高导热性能，以及复合截面大、低卤化成分的、环境友好的低GWP值（全球变暖潜值）特性。

近年来，国外对一些和SF6一样含有F原子的电负性气体进行了研究，它们有和SF6比较相近的电负性，但温室效应和SF6相比要小得多。研究得比较多的是八氟环丁烷（c-C4F8）、全氟丙烷（C3F8）、六氟乙烷（C2F6）。c-C4F8是一种无色、无味、无毒、非燃气体。c-C4F8分子是一个非平面的分子结构，其分子结构对称性很好，性质十分稳定，不容易与其他物质发生化学反应。全球变暖潜能值是SF6的1/3，对环境的影响远远小于SF6，无臭氧影响。研究表明，c-C4F8和N2、CO2、CF4三种混合气体在均匀电场下的绝缘强度和相应SF6混合气体相差不多，甚至在高混合比时越来越大于后者。两种混合气体，尤其是c-C4F8和CO2混合气体在不均匀电场下交流和雷电冲击绝缘强度高压时分别大于SF6/N2混合气体、SF6气体。

最新的研究发现，新一代环保气体CF3I比c-C4F8更具有替代潜能。CF3I是最近10年才被电力工业重点关注的气体，而对其绝缘性能的研究工作在国际上是最近几年才开始的。墨西哥和日本的课题组从2007年开始大量在Dielectrics and Electrical Insulation、IEEE Transactions和Journal of Physics D：Applied Physics等刊物上发表相关研究论文，并建议将CF3I作为SF6的替代物进行重点研究。上海交通大学肖登明课题组在IEEE Transactions和Japanese Journal of Applied Physics等刊物上发表相关研究论文，从物理性质、电气特性等多个角度对其进行分析，探讨CF3I及其混合气体用于GIS的可行性。

CF3I通常为无色无味的气体，对臭氧层没有破坏，其臭氧破坏潜能值（ozone depletion potential，ODP）为0，全球变暖潜能值（GWP）几乎和CO2相当。尽管CF3I中含有F和I，二者都属于卤族元素，从化学角度上来看会对环境和绝缘材料造成损害，但是最新的研究表明，CF3I对臭氧层和温室效应都不会产生影响。虽然所有到达大气同温层的碘都会加剧臭氧层的破坏，但是，由于CF3I容易在太阳辐射（甚至是可见光）的作用下发生光致分解，因此其在大气中的存在时间极短，这就限制了泄漏在大气中的CF3I往同温层的移动，尤其是在中纬度地区。因此，CF3I是一种绿色环保的气体，ODP和GWP都不是推广其使用的主要障碍。

虽然纯CF3I已经表现出对SF6良好的替代潜能，但我们仍要对CF3I混合气体进行研究，首先由于目前市场上CF3I的价格仍然还比较高，与普通气体混合之后，在保证绝缘的基础上能降低价格，更主要的原因则是CF3I的液化温度太高，希望混合缓冲气体之后能降低液化温度，增加CF3I的适用范围。

在绝缘性能方面，CF3I要优于SF6气体，同时在与N2混合比例达到70%的时候，CF3I/N2混合气体的绝缘强度基本上和纯SF6相当。实验结果表明，纯CF3I的击穿电压为SF6的1.2倍以上，CF3I/N2绝缘强度与气体混合比例呈线性关系，CF3I/CO2则是非线性增长。当与CO2的混合气体比例达到60%左右时，击穿电压达到纯SF6水平。

在全球环境问题极为严峻的形势下，寻找一种新的能够取代SF6的低温室效应气体显得尤为迫切。c-C4F8和CF3I等新型绝缘气体在绝缘强度和环境友好等方面展现出了优良特性，为SF6的替代问题带来了希望，但更加深入具体的研究仍然正在进行中，其过程中也出现一些需要解决的问题，因而离实际投入工业生产应用还有相当一段距离。随着气体放电研究的进一步深入和电力系统的不断发展，采用新型环保气体，将在提高电网输送效率、推进节能减排增效、优化环境资源利用等方面起到积极作用，成为未来电气工程学科发展的新方向。