全氟丙烷()

全氟丙烷气体是全氟碳化物（PFC）的一种，一般用作制冷剂或刻蚀气体，多用于微电子工业和医学方面。通常状况下，C3F8是一种无色、低毒、不燃气体，具有非常好的化学稳定性和热稳定性。C3F8的绝缘强度与SF6气体相当，且C3F8的GWP是CO2的7000倍，远小于SF6，且在大气中的存在时间（2-600年）也短于SF6（3-200年）。

我们采用基于SST方法的两项近似玻耳兹曼方程对C3F8及其混合气体的电子参数和反应速率进行了仿真计算，分析了C3F8及其混合气体的绝缘性能。

6.5.1.1 纯C3F8气体

图6-48为通过仿真计算得到的纯C3F8的α/N和η/N与E/N的关系。由图中可知E/N对电子与C3F8的碰撞电离反应和吸附反应具有较大的影响。纯C3F8的α/N随着E/N的增加而显著增大，而η/N随着E/N的增加呈现先增大后减小的趋势。这种趋势主要是由其电离截面和吸附截面的性质所决定的。

图6-48 纯C3F8的约化电离系数α/N、约化吸附系数η/N与约化电场强度E/N的关系

由电子输运相关理论可知，电子与气体的吸附反应有两种形式：一种是电子与气体分子碰撞使气体分子解离，生成一个或多个具有排斥力的负离子，形成解离的负离子片段，这种形式称为解离吸附过程，与气体压力无关；另一种则是电子被气体分子所捕获，生成具有正电子亲和能的具有吸引力的负离子，即“母负离子”，这种形式称为非解离吸附过程，会在一定程度上受到气体压力的影响。在大多数气体中（如CF4、C2F6等），电子被气体吸附的过程只受到解离吸附过程的影响，解离生成的负离子片段的存在时间多大于10-8s，因此是压力稳定的。而在C3F8中，这两种吸附过程同时存在。在室温下，C3F8的吸附过程会受到非解离的激发态“母负离子”C3F8-*的影响，这种粒子的稳定性将随着气压的变化而变化。因此，C3F8的η/N会随着气体压力的增加而变大。但是，这种“母负离子”的存在时间非常短暂，约为10-11～10-8s，因此不能形成稳定的单体碰撞，在气体中存在三体碰撞过程：

e+C3F →■8 C3F8-*+C3F8■→C3F8-+C3F8

三体碰撞过程会随着气体压力的增加而逐渐趋于饱和，因此C3F8随压力变化的参数只在一定的压力范围（约为15～400k Pa）内变化。有研究学者给出了一组当气体压力趋近于无穷大，即忽略三体碰撞过程和激发态的“母负离子”（C3F8-*）的影响，所有的“母负离子”（C3F-*8 ）和解离生成的负离子片段达到稳定时的η/N。换句话说，此时η/N是压力稳定的，不受到压力变化的影响。为了能够通过计算从理论上对C3F8气体的绝缘特性进行分析，则需要得到一组压力稳定的η/N，进而能够得到压力稳定状态下的约化有效电离系数（α-η）/N。因此在仿真计算中，假定此时的计算条件为压力稳定状态。

通过对α/N和η/N的仿真计算，可以得到约化有效电离系数（α-η）/N与E/N的关系，如图6-49所示。由上文的分析可知η/N会在一定范围内随气体压力的增加而变大，α/N与压力无关，即（α-η）/N会在一定范围内随气体压力的增加而减小。图中也给出了国际上一些研究人员测得的不同气压下C3F8气体（α-η）/N的实验结果。电负性气体的约化临界击穿场强（E/N）lim定义为（α-η）/N=0时的约化电场强度。（α-η）/N在一定范围内会随气体压力的变化而变化，在低气压下C3F8的临界击穿电压较低；而在高气压下则会呈现出与SF6相当的绝缘强度。表6-8列出了一些研究学者们通过实验或计算所得到的室温下C3F8的（E/N）lim数据。从图6-49可知，通过玻耳兹曼方程计算得到的C3F8在压力稳定状态下的（E/N）lim为337Td。而SF6的（E/N）lim一般认为是361Td，可知C3F8的绝缘强度为SF6气体的93%，可以认为其绝缘强度与SF6气体基本相当。

