Page 35 - 《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 ·889·

（1）分子设计的科学建模，精准构建候选物的
分子结构
目前，SF 6 替代物的分子设计大多基于实际经
验，其建模存在诸多不足，导致设计得到的候选物
筛选范围过大，其精确程度存在很大的偏差，以至
于大多数的分子设计在实际应用中参考价值受到很
大的挑战。
霍尼韦尔报道了含硫、含氮、含磷的杂原子氟
化物作为 SF 6 替代物，N≡SF 3 包含在其中 [54] 。武汉大

学设计了 N≡SF 3、CF 2==SF 4、CF≡SF 3 作为替代 SF 6
的候选物，预测其 GWP 100 依次为 916、0 和 1 [55] ，
其研究意义有待于后面的实际应用来验证。
（2）高效、全面的替代物筛选机制
目前，替代物的筛选具有极高的挑战性，研究
涉及多专业的协作，是单一单位或组织难以完成的
工作。国内对替代物 SF 6 替代物的环境性能大多停
留在估算阶段，缺乏实验测试数据。目前，权恒道
教授团队借助研究平台的优势，基于实验事实对七
氟异丁腈在内的全氟腈的大气化学性质和降解途径
进行了深入研究，通过全氟烷基自由基的降解证明

了 NO 的生成，结合 NO 和 N 2 O 的生成，提出了全
图 7 合成七氟异丁腈的重要路线
Fig. 7 Important routes for synthesis of heptafluoroisobutyronitrile 氟腈完整的大气降解路径，从而为七氟异丁腈的环
境友好性能提供了确证 [31] 。
同时，国内七氟异丁腈在电力绝缘领域的应用 早在 1965 年，美国联合化学公司发现，在非均
研究取得了初步进展：（1）清华大学牵头的 973 项 匀场的应用中，SF 6 作为绝缘气体容易被击穿，亟
目，开发出七氟异丁腈与 CO 2 组成的混合气体作为 需一种绝缘性能优于 SF 6 的绝缘气体，研究认为，
填充气的直流 GIL，已通过绝缘测试；（2）中国电 N≡SF 3 与 SF 6 组成的混合气体可解决上述问题。当
科院牵头国家重点项目——七氟异丁腈的应用性能 N≡SF 3 的体积分数超过 80%时，一旦发生电击穿
和配套设备的研究，完成了以七氟异丁腈和 CO 2 混 时，N≡SF 3 易分解；N≡SF 3 的体积分数低于 80%
合气体作为新型环保型绝缘气体的 1000 kV 特高压 时，即使发生电击穿，N≡SF 3 也不分解。因此，
GIL 的 60 d 带电考核。 N≡SF 3 不能单一使用，可与 SF 6 按照体积比为 1∶
当前，七氟异丁腈在后续应用过程中对材料的 3~3∶1 组成混合气体进行使用，其绝缘性能优于
相容性以及配套设备的改进方面存在一定的难度， SF 6 ，而且为 N≡SF 3 的化学分解提供了安全边际 [56] 。
必须进行系统化、科学化地深入研究，从而为七氟
武汉大学自制纯度 87%的 N≡SF 3 ，并进行了介电强
异丁腈的全面应用提供技术支撑。
度的测试，其击穿电压为 45.08 kV，相对于 SF 6 的
4 SF 6 替代物的未来趋势 相对绝缘强度为 1.35，还采用化学计算研究了 N≡
SF 3 的热稳定性，预测在 3000 K 时的局部放电或电
与 SF 6 相比，七氟异丁腈的环境性能和电力绝 弧发生时，N≡SF 3 的热分解可忽略不计 [57] 。
缘性能占有绝对优势，但与 HFOs 相比，其环境性 通过国家对替代物开发领域的不断整合和资源
能并不占优势。此外，七氟异丁腈沸点较高、易液 优化，国内替代物的确认将越来越系统和高效。
化，几乎没有灭弧性能，必须与 CO 2 等稀释气体混 （3）替代物的绿色合成工艺路线开发
合使用，才能在某些低温环境，具有一定的灭弧性 开发下一代 SF 6 替代物高效率、零污染、绿色
能。因此，开发一种低沸点、环境性能良好、绝缘 的合成路线及工艺过程，使环境友好替代物突破合成
路线和工艺过程的限制，使其大规模应用成为可能。
性能优良、灭弧性能优异的绝缘介质，以实现 SF 6
的理想替代是十分必要的。 像 N≡SF 3 这样的替代 SF 6 的候选物，纵使其满
因此，SF 6 替代物的未来发展趋势须遵循以下原则： 足替代物的大多数指标，但是其现有合成路线（图