sf6气体密度下降

随着电力行业的发展SF6的使用量飞速上涨[1]。SF6气体绝缘设备的调试、检修以及气体的泄露和回收都会使得SF6进入大气环境中。然而，SF6气体被公认为一种对大气环境有较大危害的温室气体，其温室效应潜在值（,GWP）是CO2的倍，在大气中的存活寿命为3400年[2]。

联合国气候变化公约缔约方在1997年签订的《京都议定书》中，将SF6列为六种限制性使用的温室气体之一，并要求限制SF6的使用。美国、欧盟、英国和日本政府均与电力公司合作，提出一系列减少温室气体排放的措施，且美国加州提出从2020年开始逐年降低电气领域SF6使用量，欧盟计划在2030年将SF6排放量缩减到2014年的2/3[3]。大气中的SF6气体的含量以每年8.7%的速度增长[4]，到目前为止，SF6气体占温室气体总排量已经超过15%，因此寻找环境友好型的SF6替代气体作为绝缘介质用于电气设备刻不容缓。

SF6在大功率电弧、火花放电和电晕放电作用下会发生不同程度的分解，生成各种低氟硫化物（SFx，x=1,2,3,4,5），如果SF6气体绝缘装备内部同时存在微量的H2O和O2等杂质成分，其分解物还会进一步与之发生反应，生成如、SOF2、SO2、HF和H2S等组分气体[5-9]，这些分解气体有不同程度的毒性，给电力从业者带来安全隐患[10]。因此SF6的削减和替代是电力行业急需解决的问题，同时具有极大的环境效益和社会效益。

从20世纪70年代各国学者便开始寻找环境友好型气体，探究不同气体和绝缘性能并分析替代SF6的可行性。目前主要研究的替代气体有三类：常规气体（空气、N2和CO2）、SF6混合气体和强电负性气体及其混合气体。

针对三类气体除了气体本身的理化性质，还进行了电气性能方面的试验和理论探究，试验测量不同工况下（直流、交流和冲击电压）替代气体的局部放电特性、击穿特性和灭弧特性等表征绝缘能力的参数，并分析不同替代气体的绝缘性能受到气压、电场均匀度和电极间距的影响，从试验数据直观了解不同气体的绝缘性能。

理论方面主要从微观层面分析气体的分子结构，计算气体的碰撞截面参数，再通过求解玻耳兹曼方程或者蒙特卡洛模拟方法进一步计算电场评估气体的绝缘性能，结合局部热动力学方程计算微观粒子的热动力学参数（比热、质量密度和焓值）和输运参数（扩散系数、粘性系数、导热系数和电导率），判断气体的灭弧性能，并与SF6进行比较，为替代的可能性提供理论支撑。微观参数的计算比较复杂且受到多种因素的影响，计算的准确性和合理性还需要经过试验验证。

本文分析了三种类型替代气体的研究现状总结现有的研究成果，从理化性质、绝缘性能、灭弧特性、机理研究以及工程应用等方面进行了详细的归纳总结，并指出了不同替代气体的局限和适用范围。最后结合当前研究现状和存在的问题，指出替代气体未来研究的趋势和发展的前景。

1常规气体

常规气体主要为干燥空气、N2、CO2以及相应的混合气体，由于常规气体理化性质比较稳定，制备成本较低，液化温度远低于SF6，且有较低的温室效应，应用于气体绝缘设备中的前景受到较大关注。

日本日立公司研究发现气压为空气的绝缘强度大于纯N2和CO2，与（O2体积分数为20%）绝缘强度相当，并指出下空气的绝缘强度为（SF6体积分数为5%）的95%[11]。日本名古屋大学研究了CO2混合N2、O2、He和空气的电流开断能力，研究发现30%CO2混合O2或He击穿后残余电弧的电导下降更快，开断能力明显提高[12]。日本AE电力公司研究了空气和N2在棒-板电极下的局部放电和击穿特性，两者的局部放电起始电压几乎相同但空气的击穿电压大于纯N2[13]。

