前言

六氟化硫（SF₆）是一種優(yōu)良的絕緣和滅弧介質(zhì)，在電力行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著使用量的不斷增加，每年排放到大氣的SF₆正以前所未有的速度快速增加。根據(jù)全球大氣實(shí)驗(yàn)計(jì)劃對溫室氣體含量的監(jiān)測顯示，從1973年到2018年的45年間，大氣中的SF₆含量增加了一個(gè)數(shù)量級。目前，全球每年排放的SF₆總量相當(dāng)于2.2億噸二氧化碳（CO₂）氣體，且還在以每年10%的速率繼續(xù)增長。SF₆是目前已知最強(qiáng)的溫室氣體之一，其以100年為基準(zhǔn)的全球變暖潛能值（Global War-ming Potential，GWP）約為CO₂的23500倍，并且由于SF₆的化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定，在大氣中的存在時(shí)間可長達(dá)3200年之久，一旦泄漏，基本不會自然分解，對全球氣候變暖的影響具有累積效應(yīng)。由于溫室效應(yīng)引起的全球氣候變暖會給人類的生存環(huán)境帶來嚴(yán)重的威脅，并可能引起災(zāi)難性的后果，因此溫室效應(yīng)已成為國際關(guān)注的三大環(huán)境問題（臭氧層破壞、全球氣候變暖和生物物種急劇減少）之一。

為此，國際社會開展了廣泛的全球性合作和努力，以期控制大氣中的溫室氣體含量，共同維持人類社會的可持續(xù)發(fā)展。在1997年日本京都召開的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》（United Nations Framework Convention on Climate Change，UNFCCC）第3次締約方會議上，84個(gè)國家相繼簽署了《京都議定書》（Kyoto Protocol）以共同應(yīng)對全球氣候變暖。在該議定書中，明確將二氧化碳（CO₂）、甲烷（CH₄）、氧化亞氮（N₂O）、全氟化碳（PFC）、氫氟碳化物（HFC）和SF₆列為限制排放的6種溫室氣體。我國作為《京都議定書》的主要締約國之一，正在積極地推進(jìn)和執(zhí)行溫室氣體減排任務(wù)。2017年，我國政府在《巴黎協(xié)定》中承諾，到2030年，單位國內(nèi)生產(chǎn)總值CO₂排放比2005年下降60%～65%。由于SF₆對溫室效應(yīng)的潛在影響較大，因此嚴(yán)格限制SF₆氣體排放、減少SF₆氣體使用對于我國達(dá)成減排目標(biāo)意義重大。正因如此，探索可等效替代SF₆的新型環(huán)保絕緣氣體成為電氣工程領(lǐng)域重要的研究方向和迫切需要解決的熱點(diǎn)問題。

近年來，在國內(nèi)外相關(guān)高校、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)的共同努力探索和實(shí)踐下，SF₆替代技術(shù)的研究及應(yīng)用取得一系列重要進(jìn)展，尤其是基于七氟異丁腈（C₄F₇N）、全氟戊酮（C₅F₁₀O）等綠色含氟絕緣氣體的高壓電氣設(shè)備相繼開發(fā)成功，并初步實(shí)現(xiàn)了工程示范應(yīng)用，取得了良好的社會、經(jīng)濟(jì)效益。云南電科院專門成立了高原環(huán)保電力設(shè)備團(tuán)隊(duì)，組織西安交通大學(xué)、上海交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、中國西電集團(tuán)、浙江省化工研究院等國內(nèi)相關(guān)單位，從氣體制備、絕緣與電弧特性、產(chǎn)品研發(fā)等幾個(gè)方面，開展了廣泛、深入的研究工作。本書是作者及所在的科研團(tuán)隊(duì)10余年來在SF₆替代氣體領(lǐng)域研究工作的系統(tǒng)總結(jié)。通過廣泛的國際交流與產(chǎn)學(xué)研合作，結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究，并在工程實(shí)踐中不斷豐富和總結(jié)，形成了具有一定特色的技術(shù)體系。

