替代气体的研究现状

6.1.2.1 国外的研究现状

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）。

Kyoto大学研究了应用c C4F8作为高压设备绝缘介质的可行性。实验结果表明c C4F8混合物的大部分性能和SF6/N2混合物的性能相近，指出c C4F8是一种有可能取代SF6的绝缘气体。德国学者用脉冲汤逊（PT）实验测试了在电场强度下，c C4F8的电子漂移速度、有效电离系数与压强的关系。日本Keio大学测试了纯c C4F8和混合气体的电子漂移速度和电子纵向扩散系数。测试结果显示电子和c C4F8分子间的非弹性碰撞过程比较强。J.L.Moruzzi等计算了C3F8的碰撞电离和电子吸附系数。S.R.Hunter等计算了脉冲汤逊实验条件下CF4、C2F6、C3F8和n-C4F10的电子漂移速度，第一次在低电场下获得这些混合物的漂移速度。P.Pirgov等测试了C2F6和C3F8以及它们和Ar混合气体的电子漂移速度和扩散运动率，并获得了整个振动非弹性和冲量传输弹性电子和C2F6及C3F8的碰撞截面。H.Okubo等测量了C3F8、C2F6和N2混合气体在交流电场作用下非均匀电场中的放电和击穿特性。J.de Urquijo等用脉冲汤逊实验研究了C2F6/Ar和C2F6/N2混合物的电子漂移速度、纵向扩散系数和有效电离系数。c C4F8混合气体作为绝缘介质的应用已引起了国内外电力和环境相关专家的重视：1997年美国国家标准和技术协会技术会议上把c C4F8混合气体列为未来应该长期研究的有潜力的绝缘气体；2001年日本东京电力工业中心研究机构和东京大学提出了应用c C4F8气体及其混合气体作为绝缘介质。日本东京大学研究了2～10mm间隙下c C4F8气体及其混合气体的交流击穿电压。

近些年来，国外有研究学者提出一种新的环保型绝缘气体——三氟碘甲烷（CF3I）。这种气体的GWP值与CO2气体相当，在环境中的寿命只有1～2天。2007年以来，国际上的研究人员不断在高水平国际刊物上发表关于CF3I绝缘特性和灭弧性能的研究报道。理论仿真结果和实验数据都表明，CF3I绝缘强度大约为SF6的1.23倍以上，综合考虑环境因素，CF3I极有可能在未来作为SF6的替代气体投入实际应用。

墨西哥著名的等离子体专家J.de Urquijo采用脉冲汤逊放电实验对CF3I、CF3I/N2和CF3I/SF6混合气体在100～850Td范围内的电离系数α、吸附系数η、漂移速度Ve和纵向扩散系数NDL进行了测量，并根据有效电离系数（α-η）/N随E/N的变化曲线获得气体临界击穿场强数据，并根据这些数据对CF3I及其混合气体的绝缘性能进行了分析。PT实验结果表明，CF3I的临界击穿场强为437Td，远大于SF6的临界场强。这意味着CF3I在绝缘性能上要优于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就能达到纯SF6的水平。日本东京大学的研究人员K.Hidaka等采用200k V阶跃脉冲对CF3I/N2和CF3I/Ar混合气体的闪络电压和伏秒特性进行了研究。所得到的实验结果表明，CF3I的绝缘性能是纯SF6的1.2倍，当与N2混合比例达到60%时，混合气体的绝缘强度基本和SF6相当。东京电机大学研究了应用CF3I作为高压设备绝缘介质取代SF6的可行性。2008年，他们采用标准雷电冲击实验分析测量了CF3I、CF3I/N2和CF3I/CO2混合气体的击穿电压特性以及电流开断能力。实验结果表明，纯CF3I的击穿电压为SF6的1.2倍以上，其中60%～100%比例的CF3I/CO2混合气体，其绝缘强度超过纯SF6气体，且电流开断能力达到SF6的70%左右。研究人员指出30%～70%比例的CF3I混合气体能用于GIS中取代SF6。除了采用实验手段对CF3I的绝缘性能和灭弧特性进行研究之外，东京电机大学的研究人员还从电子输运参数的角度对CF3I的输运特性进行了计算分析。M.Kimura等采用稳定汤逊放电（SST）实验对纯CF3I在300～1000Td范围内的电离系数和吸附系数进行了测量，指出CF3I的有效电离系数随E/N线性变化，并导出其临界场强约为440Td，远大于SF6。

6.1.2.2 国内的研究现状

我国对于SF6替代气体的研究也渐渐得到重视。上海交通大学肖登明课题组从2006年起已全面开展SF6替代气体的研究工作，并在潜力替代气体c C4F8和CF3I的绝缘特性研究方面得到一定成果。我们对c C4F8混合气体在均匀电场环境下进行了汤逊放电的试验和蒙特卡罗模拟，并在较小的间隙（2-5mm）下进行了非均匀电场的放电试验，初步掌握了c C4F8混合气体的放电特性。同时采用脉冲汤逊放电法测量N2、CO2、CF4、c C4F8、N2O和CHF3电子崩电流波形，分析了气体电子崩中可能发生的扩散、电离、附着、去附着和转化过程，并得出有效电离系数与分子数密度N的比值和漂移速度Ve。2013年起，我们采用基于稳态汤逊实验方法的玻耳兹曼方程对CF3I及其与N2、CO2、Ar、He、Ne及Xe等混合气体的电子输运参数进行了计算，进而对其绝缘性能进行了分析。与此同时，我们对CF3I及其混合气体在各种不同电场环境下的击穿特性进行了宏观试验研究。

此外，中国科学院电工研究所、西安交通大学和重庆大学也相继开展了SF6替代气体的研究工作。2012年，中国科学院电工研究所李康对c C4F8/N2混合气体的局部放电特性及在典型故障时的分解产物进行了试验研究，指出c C4F8气体含量在15%～20%的c C4F8/N2混合气体的绝缘性能满足电气设备使用要求。2013年，西安交通大学李兴文通过玻耳兹曼方程计算了CF3I与CF4、CO2、N2、O2和空气二元混合气体的电子输运参数，分析了混合气体的绝缘性能。同年，重庆大学张晓星对CF3I与N2、CO2混合气体的局部放电特性进行了试验研究，指出与混合气体的气压比值为20%～30%的CF3I/N2或CF3I/CO2混合气体有可能代替SF6气体，用于气体绝缘设备。

综上所述，寻找优良环境指标的SF6替代绝缘气体的研究在国内外仍处于起步阶段。而要真正将新型环保绝缘气体用于电气绝缘设备中取代SF6，仍有许多问题有待解决，尤其是绝缘气体在不同气体比例、复杂电气环境下的击穿特性及微观放电参数，目前仍缺乏相关的试验数据，不利于工程实践的开展。