法国图卢兹大学的等计算了CO2、N2和O2及其混合气体的电子崩参数，比较了CO2混合N2和O2的临界场强，为分析绝缘特性提供了理论基础[14]。东京电力公司对CO2和N2进行了大量的实验研究，探究非标准雷电冲击电压下的击穿特性和伏秒特性，分析替代SF6应用于GIS中的可能性[15,16]。

ABB公司的等研究了CO2在断路器中的灭弧能力，并与空气和SF6进行比较，CO2的灭弧能力优于空气，有可能替代SF6，但需要优化断路器的结构[17]。挪威科技大学的N.S.Aanensen等测试了空气对440A、630A和880A电流的开断能力，分析了触头和喷嘴尺寸以及空气流速对开断能力的影响[18]。

常规气体与固体相结合的绝缘方式也有一定的研究成果，在电极表面添加固体绝缘涂料，增加设备的绝缘能力，日本试图将高气压的N2与固体绝缘材料结合应用在GIS中，不改变设备的尺寸的条件下，采用1.0MPaN2与固体绝缘材料结合可以替代0.5MPa的SF6[19]。日本明电舍公司研究了空气、N2与固体复合绝缘材料在开关设备中的应用，电极添加固体涂料可以使击穿电压提高到原来的1.5倍[20]。

日本东芝三菱输配电株式公社采用CO2与固体绝缘材料结合的方法设计并制造了72.5～31.5kV等级的CO2气体绝缘开关柜，经过测试结果满足绝缘需求[21]。韩国忠北国立大学试验研究空气与硫化硅橡胶组合绝缘的雷电冲击击穿特性，组合绝缘的击穿电压高于纯干燥空气，为组合绝缘应用于GIS、GIL以及GCB等设备提供了基本的数据支持[22]。

常规气体虽然性质稳定，在部分中低压设备中作为绝缘介质可以替代SF6，但是气体分子吸附电子的能力远小于SF6，导致绝缘强度小于SF6的40%。在设备中使用常规气体一般要增大气压同时增大电气设备的尺寸，造成设备占地面积增加，经济成本也相对增加，不利于大范围的推广使用。

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2SF6混合气体

20世纪70年代，SF6混合气体作为绝缘介质的研究逐渐展开，当时首要目的是为了解决高寒地区SF6气体容易液化、SF6气体价格昂贵以及SF6对不均匀电场较敏感等问题。目前SF6混合气体研究主要包括空气、N2、CO2、N2O、CF4以及一些惰性气体。

温莎大学学者于20世纪70年代在均匀和不均匀电场下施加直流、交流和脉冲电压研究SF6与空气，N2O和N2混合气体的击穿特性。SF6/N2（SF6含量在50%～60%）混合气体介电强度可达到SF6的85%～90%，且可以提高在极不均匀电场下的脉冲和交流击穿强度，运行气压可以比SF6极限压强高600kPa，800kV输电线路的混合气体成本为SF6的21%[23]。

美国西屋电气公司L.E.Kline等通过求解玻耳兹曼方程电子能量分布，计算SF6及其混合气体（He和N2）的电离系数、附着系数和极限击穿场强，在理论上分析了SF6及与He和N2混合气体替代SF6的可能性[24]。进入20世纪80年代，A.Lee等研究SF6和其混合气体在灭弧室的开断能力，评估了十五种气体以及混合气体60Hz交流电的灭弧性能，结果表明这些参与测试的气体及混合气体灭弧性能均低于SF6[25]。

印度科学研究所R.S.Nema等给出计算SF6及其混合气体在均匀和不均匀场强下的击穿电压的公式，并提供了计算不同SF6混合物（N2、空气、N2O，其中SF6含量为5%～100%）击穿电压对应的系数[26]。温莎大学的R.S.Safar等研究了负极性脉冲电压不均匀电场下SF6与N2、空气和CO2混合气体的击穿特性，三种混合气体中SF6/CO2击穿电压最高甚至略高于纯SF6[27]。

