气体绝缘发展的三个阶段

气体有着其他绝缘介质无法比拟的特性：不会老化，使用寿命几乎没有限制；气体绝缘设备体积小、不受外界环境影响、运行安全可靠、配置灵活和维护简单、检修周期长等，加之在技术上的先进性和经济上的优越性，已广泛应用于城市供电、发电厂、大型工矿企业、石油化工、冶金和铁道电气化等高压输变电系统中，如气体绝缘变压器、输电线路、断路器、电缆、气体组合电器等，工作电压包括从35k V到1200k V的所有等级。

1）第一代绝缘气体——SF6

SF6是强电负性气体，其分子具有很强的吸附自由电子而形成负离子的能力，因而其耐电强度很高，在较均匀的电场中约为空气耐电强度的2.5倍，SF6气体是目前最理想的绝缘和灭弧介质。

大约在1940年前后，SF6首先被用作核物理的高压装置绝缘气体，大约从50年代末起，它被用作断路器的内绝缘和灭弧介质。1965年，金属封闭式SF6全绝缘组合电器首次公开展出。目前，用SF6绝缘的高压电器在电力系统成了必不可少的输电组合单元。在众多的高耐电强度电负性绝缘气体中，SF6气体是迄今为止唯一得到工业上应用的绝缘气体。SF6已经广泛应用于全封闭组合电器（GIS）和管道充气（C-GIT）中，同时也在电力变压器、直流输电换向阀和断路器等设备中获得应用。近年来还出现了全封闭的SF6气体绝缘变电站和管道充气电缆出线的供电系统。与传统的敞开式电气装置相比，以压缩的SF6气体为绝缘的组合电器（GIS）的空间占有率可以大大缩小，如500k V的GIS的体积只有敞开式的1/50。

SF6气体在应用中也存在一些不足之处。SF6是相对分子质量较大的重气体，液化温度较一般普通气体高，但是在压力较大、温度过低环境下，容易液化，因此SF6气体不适用于高寒地区；此外SF6气体价格昂贵，不适用于用气量大的电气设备。另外，SF6气体的耐电强度受非均匀电场、导电微粒和电极表面粗糙度的影响而急剧下降。在1997年通过的全球变暖《京都议定书》中，SF6气体被列入受限制的6种温室气体之一。因此，针对SF6气体的不足，寻找一种绝缘气体来替代SF6成为国内外学者的研究热点。

2）第二代绝缘气体——SF6混合气体

气体介质一般可以分为强电负性气体（α、η的数值均比较大，如SF6、CCl2F2等）、弱电负性气体（α≫η，如CO2等）和中性气体（η=0，如N2等）三种类型。当这些类型的气体组成二元混合气体后，其耐电强度与其混合比之间呈现一定的变化规律。由变化规律可以把二元混合气体分为正协同效应型、协同效应型、线性关系型和负协同效应型（见图5-3）。已有的研究表明，在SF6中加入N2、CO2或空气等普通气体构成的二元混合气体显示出多方面的优越性，且其可行性已被国际上许多实验证明，这是因为电负性气体吸附作用的存在和成分之间的影响使混合气体产生了协同效应。因此，寻找具有协同效应的混合气体是代替SF6的一种有效方法。其中，SF6/N2混合气体已经在工业中获得初步应用，它既可用于高压绝缘也可用于灭弧，混合气体中，SF6占40%～50%。主要原因是SF6/N2混合气体能有效地克服SF6气体的弱点。首先，SF6/N2能有效地解决SF6在严寒地区的液化问题，如一般的SF6开关在-30℃时气体已液化，而混合比为60/40的SF6/N2的液化温度在-40℃以下。其次，SF6/N2对用气量大的C-GIT能带来可观的经济效益，如混合比为50/50的SF6/N2可使C-GIT的气体费用减少40%。此外，SF6/N2对电极表面粗糙度和导电微粒的敏感性比SF6低，说明SF6/N2能提高电力设备的可靠性。而SF6/N2与SF6的耐电强度相比，下降甚少，如混合比为50/50的SF6/N2的耐电强度仅比SF6的耐电强度下降11%左右。20世纪90年代，西门子公司已研究出混合比为60/40的SF6/N2的500k V的断路器，成功地开断了6k A的短路电流。2003年，阿尔斯通公司研制的240k V的GIL（混合比为20/80的SF6/N2）已在瑞士机场获得了应用。

3）第三代绝缘气体——SF6替代气体（环保型气体）

从长远的角度来看，用混合气体替代纯SF6气体，无法从根本上解决SF6气体对环境的危害。SF6的温室效应问题是一个不容忽视的全球问题，要彻底解决这一问题，则需要用温室效应较小而耐电强度与SF6相当的气体替代SF6。

正如从SF6气体分子结构分析，SF6气体具有高的绝缘能力是因为它是一种强电负性气体。电负性气体的耐电强度都很高，其主要原因是其在低能范围内的附着截面比较大，易于附着电子形成负离子，而负离子的运动速度远小于电子，很容易和正离子发生复合，使气体中带电质点减少，因而放电的形成和发展比较困难。其次是这些气体的相对分子质量和分子直径都较大，使电子在其中的自由程缩短，不易积聚能量，因而减少了电子碰撞电离的能力。

所以，在研究新的绝缘气体替代SF6的工作中，应该选择电负性气体或卤化气体，实现高的绝缘能力，且具有较低的游离温度形成的高导热性能，以及复合截面大、低卤化成分的、环境友好的低全球变暖潜能值特性。表6-1给出了一些常见绝缘气体的物理性质和环保特性。

表6-1 一些常见绝缘气体的物理性质和环保特性

（续表）

在目前的研究中，选用的替代气体都属于PFC（全氟烃类），其全球变暖潜能值约为SF6的，因此，它们的使用能减少环境的温室效应。但它们的全球变暖潜能值还是较高（6000～9200），在环境中的寿命还较长（2-600～10000年），最后能否作为SF6的替代气体还需要进一步更深入的研究。人们真正期望的是环境友好的低全球变暖潜能值的SF6替代气体。综上所述，寻找优良环境指标的SF6替代绝缘气体的研究在国际上处于起步阶段。在全球环境问题极为严峻的形势下，寻找一种新的能够取代SF6的低温室效应气体显得尤为迫切，具有十分重要的意义。