混合气体与环保型气体在中的应用研究

7.1.3.1 GIS中SF6混合气体的研究与应用

随着城市化的发展，城市变电站使用GIS及SF6开关设备日益剧增，其环保性备受质疑。在1997年通过的全球气候变暖《京都议定书》中，六氟化硫气体被列入受限制的6种温室气体之一。研究表明：六氟化硫气体单个分子对温室效应的影响约为二氧化碳的23900倍，2020年将被限制使用。因此，现在各国的研究机构、大的电器制造公司都在积极开展环保型绝缘气体的研究和新型GIS的开发研制工作。

在GIS中使用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。因此在高寒地区的短路器，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。混合气体的耐电强度不仅与其气体成分的耐电强度有关，而且还和气体成分之间是否有协同效应有关。实验表明，当SF6含量为50%时，SF6/N2混合气体在均匀电场中的耐电强度为纯SF6的85%以上，且由于混合气体的优异值比纯SF6大，因此在电极表面有缺陷或有导电微粒的情况下，SF6/N2的绝缘强度有可能高于纯SF6。另外，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。例如，使用含50%SF6的SF6/N2混合气体作绝缘介质时，即使将总气压提高0.1MPa，仍可使气体费用减少40%，这对气体用量大的装置，会带来可观的经济效益。

7.1.3.2 GIS中SF6替代气体的研究

借鉴SF6的分子结构和绝缘特性以及灭弧性能研究过程，研究将趋向于能够找到一种用于替代SF6的类似C4F8的绝缘气体，具有SF6的绝缘和灭弧性能，无毒，不易燃，而且有小的温室效应，甚至没有。对替代物的具体要求体现在下面几个方面：①这样的气体应该具有类似SF6气体的分子结构，具有极强的电负性，以保证高压设备对高绝缘性能的要求，高的绝缘能力至少需要有一种气体是电负性气体或者是卤化气体；②另外一个基本要求是无臭氧损耗，即温室效应小。根据无臭氧损耗的要求，基本排除含氯、溴的气体，选择限制在卤素中仅包括氟的气体；③无毒性，且绝缘强度可与SF6气体相比的可选择气体。我们应该将研究领域集中于考察这些气体，以及它们的混合气体，对其物理化学性能、绝缘灭弧性能、液化温度等进行分析，寻求一种能替代SF6气体的高压设备绝缘气体。

研究应该从以下几个方面进行：

（1）先对氟碳化合物气体，如C2F6、C3F8、C4F10、C4F6、CF3OCF3、CF3SF5、C4F8等气体，借鉴SF6气体绝缘理论分析这些气体的分子结构、物理化学性能、绝缘性能、灭弧性能。

（2）进行气体局部放电、击穿电压等试验，测试各个气体或混合物作为绝缘气体的性能，和SF6进行比较。

（3）根据SF6之所以具有好的绝缘性能的分子结构，研究能否从分子设计角度合成一种类似SF6的新气体，使其具有高的负电性、稳定的物理化学性能，并且其温室效应较小。

（4）对SF6及替代绝缘气体长间隙下的绝缘特性进行击穿试验，直接测量长间隙下在不同电场、不同波形电压作用及不同气体压力下的放电电压，获得各种有关绝缘特性数据。

（5）用尖-板形成的极不均匀电场来模拟GIS中的金属颗粒及电极表面不同粗糙程度对放电电压的影响，改变尖极的曲率半径和长度来模拟不同的金属颗粒和电极表面的不同粗糙程度。

（6）建立高温及低温室，测量高温及低温条件下绝缘气体的放电特性。

（7）建立SF6替代绝缘气体介质中绝缘子理论模型，通过理论模拟计算分析不同电压、不同材料绝缘子、绝缘子沿面长度及均压方法对沿面放电电压的影响，并结合沿面放电试验研究绝缘子沿面放电特性。