西安交通大学的邱毓昌带领团队对SF6与空气、N2O、N2和CO2等的混合气体在不同电场条件下的绝缘特性进行了系统研究[28]并与国内生产厂家合作先后开发了SF6混合气体绝缘变压器、电容器以及开关柜等电力设备。SF6混合气体作为绝缘介质的电力设备也在实际工程得到了应用，德国西门子公司研发的世界上第一条SF6/N2混合气体GIL于2001年在瑞士日内瓦国际机场投入运行[29]，目前SF6/N2混合气体GIL已成功应用在245～550kV线路中。

基于直流高压设备在电力系统建设中的需求逐渐增高，华北电力大学李庆民、王健等学者建立了直流电压同轴圆柱电极下金属微粒在SF6/N2混合气体中的运动模型，为研究微粒对SF6/N2混合气体绝缘性能的影响提供研究基础[30]。西安交通大学的张乔根等对SF6/N2混合气体进行了研究和分析，并提出一种新的计算和衡量协同效应的方法，并发现混合气体的低气压下负极性雷电冲击的击穿电压和高气压下正极性雷电冲击的击穿电压出现负协同效应[31]。

研究发现CF4具有突出的灭弧性能[32]，因此与SF6混合气体的绝缘性能也受到关注。韩国仁荷大学的学者C.H.Hwang等试验研究了SF6/CF4混合气体在25.8kVGIS中的击穿特性[33]。韩国汉阳大学的学者S.H.Lee等比较了N2、SF6和CF4在低温下高压套管内的击穿特性，CF4液化温度较低且高寒环境中表现出较突出的绝缘特性[34]。

上海交通大学的肖登明团队对SF6/CF4混合气体微观参数进行了计算，通过蒙特卡洛模拟SF6/CF4混合气体放电的电子崩参数，讨论了混合CF4后SF6电子崩参数的变化[35,36]。西安交通大学赵虎和李兴文等对SF6/CF4混合气体击穿特性展开研究，通过求解玻耳兹曼方程求解冷态气体和热态气体的电子能量分布、电离和吸附反应系数得到折合临界场强，判断混合气体的击穿特性[37,38]。

M.J.Pinheiro等通过两项近似求解玻耳兹曼方程得到SF6与He、Xe、CO2和N2混合气体的有效电离系数和临界击穿场强，计算结果发现四种混合气体SF6与N2混合气体的临界击穿场强最高[39]。日本九州大学的K.Tomita等研究了20%SF6与80%Ar混合气体在断路器中的开断能力，分析了电弧熄灭的发展过程并测量灭弧过程中的电子密度，混合气体电弧的熄灭速度大于纯Ar[40]。

西安交通大学的王伟宗、荣命哲等计算了高压断路器中300～3500K高温下SF6与He混合气体的有效电离系数和临界击穿场强，混合气体具有较好的开断能力归因于He原子本身具有较高的比热和热导率[41]。

SF6混合气体在绝缘电气设备的推广和使用可以一定程度减少SF6气体的使用量和排放量，但是不能彻底避免SF6的使用，无法从根本上解决温室效应问题。SF6混合其他气体后液化温度会降低，具有一定的工程意义，但是SF6混合气体绝缘性能和灭弧性能都有不同程度的下降，其适用范围受到局限。

3电负性气体及其混合气体

3.1电负性气体

除上述常规气体和SF6混合气体外，一些物理化学性质稳定、绝缘强度高且温室效应较低的电负性气体在电气领域中的研究取得一些成果。一些氢氟碳化物（Hydrofluorocarbons,HFCs）和全氟化碳（Perfluorocarbons,PFCs）气体因其优良的介电特性、较强的电负性和相对较低的温室效应而被关注。常见的电负性气体有CF3I、c-C4F8、C3F8和C2F6等。表1为几种气体的特性参数[42]。

近些年，CF3I作为一种性能稳定的典型电负性气体受到绝缘介质研究领域的关注，CF3I气体在理化性能、热力学性质以及电气性能方面都表现突出。墨西哥学者DeUrquijoJ.通过脉冲汤森实验研究了CF3I的电子漂移速度，有效电离系数和临界电场强度等参数。研究表明纯CF3I的电子漂移速度要略低于SF6，且纯CF3I的临界场强为437Td（1Td=1017Vcm2），大于纯SF6（SF6为360Td）[43]。

