- 頭條研究發現：相對分子質量較大的氟化物有望替代SF62019-06-06 作者：劉星 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語研究結果表明：僅從耐電性能方面考慮，相對分子質量較大的氟化物有望代替SF6成為新型絕緣氣體。SF6可替代氣體的篩選方向為分子中包含相對原子質量較大原子的短鏈氟化物、分子中具有極化率較高官能團的短鏈氟化物，以及長鏈氟化物。
近年來，因為全球氣候變暖海平面上升的原因，日本在太平洋上的一些無人居住的島嶼現已快被海水淹沒。據京都議定書中規定，導致全球氣候變暖原因之一——溫室氣體排放共6種：二氧化碳（CO?）、甲烷（CH?）、氧化亞氮（N?O）、氫氟碳化合物（HFCs） 、全氟碳化合物（PFCs）和六氟化硫（SF6）。
眾所周知，氣體是高壓電力設備及電力系統中重要的絕緣介質。據數據顯示，SF6絕緣設備每年氣體排放約達20000t，大氣中的SF6濃度約為3.2ppt，相當于每年排放CO2氣體47800000t，是CO2對大氣溫室效應的23900倍。據計算，SF6氣體的排放每減少1t，按GWP（地球的溫暖化系數）換算，就相當于減少了23900t的氣體排放量。
多年來，SF6因其高耐電強度和優良的滅弧性能，已成為現階段應用最廣泛的絕緣氣體之一。但其在使用過程中也存在諸多缺點：SF6對電場不均勻性的敏感程度較高，其耐電強度易受電極間導電微粒、電極表面粗糙度等因素的影響；SF6液化溫度較高，在低溫或高壓下容易液化，不適用于嚴寒地區等。因此，我們在力求減少排放的同時，還需尋找能替代SF6的絕緣氣體。
哈爾濱理工大學工程電介質及其應用教育部重點實驗室的科研人員近期發現，僅從耐電性能方面考慮，相對分子質量較大的氟化物有望代替SF6成為新型絕緣氣體。有關研究成果已發表在2018年《電工技術學報》第18期，論文題目為《基于密度泛函理論的SF6潛在可替代性氣體介電性能分析》。
為減少SF6的使用，近年來各國研究學者主要從兩方面加以研究：
一方面，在不大幅降低氣體絕緣性能的前提下，在SF6中加入緩沖氣體以減少其用量，使用的緩沖氣體包括N2、CO2、CF4及惰性氣體；
另一方面，尋找絕緣性能較好的氣體來完全取代SF6。由于采用SF6混合氣體的方法并不能完全消除SF6的使用，從環境角度考慮，尋找一種新的環境友好型氣體絕緣介質來替代SF6氣體才能更好地解決這一問題。
隨著量子力學理論的發展，研究學者將量子理論與氣體放電理論相結合，在SF6替代氣體尋找方面逐漸有所突破。繼“絕緣氣體的介電強度與氣體分子的微觀參數有關”被發現后，哈爾濱理工大學的研究人員基于密度泛函理論對SF6可替代氣體的介電性能進行研究，對影響氣體介電強度的分子電離能及平均靜態電子極化率進行計算，并采用回歸分析方法得到氣體介電強度與此兩微觀參數之間的相關性。
此外，他們進一步研究了氣體兩微觀參數與分子結構的關系，得到電離能與平均靜態電子極化率參量隨分子結構的規律性變化，針對氣體絕緣耐電性能方面指出SF6可替代氣體的篩選方向，為新型絕緣氣體的篩選與設計提供依據。
由相關性的分析結果得知，隨著分子電離能及平均靜態電子極化率的增大，氣體的介電強度增強。據此，進一步研究了分子電離能及平均靜態電子極化率特性。平均靜態電子極化率與分子的相對分子質量及分子結構有關。分子鏈較長、具有極化率較高官能團或包含相對原子質量較大原子的分子具有較高的平均靜態電子極化率；電離能隨分子鏈長的增長而降低，隨著氟原子個數的增加而增大，為獲取具有較高電離能的分子可選用分子鏈較短、氟原子個數較多的分子。
研究結果表明：僅從耐電性能方面考慮，相對分子質量較大的氟化物有望代替SF6成為新型絕緣氣體。SF6可替代氣體的篩選方向為分子中包含相對原子質量較大原子的短鏈氟化物、分子中具有極化率較高官能團的短鏈氟化物，以及長鏈氟化物。
