SF6替代气体研究进展

张浩楠

摘要：通过对SF6气体的发展变革及特性的介绍，了解到SF6可以作为良好绝缘体应用于高电压领域。但是其较高的温室效应，使得环境受到压力。国内外学者致力寻找替代SF6的环境友好型气体，并取得了相应的成果。本文从单一替代和混合替代两方面论述了其研究成果。

关键词：SF6；替代气体；绝缘

1、六氟化硫的历史及发展沿革

六氟化硫（SF6）气体问世至今已有近百年历史。1900年，法国化学家Moissan和Lebeau将固态S放入F2中燃烧，得到了人造惰性气体SF6，因其具有优良的电气绝缘特性和出色的灭弧性能，至此打开了人类电力工业的新纪元。

法国于1937年在高压绝缘电气设备上使用SF6，英国也与1941年将SF6用于电力变压器，翌年，前苏联在电力电缆中使用SF6作为高压绝，1955年，美国的Westinghouse公司研发了SF6断路器[1]。

我国于20世纪60年代初期，也步入了SF6电气设备的研发期。历经50余年的发展，目前我国形成了以黎明化工研究院、四川中核红华、四川天辰和兰州核工业504厂等等一大批量产六氟化硫的骨干厂家，年产量近万吨，且产品品质已接近并超过国际电工委员会（IEC）以及主要国家的六氟化硫质量标准[2-3]。

2、SF6气体的特性

六氟化硫（sulfurhexafluoride）,属于含氟电子化学品，其基本特性参数见表1.

SF6气体在常态下无色、无味、无毒、无嗅、不燃烧，其微溶于水、乙醇和乙醚。SF6相对分子质量大，大小为146，是N2的5.2倍。其密度为6.16kg/m3（20℃，101325Pa），约为空气的5倍。同体同压下，SF6气体比空气重[4]。SF6分子呈现出对称的八面体结构。SF6气体呈现惰性，是已知的气态物质中化学稳定性较好的，其在中不会产生分解，同时和酸碱盐类物质不会发生反应[2]。

表1SF6气体基本特性参数表

鉴于SF6气体分子由硫（S）和氟（F）元素组成，氟元素位于元素周期表（periodictable）上第Ⅶ族，其最外层有7个电子且氟元素具有很好的电子亲和能（某些元素的电子亲和能见表3），极易吸收1个电子形成稳定的8电子结构。所以SF6气体呈现电负性，即其气体中性分子容易吸收电子形成负离子，从而抑制放电的特性。当放电电弧产生时，SF6气体中性分子一方面吸收放电电子形成负离子，另一方面负离子与电弧中的正离子结合，这样使电弧放电过程中的带电质点数目降低，从而抑制放电，提高设备的击穿电压[6]。

表3某些元素的电子亲和能

基于以上原因，SF6气体具有突出的电气绝缘特性和灭弧特性等电气物理性质，被国内外各大设备厂商广泛应用于SF6断路器、气体绝缘变压器、GIS（气体绝缘金属封闭开关设备）、GIL（气体绝缘输电线路）等电力设备中，展现出了突出的社会和经济效益。

3、SF6气体使用时的危害

如今，尽管SF6气体在电力行业中展现了巨大的发展潜力，以至于电力行业对SF6气体的需求量连年递增，这一方面促进了电力工业发展和SF6产业链的蓬勃发展，另一方面也不断引起科研人员和环保人士对SF6气体的危害性的担忧。

使用SF6气体的高压设备在发生局部放电或者电弧放电时，在放电产生的高温作用下，SF6会产生热离解[7]。产生的分解物如SOF2、SO2F2、SOF4、SF4等，遇水会生成腐蚀性物质，对SF6设备的绝缘材料和金属材料产生严重的腐蚀作用，危及设备的绝缘安全，严重时可能会发生爆炸[1]。此外，SF6气体的全球温暖化潜能值（GWP）是CO2的23900余倍，在1997年的《京都议定书》中被列为限制使用的六大气体之一。所以在使用高压电气设备时，若对SF6气体管理或者操作不恰当，既存在使SF6气体泄漏至大气中，对大气造成污染的风险。同时由于SF6气体的分解物有毒，这样也会危机操作人员的人身安全与身体健康[8]。

4、研究机构针对SF6替代气体的研究进展

由于SF6气体存在严重的温室效应和化学分解物污染等一系列环境问题，引起了国内外学者的关注。几十年来，各大研究机构针对该问题展开了大量的研究和试验工作，并取得了许多有价值的成果。

