第四节 新型环保气体
除上述单一常规气体和SF6混合气体外，近年来受一些制冷剂（如氟利昂）耐电强度远超SF6的启示，研究人员逐渐将视角转向制冷材料领域，并从中筛选出了一些物理化学性质稳定、绝缘强度高、温室效应较低的气体。其典型代表包括八氟环丁烷（c-C4F8）、三氟碘甲烷（CF3I）、全氟戊酮（C5F10O）、七氟异丁腈（C4F7N）等。其基本特性对比列于表1-2中。
表1-2新型环保气体性能
一、c-C4F8
c-C4F8常温下为无色无味的气体，化学性质稳定，无毒不燃。c-C4F8对环境的影响远远小于SF6，其ODP为零，且GWP为8700，仅为SF6的36%。更为重要的是，c-C4F8作为一种强电负性气体，其绝缘强度远高于SF6，而且对电极表面粗糙度敏感性低。然而，纯净的c-C4F8气体在电力设备中的应用存在着极大的局限性。根据不同的文献报道，c-C4F8的沸点为-6℃或-8℃，液化温度过高的缺陷极大地限制了纯c-C4F8气体的适用范围。为解决这一问题，通常的做法是考虑在c-C4F8中混合缓冲气体，如CO2、N2和CF4等来降低其液化温度。
2001年，日本电力中央研究所（Central Research Institute of Electric Power In-dustry，CRIEPI）及东京大学共同建议将c-C4F8作为绝缘介质应用于电气设备中来取代SF6。此后，日本、美国、墨西哥的研究人员相继从微观放电参数及宏观击穿特性等方面对c-C4F8的绝缘性能展开了研究，并取得一些进展。国内则有上海交通大学、西安交通大学、中科院电工所等高校和研究机构开展了理论或实验研究，分析了c-C4F8及其混合气体用于电气设备中的可行性。研究表明，在均匀电场下，80%比例的c-C4F8-O2混合气体能达到与纯SF6相当的绝缘水平，同时30%比例的c-C4F8-O2混合气体的绝缘性能可以达到纯SF6的70%左右。因此，综合考虑绝缘强度和液化温度，c-C4F8含量在30%以下的c-C4F8-N2混合气体可作为绝缘介质应用于中压设备中。
然而，由于c-C4F8属于全氟化碳类（PFCs），仍是《京都议定书》中规定的全球限制使用的温室气体，并且c-C4F8的沸点较高（-6℃或-8℃），在实际应用中存在很大的局限性。并且已有实验结果表明，在设备内部发生放电或过热故障时，c-C4F8混合气体会发生分解，在电极表面出现碳沉积现象，对设备内部绝缘构成潜在威胁。
二、CF3I
CF3I气体是近年来引起国内外广泛关注的一种环保型绝缘气体。它无色、无味、无臭、不燃，化学性质稳定，具有良好的油溶性和材料相容性，被认为是传统氟利昂制冷剂组元以及灭火材料“哈龙”的理想替代品之一，联合国环保署已将其列入了有希望的替代制冷剂目录。CF3I作为灭火材料具有灭火效率高、安全性能好、灭火后不留痕迹等特点，是哈龙1301和1211的优选替代品种。经美国消防协会（National Fire Protectian Association，NFPA）的标准认证，CF3I气体可正式应用于航空航天等特殊领域。国际标准化组织（International Organization for Standardi-zation，ISO）也出台了相应的标准文件，从灭火效率、环境影响、物化稳定性等方面对采用CF3I作为灭火剂的防火系统做出了明确的规定。
从元素组成来看，CF3I气体由最活泼的卤族元素氟（F）、碘（I）以及碳（C）结合而成。由于卤族元素极易捕捉电子，因此CF3I表现出了很强的电子吸附能力，这将有助于抑制电子崩的形成与发展，进而提高气体的绝缘强度。同时，由于C原子与3个F原子的诱导效应使得C原子附近的电子云密度大幅度下降，增强了C原子的电负性，使其电负性比I原子更强。CF3I与SF6的物化性质比较见表1-3。
