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摘要：根据近年来环保型绝缘气体的电气特性研究进展，为推进新型环保气体研发和应用研究和解决新气体研发效率低下的问题，本文介绍了基于气体分子微观参数进行性能预测的理论，旨在探索电气性能更优异的环保气体。
关键词：SF6；环保气体；高压电器；气体放电；绝缘特性
1 环保型绝缘气体研究历程
环保型绝缘气体必须具备如下理化特性：①绝缘强度高，灭弧特性好；②不可燃；③无毒；④无腐蚀；⑤低GWP值；⑥高饱和蒸汽压，低沸点；⑦高热导率；⑧稳定性好；⑨化学惰性，不与导体和绝缘材料发生化学反应。但上述部分理化特性相互矛盾。如较高的绝缘性能通常要求气体具有强电负性（吸附自由电子的能力强），但强电负性气体大多是毒性气体，化学性质不稳定，且饱和蒸汽压较低。由于环保型绝缘气体要求的理化特性存在矛盾，近几十年来虽然文献报道了近百种气体，但能完全替代SF6的环保型绝缘气体仍在探索中。早在20世纪90年代，美国国家技术标准局（NIST）的Christophorou总结了c-C4F8、CF3I等气体与电子的相互作用，获得了电离、激发、附着等反应的截面数据，为环保气体的放电特性分析计算提供了基础数据。1997年，NIST报告推荐SF6比例占40%~50%的SF6/N2的混合气体用于绝缘和灭弧，CO2、N2O、c-C4F8/N2、c-C4F8/SO2等气体作为长期研究的绝缘介质，SF6/CF4、SF6/C2F6等混合气体作为长期研究的灭弧介质。这些气体中除SF6/N2等SF6混合气体已用于工程，大部分仍处于实验室探索研究阶段。21世纪初，日本东京大学、东京电力公司等机构研究了CF3I混合气体、氟碳类混合气体（如C2F6、C3F8、c-C4F8等）的灭弧性能和绝缘性能，在大量试验基础上，提出含30%CF3I的CF3I/CO2混合气体可用于设备绝缘和灭弧。上海交通大学和西安交通大学的学者采用解Boltzmann方程的方法计算了不同类型CF3I混合气体、c-C4F8混合气体的绝缘性能，计算结果与实验测量结果十分接近，为环保气体的电气特性研究提供了新思路。中科院电工研究所、武汉大学和华北电力大学的学者通过电晕局放试验获得了c-C4F8混合气体、CF3I混合气体的分解特性，发现这两种气体在放电后会析出固体碳单质或碘单质，为评估环保气体放电后的绝缘恢复能力提供了参考。
2 环保气体绝缘性能评估方法
2.1 低气压均匀电场下的临界约化场强
气体击穿是从非自持放电转向自持放电的过程，自持放电不依赖外界光电离等条件。当外施电压较高时（在UA~UB之间），间隙中的电子增殖过程随电场的增加而加强，当电压达到UB时，正离子的碰撞可使阴极产生新电子，进而发生自持放电，气隙击穿[1]。这一放电过程称为汤逊放电[36]。根据汤逊放电，可从理论上评估气体绝缘强度，即发生自持放电时的临界约化场强Ac。当A>Ac时，气隙中会发生自持放电导致绝缘击穿。可用Ac来表征气体绝缘强度，比如SF6气体的Ac≈359Td，相当于88.5kV/(mm•MPa)。由于SF6中的F元素具有很强的电负性，因此S—F键断裂后很容易复合，通常将这类由强电负性元素组成的气体称为电负性气体。电负性气体也具有很强的电子亲和能，极易吸附外界电子成为离子，阻碍放电发展，因此具有较高的绝缘强度，目前研究的绝大部分环保气体均为含氟的电负性气体。对于电负性气体，在击穿过程中应同时考虑电离和附着过程，用电离系数α和附着系数η表示单位长度内气体电离的电子数和吸附的电子数。α和η均为约化场强的函数，α=η时取得临界约化场强Ac。
2.2 高气压均匀电场中的击穿场强