法国Laplace实验室Cressault计算了CF3I的平衡组成、热力学性质（质量密度、焓值和定压比热）和传输特性（电导率、热导率和粘度）并与SF6进行对比。计算结果证实CF3I和SF6的导热率接近，CF3I在传导热量和灭弧方面可以达到与SF6的水平；纯CF3I和CF3I混合气体的电导率都要低于纯SF6，这也证实了CF3I及其混合气体具有较强的绝缘能力，相对SF6更容易抑制放电的产生和发展[44]。

东京电机大学研究人员通过在球-球间隙下施加标准雷电冲击电压，纯CF3I的击穿性能是SF6的1.2倍左右[45]。东京大学武田敏信等研究了纯CF3I与聚四氟乙烯界面上冲击电压下的绝缘特性，CF3I的第一次沿面闪络电压是SF6的1～1.2倍，之后降到SF6的0.6倍左右并保持，界面上有碘固体析出影响绝缘性能[46]。碘的出现可能导致介电强度的下降：经过长时间多次（1300次）高压击穿，CF3I的闪络电压下降11%[47]。

东京大学对比了波头时间为16ns、峰值为200kV的冲击电压下CF3I与SF6在不同均匀度电场下的伏秒特性，结果表明电场利用率越高，sf6气体密度下降CF3I的伏秒特性越好；在低电场利用率下，SF6的伏秒特性更佳[48]。相比SF6气体，CF3I气体的伏秒特性受电场不均匀程度影响更严重[45]。

日本九州工业大学使用气相色谱-质谱联用仪（GC-MS）研究了不同放电量下局部放电CF3I分解产物的组成以及变化趋势。发现CF3I局部放电分解产生C2F6、C2F4、C2F5I、C3F8、CHF3、C3F6和CH3I等产物，其中CH3I是放电累积到一定时间后出现的气体。分解产物中C2F6含量最高，其次是C2F4，其他的产物含量极少，CF3I局部放电后并不能完全恢复到原始状态[49]。

重庆大学学者通过密度泛函理论对常温常压下含有微量水分的CF3I放电分解过程进行仿真分析，研究表明水的存在会破坏CF3I自身的动态平衡，降低其绝缘性能[50]。

日本京都大学的宅間董（TakumaTadasu）等对c-C4F8气体的绝缘性能进行了探索，发现纯净的c-C4F8气体在均匀电场下的绝缘性能是SF6气体的1.18～1.25倍，但该气体液化温度较高无法在低温高海拔地区使用[51]。

中国电力科学研究院电工研究所研究了c-C4F8的局部放电特性，证实纯c-C4F8气体的局部放电起始电压是纯SF6气体的1.3倍左右[52]；同时研究了c-C4F8在局部过热、局部放电、火花放电及电弧放电等故障下的分解产物，并对故障生成物的危害性进行了探讨[53]。

20世纪80年代，J.C.Devins研究了C3F8和C2F6等多种电负性气体的击穿电压，认为C3F8绝缘性能大于C2F6[54]。上海交通大学学者基于稳态汤森（SteadyStateTownsend,SST）采用两项近似方法求解玻耳兹曼方程，使用修正的碰撞截面计算了C3F8临界击穿场强为338Td，认为其绝缘性能与SF6相当[55]。墨西哥学者DeUrquijoJ.计算了C2F6临界击穿场强为304Td，约为SF6的0.84[56]。

CF3I和c-C4F8绝缘性能可达到SF6的1.2倍以上，表现出较大的替代潜力，C3F8和C2F6绝缘性能略低于SF6，且受到气压、温度等因素的影响较大。由于纯电负性气体普遍具有相对较高的液化温度（尤其是CF3I、c-C4F8和C3F8），使得难以直接获得应用，必须与液化温度较低的缓冲气体混合使用。

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3.2电负性气体混合气体

缓冲气体一般选择为N2或CO2，这两种气体性质稳定，液化温度分别为196℃和78℃，与电负性气体混合后可极大的改善液化温度性能。

日本名古屋大学的Y.Yokomizu等对CF3I/CO2高温等离子体进行了相关研究，发现温度低于10000K条件下，CF3I/CO2的电导率随CF3I增加而提升，在7000K左右，其热导率与CF3I有关；当CF3I在混合气体的质量分数高于0.9后，其电弧电导率下降，灭弧能力增强[57]。