图6-49 纯C3F8约化有效电离系数(α-η)/N与约化电场强度E/N的关系

表6-8 室温下C3F8的约化临界击穿场强（E/N）lim

图6-50为本文通过仿真计算得出的C3F8的电子漂移速度Ve与E/N的关系。从图中可以得知，C3F8在低电场作用下（E/N＜100Td），即平均电子能量较小时，Ve增加十分迅速；但是随着电场增大，Ve增加则变得缓慢。这可能是由于在低电场作用下，吸附作用较弱的非解离吸附过程占据主导作用，因而Ve增加迅速；而当电场强度超过100Td时，非解离吸附过程迅速被吸附作用较强的解离吸附过程所掩盖，Ve的增加逐渐变缓。

图6-50 纯C3F8的电子漂移速度Ve与约化电场强度E/N的关系

6.5.1.2 C3F8/N2混合气体

图6-51为C3F8/N2混合气体中C3F8气体摩尔比例k为0%、25%、50%、75%和100%时，（α-η）/N与E/N的关系。从图中可以看出，由于C3F8气体的电负性，增大C3F8/N2混合气体中C3F8气体的比例可以有效减小混合气体的α/N，增大η/N，从而使得C3F8/N2混合气体的（α-η）/N随k的增大而减小。

图6-51 不同比例C3F8/N2混合气体的约化有效电离系数(α-η)/N与约化电场强度E/N的关系

图6-52为计算所得到的不同比例下C3F8/N2混合气体的（E/N）lim的变化趋势，同时在图中给出了与SF6/N2混合气体的对比。可见，随混合气体中C3F8气体比例的增大，混合气体的（E/N）lim逐渐增加，且呈近似线性关系。通过与SF6/N2混合气体的对比可以看出，在任何混合比例下，SF6/N2混合气体的绝缘水平都超过C3F8/N2混合气体；纯C3F8气体的绝缘水平与k=65%时的SF6/N2混合气体的绝缘水平相当。

通过玻耳兹曼方程计算得到的不同比例C3F8/N2混合气体的Ve与E/N的关系如图6-53所示。从图中可得知，在低电场作用下，Ve随C3F8含量的增加而增加，当电场强度超过100Td时，Ve则随C3F8含量的增加而减小。这同样可以解释为当电场强度较小时，吸附过程被吸附能力较弱的非解离吸附过程所主导，但是随着电场的增大，吸附能力较强的解离吸附过程的影响则变得越来越大。

图6-52 不同比例C3F8/N2混合气体的约化临界击穿电场强度(E/N)lim

图6-53 不同比例C3F8/N2混合气体的电子漂移速度Ve与约化电场强度E/N的关系

6.5.1.3 实际应用中需注意的问题

饱和蒸气压力是气体绝缘介质的一个重要性质，因为它关系到在不同的使用环境温度下，对气体绝缘介质额定压力的选择。C3F8和SF6的饱和蒸气压力曲线如图6-54所示。通常情况下，高压电力设备中（如GIS、GIL等）的SF6气体压力为0.4～0.5MPa。如果采用纯C3F8来替代SF6，若达到和SF6相同的绝缘强度，需要加压至0.43～0.54MPa。根据气体饱和蒸汽压力曲线可以得知，在此气压下，纯C3F8的液化温度在0℃左右，因此纯C3F8将很难直接应用于气体绝缘型高压设备当中。而在中低压气体绝缘设备中，气体一般不需要太高的压力，如在C-GIS中，SF6气体压力为0.1MPa左右。从图中可知， 0.15MPa下纯C3F8的液化温度将会低于-30℃，若采用纯C3F8替代SF6作为气体绝缘介质，足以满足中低压气体绝缘设备在除高寒、高海拔地区以外的大部分环境中使用。然而，考虑到C3F8的液化温度相对较高，希望通过与缓冲气体混合之后降低液化温度，增加C3F8的适用范围。由于纯C3F8的绝缘性能略低于SF6，采用混合气体之后绝缘性能会进一步下降，加之在实际中C3F8气体绝缘性能会受到气压、温度等因素的影响，纯C3F8及其混合气体的绝缘性能与其在实际中的应用还需要通过进一步的实验研究。

图6-54 C3F8和SF6的饱和蒸气压力曲线