表1-3 CF3I与SF6的物化性质比较
（续）
从表中可以看出，CF3I分子量较大，为195.1，是SF6的1.34倍，因而同体积、同压力的CF3I气体比SF6气体重。同时，CF3I在1个标准大气压下的沸点为-22.5℃，这表明CF3I气体在温度低于-22.5℃时就将由气态向液态转化。因此，在环境温度较低的情况下使用CF3I时要注意增温保暖，使其维持在气态。环境特性方面，CF3I是一种对环境极其友好的气体，其GWP几乎和CO2相当。根据文献对CF3I红外线及长波紫外线的吸收特性来看，CF3I的GWP约为CO2的1～5倍，远小于SF6。同时，由于CF3I分子结构中C-I化学键容易在太阳辐射的作用下发生光解，导致CF3I在大气中的存在时间很短（<2天）。这一特点极大地限制了CF3I气体向同温层的移动，因此尽管含有卤族元素氟和碘，CF3I也不会对臭氧层造成破坏。尤其是在中纬度地区，由于人类工业生产活动释放的CF3I对环境的影响甚至远远小于自然环境本身产生的碘代碳化物，比如CH3I等。基于以上结论，研究人员认为CF3I的臭氧消耗潜能值（ODP）小于0.008，甚至低于0.0001，通常情况下都忽略不计。表1-4为CF3I、SF6和CO2在环境特性方面的对比数据。
表1-4 CF3I、SF6和CO2的环境特性对比
从基本的特性参数来看，CF3I气体的元素组成和分子结构都预示CF3I有望获得良好的绝缘性能，尤其是CF3I在环境特性方面的优异表现，使之成为极具潜力的SF6替代气体。
研究表明，纯CF3I气体在均匀电场中的绝缘强度为SF6的1.19倍。在所有混合气体中，CF3I-N2的绝缘强度要高于CF3I与CO2或者与Ar、He、Xe等惰性气体的组合，并且当CF3I所占比例达到70%时，CF3I-N2混合气体能够达到与纯SF6相当的绝缘水平。此外，CF3I气体自身在电场敏感性方面要优于SF6，但与N2或CO2混合气体的协同效应均不如SF6-N2显著。另外，无论是在稍不均匀电场还是在极不均匀电场中，CF3I-N2混合气体的绝缘性能都要优于同等条件下的CF3I-CO2组合。其中，20%比例的CF3I-N2混合气体的绝缘强度约为纯SF6的50%。当CF3I比例为30%时，CF3I-N2混合气体能够达到纯SF6气体55%以上的绝缘水平。对于CF3I-CO2组合，30%比例的CF3I-CO2混合气体在稍不均匀电场中能达到纯SF6气体53%以上的绝缘水平，但在极不均匀电场中，相对绝缘强度依赖于气压变化，仅能达到SF6的42%～67%。综合考虑绝缘性能、环境指标以及液化温度等多方面因素，可采用20%～30%比例的CF3I-N2混合气体作为SF6替代介质应用于中低压电气设备中。
针对灭弧方面的应用，在开断峰值达1kA的近区短路故障电流时，CF3I-CO2混合气体的灭弧性能随CF3I比例的增加指数增长。其中，20%比例的CF3I-CO2混合气体的灭弧能力可以达到纯CF3I的95%，超过这一比例时，灭弧性能基本与纯CF3I相当。CF3I-N2混合气体的灭弧性能则始终随CF3I比例的增加线性增长，但整体低于CF3I-CO2混合气体。在开断峰值达3kA的断路器端部故障电流时，CF3I-CO2混合气体的灭弧性能同CF3I比例成指数增长关系。当CF3I含量大于30%时，基本能达到与纯CF3I同等的开断水平，但此时纯CF3I的灭弧性能已经下降到了SF6的0.67倍左右。同样地，CF3I-N2混合气体的灭弧性能依然随CF3I比例的增加线性增长。当CF3I比例达到30%时，灭弧性能约为纯SF6的0.32倍。当开断电流峰值达到20kA时，CF3I与CO2和N2混合气体的灭弧能力都大大降低，即使增加CF3I的比例，也不能明显提升混合气体的灭弧性能，最终都只能达到SF6的0.2倍左右。