东京电机大学试验研究雷电冲击电压下球-球电极的50%击穿电压，CF3I/CO2中CF3I含量为60%时，其绝缘强度可以达到纯SF6水平，30%/70%的CF3I/CO2混合气体绝缘强度为纯SF6的0.75～0.8倍，随着CF3I体积分数的增加，CF3I/CO2混合气体的击穿强度呈线性增长[58]。

法国格勒诺布尔大学研究人员使用球-球电极模型模拟准均匀电场测试CF3I/N2混合气体的直流击穿绝缘特性。相同比例下，CF3I/N2击穿电压比SF6/N2低，随着CF3I混合比的增加，CF3I/N2混合气体的直流击穿电压呈近似的线性增长趋势，而SF6/N2呈现出非线性增长趋势[59]。

华北电力大学的屠幼萍通过直流击穿试验证明30%/70%的CF3I/N2与20%/80%的SF6/N2的绝缘性能相当[60]。重庆大学学者实验探究了CF3I/N2的击穿特性及受气压和电场均匀度的影响程度，指出气压0.3MPa时30%CF3I与70%N2混合可以作为绝缘介质运用在绝缘要求不高的中压电力设备中[61]。

东京大学使用相同冲击电压在电场利用系数为0.89、间距为10mm的球-板电极下对CF3I/N2及CF3I/空气等混合气体的伏秒特性进行了研究，试验结果表明：CF3I气体的混合比达到60%时，CF3I/N2及CF3I/空气混合气体的伏秒特性与SF6气体近似相同[48]。

重庆大学学者研究了混合比、压强、电极间距等因素对CF3I/N2和CF3I/CO2两种混合气体工频局部放电特性的影响规律，并与相同条件下SF6及其混合气体进行了对比分析，研究结果表明：N2、CO2等缓冲气体可以降低混合气体的液化温度，CF3I/CO2混合气体的局部放电起始电压是相同条件下SF6/CO2的0.9～1.1倍，CF3I体积分数为30%～70%的CF3I/CO2混合气体PD性能达到纯SF6的0.74倍左右，CF3I体积分数为20%的CF3I/N2混合气体的工频局部放电起始电压达到相同条件下SF6/N2混合气体的0.92～0.94倍。CF3I/CO2混合气体表现出良好的协同效应，协同效应值为0.53[2,62-64]，并分析了CF3I/CO2混合气体运用在C-GIS中替代SF6的可行性[65]。

东京电机大学研究人员研究了CF3I/CO2和CF3I/N2混合气体在开断近区故障（ShortLineFault,SLF）和断路器端部故障（BreakerTerminalFault,BTF）中的开断性能，CF3I/CO2混合气体的开断性能表现出协同效应，而CF3I/N2混合气体协同效应不明显，CF3I的混合比例达到20%时，CF3I/CO2混合气体的SLF开断性能可以达到纯CF3I的95%；CF3I/N2（30%/70%）的BTF开断性能是SF6的0.32倍，而相同CF3I含量的CF3I/CO2混合气体BTF开断性能可以达到纯CF3I的水平[66,67]。

墨西哥学者Urquijo证实相同含量下，CF3I/CO2混合气体的电子漂移速度要低于CF3I/N2[43]。上海交通大学的肖登明教授通过求解玻耳兹曼方程在SST试验条件下证实CF3I与Ar、Xe、He、N2及CO2混合气体中CF3I/N2临界击穿场强最大，CF3I/CO2次之[42]；CF3I含量超过70%的CF3I/N2和CF3I/CO2混合气体电子漂移速度随电场的变化趋势与SF6接近，含量为75%的CF3I/CO2或CF3I/N2的临界击穿场强可以达到纯SF6水平[68]。

