第二节 常规气体

常规环保气体主要为自然界本身存在的气体，如干燥空气、N₂和CO₂等。这三种气体化学性质都比较稳定，价格便宜，不易燃且不助燃，液化温度也远低于SF₆，因此在电力设备中已经作为绝缘或灭弧介质得到了较为广泛的应用。

一、干燥空气

干燥空气是指水分去除后的空气。其制备有两种方式，一是采用吸附或冷凝直接将空气中的水分去除；二是根据空气中各组分的比例进行人工混配。但无论采取何种方式，干燥空气的绝缘性能只能达到SF₆的30%左右，灭弧能力也与SF₆相差甚远，因此通常只能作为绝缘介质应用于中高压设备中，无法作为灭弧介质来使用。如ABB公司推出的SafeAir系列开关柜、施耐德公司推出的GM AirseT、RM AirseT和SM AirseT系列中压开关柜等均采用干燥空气作为绝缘介质，真空作为灭弧介质，有效地减少了SF₆气体的使用，取得了良好的环境效益。此外，西门子公司还将干燥空气应用于8VN1型GIS设备中作为绝缘介质，额定电压等级达到145kV，扩展了干燥空气的应用范围。可以看出，尽管原料获取简单、制备成本较低，但干燥空气电气性能较差，决定其只能在部分场景下作为一种新的环保气体选择，并不能真正取代SF₆。

二、N₂

N₂为无色、无味、无毒和不燃的惰性气体。N₂是已知的双原子分子中最稳定的气体，将它分解为原子需要吸收941.69kJ/mol的能量，即使加热到3273K时，只有0.1%离解，在电弧作用下也不会产生有毒物质。N₂临界温度为-146.9℃，对于常规的使用环境无液化问题。N₂分子直径较小，电子、离子在N₂中平均自由行程比在SF₆气体中更大，因此在电场作用的运动下，相继两次碰撞间积累的动能也更大，更容易造成气体分子的电离。N₂在均匀电场下的绝缘强度约为SF₆的30%，但导热性能较好。如不考虑对流散热，N₂的导热性能约为SF₆的2倍，在开关设备中可将发热导体的热量迅速传递到开关柜壳体上从而向大气环境散热。但与SF₆相比，N₂的密度、比热更小，携带的热量也更少，但黏度却更大，因此在气压、温度相同的情况下，N₂的对流换热系数小于SF₆，整体散热及灭弧性能远小于SF₆。与干燥空气类似，目前N₂主要作为绝缘介质用于中压开关柜、环网柜中。在高压领域应用较少，也无法作为灭弧介质来使用。

三、CO₂

CO₂在常温常压下是一种无色、无味的气体，也是空气的组分之一。CO₂的熔点为-56.6℃，沸点为-78.5℃，密度比空气密度大。CO₂的化学性质不活泼，热稳定性很高，不能燃烧，通常也不支持燃烧。目前，CO₂已作为绝缘和灭弧介质在电力设备中得到了应用。日本东芝公司的研究者曾对上千种气体进行SF₆替代气体筛选，综合考虑液化温度、毒性与腐蚀性、稳定性、温室效应等因素，最终确定仅有CO₂和N₂可能作为单一气体或混合气体的主要成分应用于电力开关设备。ABB公司的研究人员发现，在14个大气压下冷态气体吹弧的情况下，SF₆可以开断上升率为16A/μs的电流，CO₂则可以开断大约10.5A/μs的电流。日本东京电机大学的研究者选择CO₂作为灭弧介质，发现气压从0.2MPa提高到0.6MPa可以把电弧功率损耗从0.32kW提高到0.78kW，并将燃弧时间常数从1.3μs减少到0.7μs，电流峰值为1.1kA。研究结果表明，纯CO₂的灭弧性能大约为SF₆的一半，在CO₂中添加O₂可以适当改善其灭弧性能。但是需要注意的是，以上的灭弧性能都是在小电流情况下得到的，且在实际工程应用中只有纯CO₂断路器得到了应用，其开断能力都在31.5kA水平，不适用于72.5kV及以上开关设备。

总之，常规气体都是自然界本身就存在的，温室效应极低，对环境没有影响，在环保方面是理想的SF₆替代品。但由于这些常规气体电气性能都较差，无论是在绝缘方面，还是在灭弧方面，都和SF₆有较大的差距，因此一般只能在126kV及以下设备中使用。尤其是“常规气体绝缘+真空断路器灭弧”的技术路线已经在中压开关设备中被广泛应用，但往更高电压等级推广目前还需要进一步研究攻克。