第三节 SF₆混合气体

从20世纪70年代开始，就有学者研究使用SF₆和一些缓冲气体（如N₂、CO₂、Ar、He、空气等）的混合物来代替纯SF₆作为绝缘介质。但当时的出发点并非针对SF₆的温室效应问题，而是为了解决SF₆气体存在的液化温度过高、对电场均匀度敏感以及价格昂贵等问题。几十年来，关于SF₆混合气体的研究工作取得了一些进展。此外，在这些混合气体中，SF₆的含量仍然比较高（一般>20%），这并不能达到降低SF₆排放的目的。鉴于电力工业减排形势日益严峻，目前国内外关于SF₆混合气体的研究已开始转向低含量甚至微含量（5%～20%）的SF₆混合气体。

一、SF₆-N₂混合气体

目前来看，在各种SF₆混合气体中，SF₆-N₂最有工业应用前景。研究表明，SF₆含量为50%的SF₆-N₂混合气体在均匀电场中的耐电强度能达到纯SF₆的85%左右，并且由于混合气体的优异值比纯SF₆高，因此对电极表面缺陷及导电微粒的敏感度更低。目前，SF₆-N₂混合气体可作为绝缘介质应用于高压电力设备已得到了广泛的认可。西门子公司开发出了电压等级为550kV、输送容量为300MW，填充20%SF₆-80%N₂混合气体的GIL。在瑞士日内瓦机场240kV送电线路中已经采用了填充20%SF₆-80%N₂混合气体的GIL。日本东京大学研究人员利用气吹式断路器检测了SF₆气体混合物的电流开断能力，结果表明体积分数为75%SF₆-25%N₂混合气体的开断能力可以接近纯SF₆气体的80%。塞尔维亚贝尔格莱德大学的研究人员通过实验研究了冲击电压上升率对SF₆-N₂混合气体协同效应的影响，表明混合气体的协同效应随电压上升率增大而减弱，当电压上升率过高时协同效应几乎消失，同时指出体积分数配比为65%SF₆-35%N₂混合气体的协同效应最强，在不均匀场下的协同效应较均匀场更显著。2017年，国家电网公司响应国家节能环保要求，在GIS母线推广采用30%SF₆-70%N₂混合气体作为绝缘介质，目前已在多个110kV和220kV变电站进行了试点应用。但是由于SF₆-N₂混合气体的灭弧能力都远逊于纯SF₆，并且混合后气体的绝缘强度下降，反而需要增大压强以保证绝缘强度，这对设备的防泄漏水平提出了更高的要求。

二、SF₆-CF₄混合气体

CF₄气体具有良好的灭弧性能和较低的液化温度，在SF₆中加入适当的CF₄可以实现在绝缘与灭弧性能下降不多的前提下降低气体的液化温度，从而满足高寒地区的需求。目前，已经生产了一些相当成熟的产品，例如115kV/40kA SF₆-CF₄混合气体断路器，245kV/40kA、550kV/40kA甚至800kV/40kA的SF₆-CF₄混合气体断路器等。加拿大马尼托巴水电站为适应其低温环境，研制了一种充气压力为0.7MPa、以体积分数50%SF₆-50%CF₄为灭弧介质的115kV/40kA高压断路器。ABB公司也推出了其研制的额定电压为550kV、额定电流为4kA、开断容量为40kA的SF₆-CF₄断路器，并在多尔西换流站稳定运行。

三、SF₆-He混合气体

研究人员还研究了SF₆与惰性气体He混合物的绝缘和灭弧性能。He的热导率远高于SF₆，25%SF₆-75%He混合气体的介质恢复性能比纯SF₆高约10%，日本九州大学的研究人员也认为SF₆-He混合气体适用于开断线路短路故障。但由于和惰性气体混合后绝缘性能普遍不佳，目前多数处于基础研究阶段，没有成熟的产品得到实际应用。

短期来看，采用与缓冲气体混合的方法能一定程度上缓解SF₆温室效应严重、对环境不友好的问题。但只要人类继续生产和使用SF₆，这些气体最终都将会被排放到大气中去，并在长达数千年的时间周期里持续不断地对全球气候变暖产生影响。因此，寻找到绝缘性能与之相当且环境友好的SF₆替代气体才是最为彻底和有效的解决方法。