4.1单一常规替代气体的研究进展

按照高压电气设备绝缘气体的要求，即化学性质稳定，不燃烧，不助燃，经济性和液化温度较低等要求。研究机构选定的单一的常规替代气体主要有CO2、N2和干燥的空气，这当中CO2以潜在的灭弧性能而备受关注。

ABB公司的科研人员基于一台高压断路器的样机，通过高电压试验比对断路器热开断能力与弧后的介质恢复特性，综合分析了SF6、CO2和高压空气三种气体介质的开断特性，通过比对试验结果表明CO2的灭弧性能优于压缩空气[9]。

日本东芝公司的科研人员经过比对上千种常规气体，对液化温度、卤族元素含量、温室效应以及稳定性等因素的分析和筛选，最终将单一替代气体的候选种类降低至9种，即N2、CO2、O2、高压空气和一些稀有气体。然后进一步对以上气体进行绝缘耐压试验，研究人员发现N2和CO2可以作为单一替代气体用于断路器等高压电力开关设备，N2、CO2与SF6的相关特性对比如表4。此外研究者通过试验测量了开断后的弧后电流、电弧时间常数等特性，研究了CO2气体的热开断能力，并研制的72kV等级、开断容量31.5kA的断路器样机[10]。

表4N2、CO2与SF6的相关特性对比

4.2SF6混合替代气体的研究进展

SF6气体自身具有良好的电气绝缘特性和化学稳定性，通过与其他具有绝缘特性的单一常规气体以适当比例混合，来减少SF6在设备中的使用量，同时解决SF6气体液化温度不低，对电场均匀度过于敏感等缺点，并且还可以降低造价[7]，具有十分重要的工程意义。

目前科研人员主要是针对SF6、CO2、N2、惰性气体、PFC(全氟烃类)等气体的混合，来研究混合比例与电气强度之间的关系，从而得到一定电气强度的混合气体。

SF6和N2混合气体是目前最早被研究的SF6混合气体，已经实际运用于一些高压电力设备。德国西门子公司研发的电压等级为550kV、输送容量为300MW，混合比例（按体积分数）SF6/N2为20%/80%的混合气体的气体绝缘输电线路GIL；阿尔斯通公司研制的以体积分数混合比例为20%/80%的SF6/N2混合绝缘气体为设备介质的240kV等级GIL已经在瑞士日内瓦机场成功获得了应用。

但是SF6混合替代气体在使用过程中，由于未完全摆脱SF6的使用，使之并未彻底摆脱环境保护问题。此外，诸如N2一类的常规气体虽然在与SF6作为混合绝缘的时候，表现出性质稳定等特性。但是常规气体的电负性能远小于SF6气体，这样使得综合绝缘水平小于SF6气体绝缘设备，大致约为后者的40%左右。即要达到相同的绝缘水平，在增大气压的同时，设备尺寸大小也要加大，对占地及运输等经济性指标带来影响。

5小结

本文综述了SF6气体的历史和发展沿革，SF6特性以及危害，进而阐述了国内外学者对SF6气体的替代研究。总结目前针对SF6替代气体研究的现状：1、单一常规替代气体中，CO2以潜在的灭弧性能受到关注。并且研究人员已经研制出相应的以CO2为介质的样机。2、SF6与其他具有绝缘特性的单一常规气体混合,减少了SF6使用量，但是降低了绝缘水平。

参考文献

[1]杜建军,徐慧超.SF6的发展、使用及回收再利用[J].电力环境保护,2009,25(5)：58-60.

[2]杨彦,李健,王蔓,等.六氟化硫特种气体及其发展前景[J].低温与特气,2006,24(2)：8-9.

[3]肖明亮.我国六氟化硫行业发展分析[J].化学推进剂与高分子材料,2010,8(4)：65-67.

[4]罗学琛.SF6气体绝缘全封闭组合电器[M].北京：中国电力出版社,1999.1-2.

[5]潘绍忠.国内六氟化硫生产、市场概况[J].有机氟工业,2005,(4):32-34.

[6]赵智大.高电压技术（第三版）[M].北京:中国电力出版社,2013.43-47.

[7]常美生.高电压技术（第三版）[M].北京:中国电力出版社,2012.50-55.

[8]丁繁荣,赵学军,张敏强.高压电气设备SF6气体危害及防范措施[J].电网技术,2007,31(2):26-29.

[9]StollerPC,SeegerM,IordanidisAA,etal.CO2asanarcinterruptionmediumingascircuitbreakers[J].IEEETransactionsonPlasmaScience，2013，41(8)：2359-2369.

[10]李兴文,赵虎.SF6替代气体的研究进展综述[J].高电压技术,2016,42(6):1695-1701.