西安交通大学电力设备与电气绝缘国家重点实验室计算出了CF3I/N2和CF3I/CO2不同比例下混合气体的有效电离系数和临界场强，结果表明，当CF3I的体积含量大于65%时，CF3I/N2的临界击穿场强高于同比例SF6/N2，当CF3I的体积含量大于40%时，CF3I/CO2的临界击穿场强高于同比例SF6/CO2[69]。

日本京都大学的学者对c-C4F8与N2、空气和CO2混合气体在球-板电极和针-板电极下的绝缘性能展开讨论并研究其应用于GIL的可能性，在准均匀电场下，三类c-C4F8混合气体的绝缘强度与SF6/N2接近，而在均匀电场下，甚至要高于SF6/N2，且c-C4F8与N2、空气和CO2混合均呈现协同效应[70]。

国内上海交通大学的肖登明团队对c-C4F8与N2、CO2、N2O、CHF3和CF4等缓冲气体的混合气体进行了绝缘特性和放电机理的综合研究，利用SST实验方法测量了该种c-C4F8混合气体的电子崩电流，确定了有效电离系数和临界电场强度，并与SF6及其混合气体进行比较。

研究表明，c-C4F8/N2、c-C4F8/CO2和c-C4F8/CF4混合气体的绝缘强度随c-C4F8混合比的增加几乎呈线性增长，c-C4F8/N2与SF6/N2的工频绝缘强度相近，c-C4F8/CO2和c-C4F8/N2两种混合气体交流绝缘强度的最优混合比分别为10%和20%；当温度环境为0℃以上时，c-C4F8/N2和c-C4F8/N2O比c-C4F8/CO2和c-C4F8/CF4更有优势，当温度环境为20℃以上时，固定c-C4F8体积含量比为10%则c-C4F8/N2O/N2绝缘性能优于相同比例的c-C4F8/CO2/N2和c-C4F8/CO2/N2O；但c-C4F8在放电分解中会析出碳原子，降低了气体绝缘介质的绝缘性能[71-74]。20%C4F8与80%N2混合气体的局部放电性能与同比例的SF6/N2混合气体的局部放电性能相当，c-C4F8与N2局部放电性能具有协同效应，协同系数约为0.45[52]。

日本京都大学从击穿和局放的角度对C3F8/N2混合气体和C2F6/N2混合气体进行了研究，并与SF6/N2混合气体进行了对比分析，C3F8/N2和C2F6/N2混合气体的协同效应低于SF6/N2混合气体[75]。

东京市电力公司对C3F8和C2F6与N2或CO2的混合气体击穿特性进行了研究，研究表明20%C3F8与80%N2混合比气体表现出较好的特性[76]。西安交通大学对常温和高温C3F8混合气体进行了计算研究，发现常温下C3F8/N2具有较好的绝缘性能且远优于其他缓冲气体和C3F8的混合物，但在高温下C3F8的介电性能低于SF6[77]。

除此之外，阿尔斯通公司已研制出代号为g3的替代气体，阿尔斯通在2015年汉诺威工业博览会上展示了世界上首台使用绿色气体g3替代SF6设计的高压电气设备。g3气体主要由3M公司生产的Novec4710电子氟化液和CO2混合而成，与SF6相比，该气体可将温室效应减小98%。

交流电压下，将145kVGIS中的纯SF6气体替换成气压高于SF6气体0.1MPa的g3气体，绝缘强度可以接近SF6水平，g3气体也在420kV的GIL中被应用实践[78]。ABB公司探索C5F10O和C6F12O全氟酮类替代SF6气体的可行性[79]，但两种绝缘物质的液化温度较高（分别为25℃和49℃），使用可能会受到限制。

缓冲气体加入后CF3I不仅降低液化温度，还可以抑制其分解过程，CF3I混合一定比例的CO2后绝缘性能依然可达到CF3I的水平，甚至超过相同比例下的SF6混合气体。CF3I混合气体具有较大的应用前景，但目前并没有工程实践应用，针对其放电机理、混合气体的分解特性、灭弧性能以及受到外界条件的影响程度还需要进行深入的研究和探讨。

尽管c-C4F8、C3F8和C2F6相对于SF6的GWP值低，引起的温室效应也不可

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