此外，CF3I放电后主要气体分解产物为C2F5I，会析出大量固体碘单质附着在电极表面，这表明CF3I放电分解后难以复合，且污染电极，引起绝缘性能下降，可能造成绝缘闪络事故。同时，放电析出的碘单质有毒性和腐蚀性，对设备运行寿命及检修人员均存在一定的安全隐患。
三、C5F10O
全氟戊酮（C5F10O）又称全氟甲基异丙基酮，即3-三氟甲基-1，1，1，3，4，4，4-七氟丁-2-酮，CAS号为756-12-7，是一种具有极低GWP的新型SF6替代品。其分子量为266g/mol，沸点为26.9℃，凝固点为-110℃，临界温度为146℃，常压下气体密度为10.73kg/m3。与SF6对比，C5F10O主要优点在于它具有极低的GWP，与CO2相当，对环境友好，可以显著缓解SF6带来的温室效应。但缺点在于沸点过高，容易液化。
近年来，C5F10O因其优异的绝缘性能和环保性能被ABB公司用来作为替代SF6的新型绝缘混合气体中的主要成分。ABB公司对C5F10O与CO2或空气构成混合气体的绝缘与灭弧性能开展了大量研究，研究结果表明：C5F10O含量小于10%的C5F10O-CO2混合气体，气压为0.7MPa时，绝缘性能为0.4～0.45MPa时SF6的90%；6%C5F10O-11%O2与CO2混合气体的气压为0.7MPa时，开断能力比SF6下降20%。ABB公司在245kV/50kA的SF6断路器中充入了上述气体，通过了170kV/40kA的型式试验。C5F10O在常压下的液化温度高达26.5℃，在常温常压下呈现为液体，设备气压为0.16MPa时，构成的混合气体液化温度可低至-15℃。
由于C5F10O的液化温度较高，使得C5F10O混合气体应用环境受限，绝缘性能难以满足高电压等级设备的需求。同时C5F10O混合气体的开断性能、与其他材料的相容性等均仍存在较多的难题。
四、C4F7N
七氟异丁腈（C4F7N），即2-三氟甲基-2，3，3，3-四氟丙腈，CAS号为42532-60-5，是一种具有较低GWP的新型SF6替代品。其分子量为195g/mol，沸点为-4.7℃，凝固点为-117.8℃，临界温度为112.8℃，常压下气体密度为7.85kg/m3。与SF6对比，C4F7N主要优点在于其GWP低，且大气寿命短，属于环保型绝缘气体。
C4F7N常压下液化温度为-4.7℃，需与载气如CO2等混合来降低使用时的液化温度，被GE公司用于电气设备，提出了g3（C4F7N-CO2）气体。在相同气压下，C4F7N-CO2混合气体含10%的C4F7N时，绝缘强度就可达到SF6的90%。当C4F7N含量为4%～10%时，0.67MPa的C4F7N-CO2绝缘强度达到0.55MPaSF6的87%，而当气压提高至0.82MPa时，绝缘强度可达到SF6的96%。
GE公司采用C4F7N-CO2和SF6在420kV隔离开关上进行了灭弧试验，SF6额定设计气压为0.55MPa，含4%C4F7N的C4F7N-CO2与SF6的实验结果进行比较，可看出C4F7N-CO2的燃弧时间较SF6稍短，初步表明其灭弧性能接近SF6。GE公司已将g3气体（6%C4F7N-94%CO2混合气体，0.7MPa）应用于145kV电压等级的GIS中。据GE公司报道，C4F7N的导热性能不如SF6，但不影响其在GIL上的应用，GE公司已成功研制出420kV电压等级的GIL并在工程中投运，还包括采用g3气体的245kV电流互感器。