（8）建立GIS本体及典型外部设备模型，通过理论模拟计算和实际的试验来研究VFTO波下的放电特性、传播机理及抑制方法，设计并研制新型环保型的GIS设备。

7.1.3.3 GIS中c C4F8及其混合气体的应用研究

纯c C4F8气体用作绝缘介质的一个缺点就是价格比较昂贵，目前它的价格是SF6气体的10倍左右。另外c C4F8气体分子结构中存在碳原子，有可能分解产生导电微粒，降低气体绝缘设备的绝缘性能。最后一个缺点就是其液化温度比较高，它的沸点为-6℃或-8℃，比较容易液化，不适合在高寒地区使用。然而随着c C4F8气体在绝缘设备和半导体刻蚀中的广泛使用，价格的下降是完全有可能的；如果c C4F8气体仅用作没有电流中断能力的开关设备，则不存在或者说很少有机会发生分解的放电。日本东京大学研究指出，这些缺点都可以通过添加价格便宜的、液化温度比较低且不存在碳分解的N2、CO2等缓冲气体到c C4F8气体中缓解甚至解决。缓冲气体通过散射把电子能量降低到电负性气体可以附着的能量范围内，阻止电子崩增长，使得混合气体的耐电强度不会比纯净的c C4F8气体降低很多，甚至出现正协同效应。

日本东京大学研究了2～10mm间隙下c C4F8气体混合气体的交流击穿电压。有些研究者仅从降低液化温度角度研究了c C4F8中添加N2、CO2以及CF4气体后的击穿特性，而没有考虑混合气体的温室效应指数；有些人虽然在研究c C4F8后的耐电特性时，考虑了混合气体的温室效应指数，但是对于混合气体的适用环境没有进行研究，因此c C4F8气体及混合气体取代SF6的相关研究还应深入全面进行。

因此应该综合考虑耐电强度、液化温度以及温室效应指数三个指标，全面地研究c C4F8添加缓冲气体CF4、CO2、N2与N2O后的二元和三元混合气体的放电特性。表7-2是SF6、c C4F8及缓冲气体CF4、CO2、N2与N2O的性能指标。

表7-2 气体的性能指标

根据宏观耐压试验和稳态汤逊实验（SST）得到表7-3和表7-4，数据表明c C4F8混合气体有极大可能性取代SF6气体。

表7-3 SF6与c C4F8一元气体的性能比较

注：①（E/N）lim是相对于SF6耐电强度的比值。

②1atm=1.01325×105Pa。

表7-4 c C4F8二元混合气体的性能比较

从表7-3可以看出，c C4F8的耐电强度约为SF6的1.18倍，而GWP仅为SF6的1/3左右，但是一般充入断路器的SF6气体压力为0.35～0.65MPa （3-.5～6.5atm）范围（由充气时的环境温度具体确定），假如SF6的充气气压是4atm，则c C4F8在耐电水平与SF6相当时，充气气压则为3.38atm，计算出来的在该充气气压下c C4F8的液化温度是26.8℃或29℃，因此，单一的c C4F8因为适用的温度环境太窄，取代SF6没有意义，而增加适量的液化温度低的CO2、CF4、N2与N2O作为缓冲气体，将拓宽c C4F8的适用温度环境。

从表7-4可以看出，在c C4F8的四种二元混合气体中，c C4F8/N2与c C4F8/N2O在与SF6耐电强度相当时所需的c C4F8含量最小，且在该百分比下的GWP较低，在充气气压为4atm时，Tb也比较低，这说明这两种混合气体适用的温度环境比较宽，也意味着这两种混合气体在混合比分别为33.6%和36%、在适用的温度环境为0℃以上时，是最理想的取代SF6的二元混合气体，但还应做降低其液化温度的试验。将c C4F8混合气体的耐电强度值以及温室效应指数与SF6混合气体的相应参数进行比较，提出最佳取代SF6时c C4F8的比例，以及在该比例下的温室效应指数。

综合耐电强度、灭弧性能、温室效应指数和液化温度等指标，可以提出c C4 F8一元气体、c C4F8二元气体以及c C4F8三元气体的性能以及取代SF6的可行性。确定SF6替代气体的可行性，在此基础上设计并研制新型的GIS。

在这些研究中，选用的替代气体都属于PFC（全氟烃类），其全球变暖潜能值约为SF6的，因此，它们的使用能减少环境的温室效应。但它们的GWP还是较高（6000～9200），在环境中的寿命还较长（2-600～10000年），最后能否作为SF6的替代气体还需要进一步更深入的研究。人们真正期望的是环境友好的低GWP值的SF6替代气体。