Page 31 - 《精细化工》2022年第5期

第 5 期 张呈平，等: 电力绝缘用 SF 6 替代物的过去、现在和未来 ·885·

2.4 全氟酮 本相同，其电弧分解产物为 CF 4 、C 2 F 6 、C 3 F 8 、C 4 F 10
全氟酮在羰基基团和氟原子双重作用下，对自 等一系列全氟烃类化合物、CO 以及 CO 2 [25-26] 。由
由电子具有较强的吸附能力，捕捉形成的负离子相 于分解产物中全氟烃类普遍具有较高的绝缘强度，
比于 SF 6 的体积更大，从而降低了其平均自由程和 因此，全氟酮在多次击穿实验后仍保持原有的绝缘
活泼性，抑制了碰撞电离的发生，提升了气体的绝 性能。
缘强度。通过比较不同含氟酮的物性参数（见表 5），
表 5 全氟酮的物化性能比较
可以看出，全氟-3-甲基-2-丁酮（PFK-5110）和全氟-2- Table 5 Comparison of physical and chemical properties
甲基-3-戊酮（PFK-6112）的环境性能优异，具有极 of perfluoroketones
低的温室效应能力（GWP 100 <1） [20-21] 和优异的绝缘 化合物 PFK-5110 PFK-6112
性能，无毒 [22] ，但沸点较高。与 PFK-6112 相比， 沸点/℃ 26.9 49
PFK-5110 的沸点更低。综合环境性能、绝缘性能、 大气寿命/年 0.040 0.014
沸点以及毒性等因素，优选 PFK-5110。 GWP 100 <0.21 [21] ~0.29 [21]
PFK-5110 与低沸点稀释气体混合用作电力设 相对 SF 6 的绝缘强度 2.1 [27] 2.7 [27]
备的绝缘介质 [13] ，其摩尔分数一般≤20%。在 0.2 LC 50(4 h,大鼠)/(g/g) 0.02 >0.1
MPa 压力下，n(PFK-5110)∶n(CO 2 )=10∶90 的混合
瑞士 ABB 公司已经将 PFK-5110 与稀释气体组
气体的击穿电压约为 SF 6 的 62%；n(PFK-5110)∶
n(CO 2 )=20∶80 的混合气体的击穿电压约为 SF 6 的 成的绝缘气体用于 GIS、GCB 和高压开关柜等领域
84.5% [23] 。在 0.7 MPa 压力下，n(PFK-5110)∶n(O 2 )∶ （见表 6）。
n(CO 2 )=5.6∶5.6∶88.8 的混合气体绝缘强度相当于 PFK-5110 存在明显不足，其液化温度太高，使
SF 6 的 77% [24] 。 此外， 由于结构 上 的相似性 ， 其混合气体的应用环境受限，绝缘性能难以满足高
PFK-5110 和 PFK-6112 的电分解反应机理和产物基 电压等级设备的需求。

表 6 全氟甲基异丙基酮用作绝缘介质的应用
Table 6 Applications of perfluoromethyl isopropyl ketone as an insulating medium
应用情况
电压等 额定电
制造商 产品名称 投运年份 投运间隔 额定充气
级/kV 流/A 应用环保气体气室元件 环保介质
数/km 压力/MPa
瑞士 ABB GIS 2015 170 3150 8 断路器、隔离接地开关、母线 PFK-5110+CO 2+O 2 0.68
公司 开关柜 不详 24.0~40.5 2000 不详 断路器、隔离接地开关、母线 PFK-5110+N 2 与SF 6 相同
GCB 不详 72.5~145 2750~3150 不详 断路器 PFK-5110+N 2 不详

2.5 全氟腈 出现设备可检测到的热分解现象，其降解产物为
全氟腈含有氰基，可以增加综合碰撞截面的面 一氧化碳、碳酰氟、五氟丙腈、三氟乙腈和六氟
积，从而提升气体的绝缘性质。通过比较不同全氟 乙烷 [30] 。
腈的物性参数（见表 7），确认七氟异丁腈绝缘强度
表 7 全氟腈的物化性能比较
优异，毒性最小。因此，优选七氟异丁腈。
Table 7 Comparison of physical and chemical properties
七氟异丁腈的沸点为−4.7 ℃，存在液化温度较 of perfluoronitrile
高的问题。研究表明，N 2 和 CO 2 与七氟异丁腈存在 名称 三氟乙腈 五氟丙腈 七氟丁腈 七氟异丁腈
协同效应，可作为低沸点的稀释气体。经实验测试， 沸点/℃ –64 –41 –5 –4.7
气体总压为 0.4 MPa 的 n(七氟异丁腈)∶n(N 2 )=12∶ LC 50(4 h, 大 240 2731 6000 15000
88 的混合气体绝缘强度与 0.2 MPa 的 SF 6 相当 [28] ； 鼠)/(mg/kg)
5
1.01×10 Pa 下，n(七氟异丁腈)∶n(CO 2 )=20∶80 的 大气寿命/年 6.6 [31] 10.0 [31] 12.0 [31] 54.0 [31]
GWP 100 212 [31] 374 [31] 633 [31] 1705 [31]
混合气体的绝缘强度即可与 SF 6 相当；n(七氟异丁
绝缘强度 21.0 27.2 35.8 26.6
腈)∶n(CO 2 )=3.7∶96.3 的混合气体击穿电压约为 (0.1 MPa)/kV
SF 6 的 72%，并且液化温度可降低至−30 ℃ [29] 。
此外，七氟异丁腈具有良好的热稳定性，七氟异 七氟异丁腈与二氧化碳混合的绝缘介质，已经
丁腈在温度为 700 ℃时开始分解，接近 800 ℃才 被通用公司应用在 GIS 和 GIL 领域（见表 8）。