第四節(jié) 新型環(huán)保氣體

除上述單一常規(guī)氣體和SF₆混合氣體外，近年來受一些制冷劑（如氟利昂）耐電強度遠超SF₆的啟示，研究人員逐漸將視角轉(zhuǎn)向制冷材料領(lǐng)域，并從中篩選出了一些物理化學性質(zhì)穩(wěn)定、絕緣強度高、溫室效應較低的氣體。其典型代表包括八氟環(huán)丁烷（c-C₄F₈）、三氟碘甲烷（CF₃I）、全氟戊酮（C₅F₁₀O）、七氟異丁腈（C₄F₇N）等。其基本特性對比列于表1-2中。

表1-2新型環(huán)保氣體性能

一、c-C₄F₈

c-C₄F₈常溫下為無色無味的氣體，化學性質(zhì)穩(wěn)定，無毒不燃。c-C₄F₈對環(huán)境的影響遠遠小于SF₆，其ODP為零，且GWP為8700，僅為SF₆的36%。更為重要的是，c-C₄F₈作為一種強電負性氣體，其絕緣強度遠高于SF₆，而且對電極表面粗糙度敏感性低。然而，純凈的c-C₄F₈氣體在電力設備中的應用存在著極大的局限性。根據(jù)不同的文獻報道，c-C₄F₈的沸點為-6℃或-8℃，液化溫度過高的缺陷極大地限制了純c-C₄F₈氣體的適用范圍。為解決這一問題，通常的做法是考慮在c-C₄F₈中混合緩沖氣體，如CO₂、N₂和CF₄等來降低其液化溫度。

2001年，日本電力中央研究所（Central Research Institute of Electric Power In-dustry，CRIEPI）及東京大學共同建議將c-C₄F₈作為絕緣介質(zhì)應用于電氣設備中來取代SF₆。此后，日本、美國、墨西哥的研究人員相繼從微觀放電參數(shù)及宏觀擊穿特性等方面對c-C₄F₈的絕緣性能展開了研究，并取得一些進展。國內(nèi)則有上海交通大學、西安交通大學、中科院電工所等高校和研究機構(gòu)開展了理論或?qū)嶒炑芯?，分析了c-C₄F₈及其混合氣體用于電氣設備中的可行性。研究表明，在均勻電場下，80%比例的c-C₄F₈-O₂混合氣體能達到與純SF₆相當?shù)慕^緣水平，同時30%比例的c-C₄F₈-O₂混合氣體的絕緣性能可以達到純SF₆的70%左右。因此，綜合考慮絕緣強度和液化溫度，c-C₄F₈含量在30%以下的c-C₄F₈-N₂混合氣體可作為絕緣介質(zhì)應用于中壓設備中。

然而，由于c-C₄F₈屬于全氟化碳類（PFCs），仍是《京都議定書》中規(guī)定的全球限制使用的溫室氣體，并且c-C₄F₈的沸點較高（-6℃或-8℃），在實際應用中存在很大的局限性。并且已有實驗結(jié)果表明，在設備內(nèi)部發(fā)生放電或過熱故障時，c-C₄F₈混合氣體會發(fā)生分解，在電極表面出現(xiàn)碳沉積現(xiàn)象，對設備內(nèi)部絕緣構(gòu)成潛在威脅。

二、CF₃I

CF₃I氣體是近年來引起國內(nèi)外廣泛關(guān)注的一種環(huán)保型絕緣氣體。它無色、無味、無臭、不燃，化學性質(zhì)穩(wěn)定，具有良好的油溶性和材料相容性，被認為是傳統(tǒng)氟利昂制冷劑組元以及滅火材料“哈龍”的理想替代品之一，聯(lián)合國環(huán)保署已將其列入了有希望的替代制冷劑目錄。CF₃I作為滅火材料具有滅火效率高、安全性能好、滅火后不留痕跡等特點，是哈龍1301和1211的優(yōu)選替代品種。經(jīng)美國消防協(xié)會（National Fire Protectian Association，NFPA）的標準認證，CF₃I氣體可正式應用于航空航天等特殊領(lǐng)域。國際標準化組織（International Organization for Standardi-zation，ISO）也出臺了相應的標準文件，從滅火效率、環(huán)境影響、物化穩(wěn)定性等方面對采用CF₃I作為滅火劑的防火系統(tǒng)做出了明確的規(guī)定。

從元素組成來看，CF₃I氣體由最活潑的鹵族元素氟（F）、碘（I）以及碳（C）結(jié)合而成。由于鹵族元素極易捕捉電子，因此CF₃I表現(xiàn)出了很強的電子吸附能力，這將有助于抑制電子崩的形成與發(fā)展，進而提高氣體的絕緣強度。同時，由于C原子與3個F原子的誘導效應使得C原子附近的電子云密度大幅度下降，增強了C原子的電負性，使其電負性比I原子更強。CF₃I與SF₆的物化性質(zhì)比較見表1-3。

