（苏州大学 艺术学院工业设计）
摘要：本文阐述了目前SF6替代气体研究现状和实际应用，分析了各种气体特点并介绍其在一些大公司的应用，为进一步研究SF6替代气体提供参考。
关键词：电气绝缘开关设备；SF6替代气体；N2／SF6混合气体；3M Novec™4710；C-C4F8
全球气候变暖，将给人类带来巨大灾难。海平面升高，植物生长区迁移，极端气候事件增多雷电等自然灾害肆虐等。因此，防止全球气候变暖迫在眉睫。近几十年来，凭借优良的物理性能，SF6气体在电气工业领域被广泛用于电气绝缘开关设备中。由于一定压力下的六氟化硫气体比其它绝缘介质具有更高的介电强度，这有助于气体绝缘开关设备安全可靠地运行，同时大大减小开关设备的尺寸，满足有限空间下的安装使用。但SF6是一种很强的温室气体，SF6气体的温室效应为CO2气体的23900倍，排放到大气后能存在3200年。N2／SF6混合气体、CF3I、c-C4F8和CF4、3M Novec™4710介质气体等一些人造气体都作为SF6的替代气体被研究。
1，N2／SF6混合气体
已有研究表明在SF6中加入N2，CO2或空气等普通气体构成二元混合气体显出多方面的优越性，且其可行性已被国内外许多实验证明，N2／SF6混合气体具有良好的绝缘性能，即使在SF6含量低情况下。用SF6气体含量100／20，就可以达到适当的绝缘性能，而10％～20％SF6气体含量从技术、生态和环境可靠性等方面考虑，为了达到纯SF6气体的绝缘强度，只需适当提高压力45％～70％，而且SF6的用量及其漏气率将减少约70％-85％。由于电极曲率和粗糙度而引起的场强增加也在设备设计中容易考虑。这种混合气体中，在有杂质存在下的击穿电压略低于具有同等绝缘强度的纯SF6气体。N2／SF6混合气体从生态和经济角度看，是个很好的替代气体。即使80％N2、20％SF6的混合气体也还有纯N2或空气二倍以上的电强度SF6混合气体只能用作绝缘介质，而不能作断路器中的灭弧介质。SF6／N2混合气体可用于GIS中承担绝缘任务的所有部分，但不能用于需要灭弧的隔室。充气输电管线（GIL）由同轴铝合金管体组成。管线在地上直接铺设如同管路一样。西门子公司最新研发出GIL。该公司通过采用各种办法使550kV GIL的总费减少一半以上。降低费用的主要原因，就是使用80％N2、20％SF6混合气体，使用N2作为主绝缘。
2，C-C4F8及其混合气体
C-C4F8是一种无色、无味、不可燃的气体；温室效应指数为8700，是SF6的三分之一，对环境的影响远远小于SF6；而且这种气体完全无毒，无臭氧影响。C-C4F8气体在低能范围内有很高的附着截面，纯净c-C4F8气体在均匀电场下的绝缘强度是SF6气体的1.18 —1.25倍左右高的绝缘强度，对电极表面粗糙度敏感性低。在温度高于633K，c-C4F8气体才会分解，主要通过单分子分解反应。c-C4F8→2C2F4。纯净C-C4F8气体用作绝缘介质的一个缺点就是价格比较昂贵，目前它的价格差不多是SF6气体的十倍左右。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。最后一个缺点就是液化温度比较高，它的沸点为-6摄氏度：或-8摄氏度，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。并且正如日本东京大学指出的一样，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，C02等缓冲气体到c-C4F8气体中缓解甚至解决。
3，CF31气体
比较知名的试验是由日本一所高校一东京电机大学的Satoru yanabu教授和学生共同研究的，主要是针对CF31〔三氟碘甲烷）这个气体的试验。其实CF31作为制冷剂，已在制冷行业中有所应用。CF31有良好的导热性，且又是卤化物〔具有较好的电负性），所以它也就作为SF6的替代气体被列为研究重要对象，考察其开断能力。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆他们的研究方式是分别用纯SF6气体和CF31 –CO2（添加CO2之后，液化温度低，以适应电气设备的工作环境温度。混合气体，开断不同大小的电流，计算出其电弧时间常数和电弧能量损失系数。通过比对电弧时间常数和能量损失系数以判断气体的开断能力的好坏。他们得出结论：CF31的电弧时间常数接近SF6，而电弧能量损失系数为SF6的一半。所以CF31是SF6的理想替代气体，不过因为它的沸点比较低，所以需要添加其他气体如：CO2、N2等。添加了混合气体之后，弧开断能力没有明显下降，而沸点提高，不容易液化，有效增大了使用条件范围，使得CF31的混合气体替代SF6的可行性增大。
4，CF4气体
CF4气体也是当前比较热门的一种的灭弧气体。CF4气体的GWP值比SF6、c-C4F8都要小，而且沸点远比SF6、c-C4F8低，不易液化，可在高寒地区使用。另外，CF4气体和SF6气体（50%-50%）、c-C4F8气体混合后，能够成为一种低温室效应的良好绝缘介质。在c-C4F8与SF6相同百分比含量下，c-C4F8混合气体的耐电强度比SF6/CF4混合气体高8.25%〜17.72%。C-C4F8混合气体的温室效应指数比CF4气体和SF6混合气体低18.45%〜61.73%。
5，3M Novec™4710介质气体
Alstom 公司和3M公司 合作开发绿色环保气体G3气体。G3气体是一种基于 3M™的Novec™4710介质流体，并专门添加CO2等多种混合气体的一种绿色环保气体，其GWP值比SF6要小98%。G3气体有如下特点：高得绝缘强度好的灭弧性能。低沸点。高的热扩散性。与开关内材料，良好的融合性。易处理性。设计方便性。它也符合健康和安全条件（低毒性，没有闪点）和特定的环境要求等，没有臭氧损耗潜力。ABB 公司和3M公司合作开发绿色环保气体气体，这种气体是一种基于 3M™的Novec™4710介质流体，并专门添加Novec™5110混合气体的一种绿色环保气体，这一新技术将率先应用于瑞士苏黎世奥尔里克的一个变电站，并应用于瑞士电力公司EWZ的试点项目中。除了170千伏高压气体绝缘开关设备以外，ABB还将在中压气体绝缘开关设备中应用这种新气体混合物。
综述：SF6混合气体及替代气体的研究是目前前言的科学问题和研究热点，各大电气公司都在力推自己的替代方案，目前在全世界范围还没有形成统一的替代解决办法，积极研究SF6替代气体对提高我国在该领域研究水平以及促进环境友好型电力设备的发展具有重要意义。
参考文献：
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[2]黎斌．ＳＦ６高压电器设计【Ｍ】．北京：机械工业出版社
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[6]M. Taki et al.，Interruption Capability of CF3I Gas as a Substitution Candidate for SF6 Gas，IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol. 14，No. 2，2007.
作者简介：
艾华强（1979.05--）；性别：男，籍贯：河南省禹州人，硕士在读，本科 毕业于郑州大学；现有职称：中级工程师；研究方向：电气设备设计。
论文作者:艾华强,江牧
论文发表刊物:《电力设备》2015年8期供稿
论文发表时间:2016/3/1
标签：气体论文; 介质论文; 强度论文; 电弧论文; 开关设备论文; 是一种论文; 沸点论文; 《电力设备》2015年8期供稿论文;