第三節 SF₆混合氣體

從20世紀70年代開始，就有學者研究使用SF₆和一些緩沖氣體（如N₂、CO₂、Ar、He、空氣等）的混合物來代替純SF₆作為絕緣介質。但當時的出發點并非針對SF₆的溫室效應問題，而是為了解決SF₆氣體存在的液化溫度過高、對電場均勻度敏感以及價格昂貴等問題。幾十年來，關于SF₆混合氣體的研究工作取得了一些進展。此外，在這些混合氣體中，SF₆的含量仍然比較高（一般>20%），這并不能達到降低SF₆排放的目的。鑒于電力工業減排形勢日益嚴峻，目前國內外關于SF₆混合氣體的研究已開始轉向低含量甚至微含量（5%～20%）的SF₆混合氣體。

一、SF₆-N₂混合氣體

目前來看，在各種SF₆混合氣體中，SF₆-N₂最有工業應用前景。研究表明，SF₆含量為50%的SF₆-N₂混合氣體在均勻電場中的耐電強度能達到純SF₆的85%左右，并且由于混合氣體的優異值比純SF₆高，因此對電極表面缺陷及導電微粒的敏感度更低。目前，SF₆-N₂混合氣體可作為絕緣介質應用于高壓電力設備已得到了廣泛的認可。西門子公司開發出了電壓等級為550kV、輸送容量為300MW，填充20%SF₆-80%N₂混合氣體的GIL。在瑞士日內瓦機場240kV送電線路中已經采用了填充20%SF₆-80%N₂混合氣體的GIL。日本東京大學研究人員利用氣吹式斷路器檢測了SF₆氣體混合物的電流開斷能力，結果表明體積分數為75%SF₆-25%N₂混合氣體的開斷能力可以接近純SF₆氣體的80%。塞爾維亞貝爾格萊德大學的研究人員通過實驗研究了沖擊電壓上升率對SF₆-N₂混合氣體協同效應的影響，表明混合氣體的協同效應隨電壓上升率增大而減弱，當電壓上升率過高時協同效應幾乎消失，同時指出體積分數配比為65%SF₆-35%N₂混合氣體的協同效應最強，在不均勻場下的協同效應較均勻場更顯著。2017年，國家電網公司響應國家節能環保要求，在GIS母線推廣采用30%SF₆-70%N₂混合氣體作為絕緣介質，目前已在多個110kV和220kV變電站進行了試點應用。但是由于SF₆-N₂混合氣體的滅弧能力都遠遜于純SF₆，并且混合后氣體的絕緣強度下降，反而需要增大壓強以保證絕緣強度，這對設備的防泄漏水平提出了更高的要求。

二、SF₆-CF₄混合氣體

CF₄氣體具有良好的滅弧性能和較低的液化溫度，在SF₆中加入適當的CF₄可以實現在絕緣與滅弧性能下降不多的前提下降低氣體的液化溫度，從而滿足高寒地區的需求。目前，已經生產了一些相當成熟的產品，例如115kV/40kA SF₆-CF₄混合氣體斷路器，245kV/40kA、550kV/40kA甚至800kV/40kA的SF₆-CF₄混合氣體斷路器等。加拿大馬尼托巴水電站為適應其低溫環境，研制了一種充氣壓力為0.7MPa、以體積分數50%SF₆-50%CF₄為滅弧介質的115kV/40kA高壓斷路器。ABB公司也推出了其研制的額定電壓為550kV、額定電流為4kA、開斷容量為40kA的SF₆-CF₄斷路器，并在多爾西換流站穩定運行。

三、SF₆-He混合氣體

研究人員還研究了SF₆與惰性氣體He混合物的絕緣和滅弧性能。He的熱導率遠高于SF₆，25%SF₆-75%He混合氣體的介質恢復性能比純SF₆高約10%，日本九州大學的研究人員也認為SF₆-He混合氣體適用于開斷線路短路故障。但由于和惰性氣體混合后絕緣性能普遍不佳，目前多數處于基礎研究階段，沒有成熟的產品得到實際應用。

短期來看，采用與緩沖氣體混合的方法能一定程度上緩解SF₆溫室效應嚴重、對環境不友好的問題。但只要人類繼續生產和使用SF₆，這些氣體最終都將會被排放到大氣中去，并在長達數千年的時間周期里持續不斷地對全球氣候變暖產生影響。因此，尋找到絕緣性能與之相當且環境友好的SF₆替代氣體才是最為徹底和有效的解決方法。