JPD编辑优选：环保绝缘气体分解特性研究进展

文章介绍

肖淞，石生尧，李祎，叶凡超，李亚龙，田双双，唐炬，张晓星

■  第一作者：肖淞，武汉大学

■  通讯作者：李祎，武汉大学

针对环保绝缘气体应用可靠性的评估不仅涉及环保和绝缘特性，也包括稳定性、分解特性、材料相容性、生物及环境安全性等诸多方面。理想的气体绝缘介质应当具备优良的稳定性，即在复杂运行工况甚至故障条件下气体绝缘介质不易发生大量分解。气体绝缘介质的灭弧性能、绝缘复原特性也与其稳定性和放电分解特性息息相关。另外，设备内部存在各类金属、非金属材料，且开关触头、载流母线等金属由于温升效应长期工作于100-120℃温度区间内，因此气体绝缘介质可能与高温金属材料发生气-固界面反应，导致设备内材料腐蚀并引发绝缘气体分解，对设备服役寿命及运行安全性构成威胁。

因此，对环保绝缘气体分解特性的考察及评估是判断其应用可行性的重要组成部分。本文围绕环保绝缘气体分解特性这一主题，从以下几方面总结并评述了近五年来的研究进展：

（1）     总结了针对环保绝缘气体电、热及气固界面分解特性的研究方法，包括密度泛函理论、过渡态理论、反应分子动力学、化学动力学模型、等离子体数值模拟等，分析了不同方法的适用场景及特点；

（2）     介绍了环保绝缘气体分解特性的试验评估方法，包括平台组成、测试要点及注意事项；同时，介绍了用于气体组分分析的色谱法、光谱法等技术；

（3）     综述了以全氟异丁腈(C4F7N)、全氟酮(C5F10O、C6F12O)、CF3I、HFO1234ze(E)等主流环保绝缘气体局部放电、火花、电弧放电分解特性、热稳定性、气-固界面分解特性及机理；

（4）     总结了现阶段针对环保绝缘气体分解特性研究中发现的问题、技术瓶颈，展望了未来研究重点及趋势以及环保气体绝缘设备工程应用中需监测的分解组分等。

目前广泛应用于气体绝缘输配电装备中的六氟化硫(SF6)是一种极强的温室气体，其温室效应潜在值(Global Warming Potential, GWP)是CO2的23500倍，大气寿命长达3200年，全球大气环境中的SF6含量已由1994年的3.67 ppt (part per billion, 十亿分之一)增加到2020年的10.41 ppt，增长了265%。目前，全球电力行业SF6的使用量占其年产量的80%以上，2018年中国仅GIS设备SF6气体的使用量接近7000吨，相当于1.65亿吨CO2。因此，研发环保绝缘气体并应用于电气设备符合绿色、低碳的发展理念，也是解决输配电制造业对强温室气体SF6使用依赖和实现产业“双碳”目标的根本之策。

作者介绍

Journal of Physics D: Applied Physics（JPhysD，《物理学报D：应用物理》）发表应用物理各领域的前沿研究和综述，具体包括：应用磁学和磁性材料、半导体和光子学、低温等离子体和等离子表面相互作用、凝聚态物理、表面科学和纳米结构、生物物理以及能源等六个领域。文章类型包括原创性论文、研究路线图、通讯以及每年针对热点研究的专题综述和特刊。