当气压增大时，阴极表面的作用减弱，电子崩发展过程中出现了光电离和空间电荷，这两个因素导致高气压下的自持放电现象与低气压下存在差异，此时气体击穿过程为流注放电。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆均匀或稍不均匀电场中，气隙击穿的条件就是电子崩转化为流注的条件，可用式(1)表示
（a（x））-η（x）dx=lnNc=K
（1）式中：d为电极距离；Nc为临界击穿时电子崩头部的电子数；空气中K的值一般为18.4，在SF6中为13~18.5。由式(1)看出，在高气压下，当α略大于η时，如果未达到流注起始条件，则气隙也不会击穿。因此2.1节定义的临界约化场强Ac不能表示高气压（≥100kPa）的情况。理论上，高气压下Ac的值大于低气压下的；但在高气压下，电子崩电流难以观测，因此目前还没有实验在高气压下测量α和η。
3 气体的绝缘性能预测
3.1 分子参数对气体性能的影响规律
近年来，有不少研究未知新气体的电气和理化性能的理论预测，从理论上给出性能较为优异的气体。有学者从烷烃气体出发，通过比较F、Cl、Br、I、—CF3、—CN、C=C双键、C≡C三键等不同原子、基团或成键类型的替代，对原始气体的绝缘性能和沸点产生的影响，总结出：①用F替代H原子会显著提升气体性能；②增加碳链长度会增强绝缘性能，但同时会提高沸点；③用Br或I原子取代Cl原子可能会略微提升气体性能；④使气体性能得到最显著提高的方法是引入C≡C三键或—CN基团[2]。表5列出了一些与SF6相比，沸点或绝缘性能单方面占优的一些气体，通过气体混合可改善综合性能，表中列出了各气体在混合时的协同效应中所起的作用，绝缘性能高、沸点高的气体主要吸附电子，绝缘性能低、沸点低的气体作为缓冲，主要降低电子能量，此时使得混合气体在低沸点的前提下获得较高绝缘强度。值得注意的是，CF3CN和C2F5CN虽然具有较高的绝缘强度，沸点也较低，但是具有毒性，无法使用。
3.2 分子参数对气体性能的影响机理
目前的研究都是采用多元回归拟合分析的方法，试图探究绝缘性能等宏观现象与分子微观参数之间的关系，即绝缘性能在分子层面的机理。这种方法受拟合数据采用的数据库的影响较大[3]。有的文献采用光吸收谱积分（IOA）和绝缘性能进行了线性拟合，认为气体吸收光的能力越强（IOA越大），绝缘性能越高，其中IOA用第1性原理的DFT方法计算得到。有的文献采用平均静电极化率、电偶极矩、垂直电离能、绝热电离能、垂直电子亲和能、绝热电子亲和能等参量，与绝缘性能和液化温度进行多元回归分析，并将气体分为极性分子和非极性分子。与此思路类似，有的文献采用平均极化率、电子亲和能，还有文献采用GIPF参数和静电参数与宏观性能之间进行了多元回归分析。以上研究为新气体的研发提供了新思路，但目前还均未能解释其物理机理，因此，绝缘性能在分子结构参数层面的决定机理是个难点。
结束语：
本文综述了环保气体的电气特性研究，参考国内外近些年来的研究成果，提出未来研究的两个方向，一是针对已提出的气体，如C4F7N、C5F10O等气体，研究其电气性能，为设备的设计服务，属于短期研究方向；二是研发性能更优异的新型气体，偏向于中长期研究。
参考文献：
[1]廖瑞金,杜永永,李剑,司马文霞,杨丽君,赵学童. 新型环保绝缘气体的研究进展[J]. 智能电网,2015,3(12):1118-1124.
[2]肖登明,焦俊韬,YAN Jiudun. 环保型绝缘气体的灭弧能力分析[J]. 高电压技术,2016,42(06):1681-1687.
[3]周文俊,郑宇,杨帅,覃兆宇,王宝山. 替代SF_6的环保型绝缘气体研究进展与趋势[J]. 高压电器,2016,52(12):8-14.
论文作者:黄博勇
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/27
标签：气体论文; 性能论文; 电负性论文; 电子论文; 场强论文; 沸点论文; 特性论文; 《电力设备》2018年第29期论文;