本書重點(diǎn)介紹了C₄F₇N、C₅F₁₀O等新型環(huán)保氣體的物性參數(shù)、理化特性、絕緣及電弧特性等內(nèi)容，以期為相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究及設(shè)備開發(fā)提供有益參考，體系結(jié)構(gòu)及主要內(nèi)容如下：

第一章主要介紹了SF₆氣體的基礎(chǔ)性質(zhì)及應(yīng)用概況，分析了SF₆在使用過程中存在的問題，指出對SF₆進(jìn)行替代的必要性，并對當(dāng)前潛在的幾種替代氣體方案（單一氣體、SF₆混合氣體、新型環(huán)保氣體）進(jìn)行對比和分析。通過第一章的內(nèi)容，讓讀者對SF₆替代的目的和意義有清晰的認(rèn)識。

第二章主要介紹了C₄F₇N、C₅F₁₀O等新型環(huán)保氣體的分子結(jié)構(gòu)、飽和蒸氣壓、GWP、臭氧消耗潛能值（The Ozone Depletion Potential，ODP）、毒性、碰撞截面等關(guān)鍵理化參數(shù)，以及與CO₂、空氣等混合氣體的電子漂移速率、電離反應(yīng)系數(shù)、吸附反應(yīng)系數(shù)、有效電離反應(yīng)系數(shù)、臨界折合擊穿場強(qiáng)等放電參數(shù)，并與SF₆、空氣、CO₂等氣體進(jìn)行了對比。

第三章主要介紹了C₄F₇N、C₅F₁₀O混合氣體在不同電極結(jié)構(gòu)、混合比例和壓力下的絕緣擊穿特性、沿面閃絡(luò)特性以及在不同放電形式下的分解產(chǎn)物，為環(huán)保型氣體絕緣電力設(shè)備的開發(fā)及運(yùn)維提供參考依據(jù)。

第四章詳細(xì)介紹了C₄F₇N、C₅F₁₀O與CO₂、空氣等混合氣體電弧等離子體的化學(xué)組成、熱動屬性和輸運(yùn)參數(shù)等，分析了不同因素對新型環(huán)保氣體電弧特性的影響。通過對比C₄F₇N、C₅F₁₀O混合氣體與SF₆物性參數(shù)的異同，從微觀層面討論了新型環(huán)保氣體作為滅弧介質(zhì)的可行性。最后，通過電弧磁流體動力學(xué)仿真和電弧開斷實(shí)驗(yàn)，分別從電弧燃弧和零區(qū)階段的能量耗散性質(zhì)討論了新型環(huán)保氣體的滅弧性能。本章內(nèi)容有助于加深對不同氣體電弧特性及滅弧機(jī)理的理解，同時(shí)為C₄F₇N、C₅F₁₀O混合氣體作為滅弧介質(zhì)的應(yīng)用提供參考。

第五章結(jié)合電力設(shè)備對氣體絕緣介質(zhì)的需求，重點(diǎn)介紹了新型環(huán)保混合氣體在電力設(shè)備中的應(yīng)用技術(shù)及國內(nèi)外相關(guān)環(huán)保電力設(shè)備的應(yīng)用情況，同時(shí)針對環(huán)保電力設(shè)備運(yùn)行中所需的運(yùn)維技術(shù)及其研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹。

本書第一、五章由鄧云坤、王科編寫，第二、四章由張博雅、李興文編寫，第三章由張博雅、趙虎編寫。全書由鄧云坤和李興文統(tǒng)稿和審定。參加本書編寫的還有彭晶、黃小龍、郭澤、趙現(xiàn)平、馬儀、周年榮和譚向宇等。

作者在編寫過程中閱讀了大量相關(guān)文獻(xiàn)，其中部分內(nèi)容參考了相關(guān)文獻(xiàn)的寫法，由于都是成熟的內(nèi)容，并未對所有參考文獻(xiàn)一一羅列，在此向相關(guān)文獻(xiàn)的作者表示誠摯的感謝！

本書的編寫工作是在多項(xiàng)云南省電力公司科技項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目等支持下完成的，特此表示感謝。

由于作者水平有限，書中難免有紕漏。不當(dāng)之處，懇請讀者朋友批評指正。

作者

2021.1