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产品应用 能源电力 新型绝缘气体—七氟异丁腈的概况

新型绝缘气体—七氟异丁腈的概况

2023-02-01 591

一、绝缘气体的作用机制

绝缘实际上是通过绝缘气体分子与两极之间产生的自由电子相互作用抑制电子雪崩,从而提高击穿电压来实现的。其中,电子雪崩是指当电场强度足够大时,两极之间产生的自由电子被加速不断与气体分子发生碰撞电离产生自由电子,导致自由电子数雪崩似增加的一种现象。当两极之间的自由电子数达到一定程度,即发生电压击穿。因此,物质的绝缘强度可通过其在电场中的击穿电压高低来衡量。基于实验测得众多物质的绝缘强度数据可以得出,物质的绝缘强度与分子量、分子结构以及电子亲和力有密切关系。强电子亲和力有利于捕获自由电子,阻碍碰撞电离的发展;大分子量明显降低了捕获自由电子形成的带电粒子的平均自由程,从而提高分子的绝缘强度。F元素是整个元素周期表中电负性最高的元素,具有最强的电子亲和力。因此,从绝缘角度出发,绝缘气体分子中应引入尽量多的F原子以提高其绝缘强度。此外,研究表明,分子中碳碳双键、三键以及氰基等多重键的存在也可以进一步提高其绝缘强度。

二、绝缘气体SF6环境效益不佳的原因

SF6因其优异的绝缘性能和灭弧性能,是应用最为广泛的绝缘气体。与此同时,SF6也是目前已知的温室效应最强的物质。根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)的第五次评估报告,SF6的温室效应能力约为CO2的23500倍。究其原因,主要包括以下两个方面:一是SF6在大气中极其稳定,根据目前的研究结果,SF6在大气中降解途径主要包括光分解以及电子吸附两种,但是反应速率均十分缓慢,在大气中的停留时间可达到3200年;二是SF6在948 cm1附近有极强的红外吸收,位于800~1200 cm1区间的“大气窗口区”,对来自地球表面的长波辐射的吸收能力可达到CO2的42000倍以上。

三、新型绝缘气体七氟异丁腈的环保性能

在全氟化合物基础上,通过引入特定结构或基团加快分子在大气中的降解速率,缩短大气停留时间以及降低分子在“大气窗口区”的吸收强度,同时保证其良好的绝缘性能,是新型绝缘气体开发的核心思路。

七氟异丁腈又称全氟异丁腈,其结构式为(CF3)2CFCN,不同于SF6,其中氰基基团的引入,提供了与OH自由基反应的可能,从而使其具备了在大气环境中快速降解的重要途径。基于相对法实验测试平台,(CF3)2CFCN的大气寿命为54年,其GWP值为1705,相比于SF6具有显著地降低。

与此同时,宇极科技公司技术团队通过模拟七氟异丁腈与OH自由基在大气环境中降解路径,结合原位分析手段,观测到其大气降解产物主要包括:CF3C(O)F、COF2、NO、N2O、HF、H2O、CO2等。CF3C(O)F和COF2在大气中的停留时间一般在一周左右,通过云层水解,CF3C(O)F生成CF3C(O)OH和HF,COF2则生成CO2和HF。CF3C(O)OH(TFA)是一种强酸物质,pKa值为0.25,目前已知的TFA在大气中的降解途径仅有两种。其中大约5%的降解通过与OH自由基的反应生成COF2,其余部分均通过干沉积或者湿沉积除去。HF的大气停留时间一般小于4天,主要随着雨水从大气中消除。此外,生成的NO在大气中与OH自由基快速反应,生成HONO随降雨除去。N2O也是一种较强的温室气体,IPCC的每次报告中都会对其在大气中的含量进行报道,2011年全球大气平均浓度为324 ppb。但是N2O的100年GWP值为265,明显低于全氟腈,且远远低于目前正在大规模使用的SF6

四、七氟异丁腈的使用现状

据统计,SF6全球年平均排放量大约为10000吨。而七氟异丁腈在实际应用中,通常与二氧化碳以一定比例配置成混合气体使用。因此,若七氟异丁腈完全替代SF6,其全球年平均排放量应在1000吨左右。以此计算,由于七氟异丁腈排放生成的HF在大气中浓度应为1011~1010 mol/L,其对于降雨酸度的影响可以忽略不计。另外,降解生成TFA的量也要远远低于目前环境的负荷量(约为2.68 × 108 吨)。

综上所述,七氟异丁腈相比于SF6具有更为优异的环境性能。在当前国家大力推动“碳中和、碳达峰”的大背景下,电力行业的环保化建设迫在眉睫,七氟异丁腈作为最具应用前景的新一代环保型绝缘气体,即将迎来市场上行期。