第二節 常規氣體

常規環保氣體主要為自然界本身存在的氣體，如干燥空氣、N₂和CO₂等。這三種氣體化學性質都比較穩定，價格便宜，不易燃且不助燃，液化溫度也遠低于SF₆，因此在電力設備中已經作為絕緣或滅弧介質得到了較為廣泛的應用。

一、干燥空氣

干燥空氣是指水分去除后的空氣。其制備有兩種方式，一是采用吸附或冷凝直接將空氣中的水分去除；二是根據空氣中各組分的比例進行人工混配。但無論采取何種方式，干燥空氣的絕緣性能只能達到SF₆的30%左右，滅弧能力也與SF₆相差甚遠，因此通常只能作為絕緣介質應用于中高壓設備中，無法作為滅弧介質來使用。如ABB公司推出的SafeAir系列開關柜、施耐德公司推出的GM AirseT、RM AirseT和SM AirseT系列中壓開關柜等均采用干燥空氣作為絕緣介質，真空作為滅弧介質，有效地減少了SF₆氣體的使用，取得了良好的環境效益。此外，西門子公司還將干燥空氣應用于8VN1型GIS設備中作為絕緣介質，額定電壓等級達到145kV，擴展了干燥空氣的應用范圍。可以看出，盡管原料獲取簡單、制備成本較低，但干燥空氣電氣性能較差，決定其只能在部分場景下作為一種新的環保氣體選擇，并不能真正取代SF₆。

二、N₂

N₂為無色、無味、無毒和不燃的惰性氣體。N₂是已知的雙原子分子中最穩定的氣體，將它分解為原子需要吸收941.69kJ/mol的能量，即使加熱到3273K時，只有0.1%離解，在電弧作用下也不會產生有毒物質。N₂臨界溫度為-146.9℃，對于常規的使用環境無液化問題。N₂分子直徑較小，電子、離子在N₂中平均自由行程比在SF₆氣體中更大，因此在電場作用的運動下，相繼兩次碰撞間積累的動能也更大，更容易造成氣體分子的電離。N₂在均勻電場下的絕緣強度約為SF₆的30%，但導熱性能較好。如不考慮對流散熱，N₂的導熱性能約為SF₆的2倍，在開關設備中可將發熱導體的熱量迅速傳遞到開關柜殼體上從而向大氣環境散熱。但與SF₆相比，N₂的密度、比熱更小，攜帶的熱量也更少，但黏度卻更大，因此在氣壓、溫度相同的情況下，N₂的對流換熱系數小于SF₆，整體散熱及滅弧性能遠小于SF₆。與干燥空氣類似，目前N₂主要作為絕緣介質用于中壓開關柜、環網柜中。在高壓領域應用較少，也無法作為滅弧介質來使用。

三、CO₂

CO₂在常溫常壓下是一種無色、無味的氣體，也是空氣的組分之一。CO₂的熔點為-56.6℃，沸點為-78.5℃，密度比空氣密度大。CO₂的化學性質不活潑，熱穩定性很高，不能燃燒，通常也不支持燃燒。目前，CO₂已作為絕緣和滅弧介質在電力設備中得到了應用。日本東芝公司的研究者曾對上千種氣體進行SF₆替代氣體篩選，綜合考慮液化溫度、毒性與腐蝕性、穩定性、溫室效應等因素，最終確定僅有CO₂和N₂可能作為單一氣體或混合氣體的主要成分應用于電力開關設備。ABB公司的研究人員發現，在14個大氣壓下冷態氣體吹弧的情況下，SF₆可以開斷上升率為16A/μs的電流，CO₂則可以開斷大約10.5A/μs的電流。日本東京電機大學的研究者選擇CO₂作為滅弧介質，發現氣壓從0.2MPa提高到0.6MPa可以把電弧功率損耗從0.32kW提高到0.78kW，并將燃弧時間常數從1.3μs減少到0.7μs，電流峰值為1.1kA。研究結果表明，純CO₂的滅弧性能大約為SF₆的一半，在CO₂中添加O₂可以適當改善其滅弧性能。但是需要注意的是，以上的滅弧性能都是在小電流情況下得到的，且在實際工程應用中只有純CO₂斷路器得到了應用，其開斷能力都在31.5kA水平，不適用于72.5kV及以上開關設備。

總之，常規氣體都是自然界本身就存在的，溫室效應極低，對環境沒有影響，在環保方面是理想的SF₆替代品。但由于這些常規氣體電氣性能都較差，無論是在絕緣方面，還是在滅弧方面，都和SF₆有較大的差距，因此一般只能在126kV及以下設備中使用。尤其是“常規氣體絕緣+真空斷路器滅弧”的技術路線已經在中壓開關設備中被廣泛應用，但往更高電壓等級推廣目前還需要進一步研究攻克。