表1-3 CF₃I與SF₆的物化性質(zhì)比較

（續(xù)）

從表中可以看出，CF₃I分子量較大，為195.1，是SF₆的1.34倍，因而同體積、同壓力的CF₃I氣體比SF₆氣體重。同時，CF₃I在1個標準大氣壓下的沸點為-22.5℃，這表明CF₃I氣體在溫度低于-22.5℃時就將由氣態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)化。因此，在環(huán)境溫度較低的情況下使用CF₃I時要注意增溫保暖，使其維持在氣態(tài)。環(huán)境特性方面，CF₃I是一種對環(huán)境極其友好的氣體，其GWP幾乎和CO₂相當。根據(jù)文獻對CF₃I紅外線及長波紫外線的吸收特性來看，CF₃I的GWP約為CO₂的1～5倍，遠小于SF₆。同時，由于CF₃I分子結(jié)構(gòu)中C-I化學鍵容易在太陽輻射的作用下發(fā)生光解，導致CF₃I在大氣中的存在時間很短（<2天）。這一特點極大地限制了CF₃I氣體向同溫層的移動，因此盡管含有鹵族元素氟和碘，CF₃I也不會對臭氧層造成破壞。尤其是在中緯度地區(qū)，由于人類工業(yè)生產(chǎn)活動釋放的CF₃I對環(huán)境的影響甚至遠遠小于自然環(huán)境本身產(chǎn)生的碘代碳化物，比如CH₃I等?；谝陨辖Y(jié)論，研究人員認為CF₃I的臭氧消耗潛能值（ODP）小于0.008，甚至低于0.0001，通常情況下都忽略不計。表1-4為CF₃I、SF₆和CO₂在環(huán)境特性方面的對比數(shù)據(jù)。

表1-4 CF₃I、SF₆和CO₂的環(huán)境特性對比

從基本的特性參數(shù)來看，CF₃I氣體的元素組成和分子結(jié)構(gòu)都預示CF₃I有望獲得良好的絕緣性能，尤其是CF₃I在環(huán)境特性方面的優(yōu)異表現(xiàn)，使之成為極具潛力的SF₆替代氣體。

研究表明，純CF₃I氣體在均勻電場中的絕緣強度為SF₆的1.19倍。在所有混合氣體中，CF₃I-N₂的絕緣強度要高于CF₃I與CO₂或者與Ar、He、Xe等惰性氣體的組合，并且當CF₃I所占比例達到70%時，CF₃I-N₂混合氣體能夠達到與純SF₆相當?shù)慕^緣水平。此外，CF₃I氣體自身在電場敏感性方面要優(yōu)于SF₆，但與N₂或CO₂混合氣體的協(xié)同效應均不如SF₆-N₂顯著。另外，無論是在稍不均勻電場還是在極不均勻電場中，CF₃I-N₂混合氣體的絕緣性能都要優(yōu)于同等條件下的CF₃I-CO₂組合。其中，20%比例的CF₃I-N₂混合氣體的絕緣強度約為純SF₆的50%。當CF₃I比例為30%時，CF₃I-N₂混合氣體能夠達到純SF₆氣體55%以上的絕緣水平。對于CF₃I-CO₂組合，30%比例的CF₃I-CO₂混合氣體在稍不均勻電場中能達到純SF₆氣體53%以上的絕緣水平，但在極不均勻電場中，相對絕緣強度依賴于氣壓變化，僅能達到SF₆的42%～67%。綜合考慮絕緣性能、環(huán)境指標以及液化溫度等多方面因素，可采用20%～30%比例的CF₃I-N₂混合氣體作為SF₆替代介質(zhì)應用于中低壓電氣設備中。

針對滅弧方面的應用，在開斷峰值達1kA的近區(qū)短路故障電流時，CF₃I-CO₂混合氣體的滅弧性能隨CF₃I比例的增加指數(shù)增長。其中，20%比例的CF₃I-CO₂混合氣體的滅弧能力可以達到純CF₃I的95%，超過這一比例時，滅弧性能基本與純CF₃I相當。CF₃I-N₂混合氣體的滅弧性能則始終隨CF₃I比例的增加線性增長，但整體低于CF₃I-CO₂混合氣體。在開斷峰值達3kA的斷路器端部故障電流時，CF₃I-CO₂混合氣體的滅弧性能同CF₃I比例成指數(shù)增長關(guān)系。當CF₃I含量大于30%時，基本能達到與純CF₃I同等的開斷水平，但此時純CF₃I的滅弧性能已經(jīng)下降到了SF₆的0.67倍左右。同樣地，CF₃I-N₂混合氣體的滅弧性能依然隨CF₃I比例的增加線性增長。當CF₃I比例達到30%時，滅弧性能約為純SF₆的0.32倍。當開斷電流峰值達到20kA時，CF₃I與CO₂和N₂混合氣體的滅弧能力都大大降低，即使增加CF₃I的比例，也不能明顯提升混合氣體的滅弧性能，最終都只能達到SF₆的0.2倍左右。

此外，CF₃I放電后主要氣體分解產(chǎn)物為C₂F₅I，會析出大量固體碘單質(zhì)附著在電極表面，這表明CF₃I放電分解后難以復合，且污染電極，引起絕緣性能下降，可能造成絕緣閃絡事故。同時，放電析出的碘單質(zhì)有毒性和腐蝕性，對設備運行壽命及檢修人員均存在一定的安全隱患。

三、C₅F₁₀O

全氟戊酮（C₅F₁₀O）又稱全氟甲基異丙基酮，即3-三氟甲基-1，1，1，3，4，4，4-七氟丁-2-酮，CAS號為756-12-7，是一種具有極低GWP的新型SF₆替代品。其分子量為266g/mol，沸點為26.9℃，凝固點為-110℃，臨界溫度為146℃，常壓下氣體密度為10.73kg/m³。與SF₆對比，C₅F₁₀O主要優(yōu)點在于它具有極低的GWP，與CO₂相當，對環(huán)境友好，可以顯著緩解SF₆帶來的溫室效應。但缺點在于沸點過高，容易液化。

近年來，C₅F₁₀O因其優(yōu)異的絕緣性能和環(huán)保性能被ABB公司用來作為替代SF₆的新型絕緣混合氣體中的主要成分。ABB公司對C₅F₁₀O與CO₂或空氣構(gòu)成混合氣體的絕緣與滅弧性能開展了大量研究，研究結(jié)果表明：C₅F₁₀O含量小于10%的C₅F₁₀O-CO₂混合氣體，氣壓為0.7MPa時，絕緣性能為0.4～0.45MPa時SF₆的90%；6%C₅F₁₀O-11%O₂與CO₂混合氣體的氣壓為0.7MPa時，開斷能力比SF₆下降20%。ABB公司在245kV/50kA的SF₆斷路器中充入了上述氣體，通過了170kV/40kA的型式試驗。C₅F₁₀O在常壓下的液化溫度高達26.5℃，在常溫常壓下呈現(xiàn)為液體，設備氣壓為0.16MPa時，構(gòu)成的混合氣體液化溫度可低至-15℃。

由于C₅F₁₀O的液化溫度較高，使得C₅F₁₀O混合氣體應用環(huán)境受限，絕緣性能難以滿足高電壓等級設備的需求。同時C₅F₁₀O混合氣體的開斷性能、與其他材料的相容性等均仍存在較多的難題。

四、C₄F₇N

七氟異丁腈（C₄F₇N），即2-三氟甲基-2，3，3，3-四氟丙腈，CAS號為42532-60-5，是一種具有較低GWP的新型SF₆替代品。其分子量為195g/mol，沸點為-4.7℃，凝固點為-117.8℃，臨界溫度為112.8℃，常壓下氣體密度為7.85kg/m³。與SF₆對比，C₄F₇N主要優(yōu)點在于其GWP低，且大氣壽命短，屬于環(huán)保型絕緣氣體。

C₄F₇N常壓下液化溫度為-4.7℃，需與載氣如CO₂等混合來降低使用時的液化溫度，被GE公司用于電氣設備，提出了g3（C₄F₇N-CO₂）氣體。在相同氣壓下，C₄F₇N-CO₂混合氣體含10%的C₄F₇N時，絕緣強度就可達到SF₆的90%。當C₄F₇N含量為4%～10%時，0.67MPa的C₄F₇N-CO₂絕緣強度達到0.55MPaSF₆的87%，而當氣壓提高至0.82MPa時，絕緣強度可達到SF₆的96%。

GE公司采用C₄F₇N-CO₂和SF₆在420kV隔離開關(guān)上進行了滅弧試驗，SF₆額定設計氣壓為0.55MPa，含4%C₄F₇N的C₄F₇N-CO₂與SF₆的實驗結(jié)果進行比較，可看出C₄F₇N-CO₂的燃弧時間較SF₆稍短，初步表明其滅弧性能接近SF₆。GE公司已將g3氣體（6%C₄F₇N-94%CO₂混合氣體，0.7MPa）應用于145kV電壓等級的GIS中。據(jù)GE公司報道，C₄F₇N的導熱性能不如SF₆，但不影響其在GIL上的應用，GE公司已成功研制出420kV電壓等級的GIL并在工程中投運，還包括采用g3氣體的245kV電流互感器。