一、絕緣氣體的作用機(jī)制
絕緣實(shí)際上是通過(guò)絕緣氣體分子與兩極之間產(chǎn)生的自由電子相互作用抑制電子雪崩，從而提高擊穿電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其中，電子雪崩是指當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度足夠大時(shí)，兩極之間產(chǎn)生的自由電子被加速不斷與氣體分子發(fā)生碰撞電離產(chǎn)生自由電子，導(dǎo)致自由電子數(shù)雪崩似增加的一種現(xiàn)象。當(dāng)兩極之間的自由電子數(shù)達(dá)到一定程度，即發(fā)生電壓擊穿。因此，物質(zhì)的絕緣強(qiáng)度可通過(guò)其在電場(chǎng)中的擊穿電壓高低來(lái)衡量?；趯?shí)驗(yàn)測(cè)得眾多物質(zhì)的絕緣強(qiáng)度數(shù)據(jù)可以得出，物質(zhì)的絕緣強(qiáng)度與分子量、分子結(jié)構(gòu)以及電子親和力有密切關(guān)系。強(qiáng)電子親和力有利于捕獲自由電子，阻礙碰撞電離的發(fā)展；大分子量明顯降低了捕獲自由電子形成的帶電粒子的平均自由程，從而提高分子的絕緣強(qiáng)度。F元素是整個(gè)元素周期表中電負(fù)性最高的元素，具有最強(qiáng)的電子親和力。因此，從絕緣角度出發(fā)，絕緣氣體分子中應(yīng)引入盡量多的F原子以提高其絕緣強(qiáng)度。此外，研究表明，分子中碳碳雙鍵、三鍵以及氰基等多重鍵的存在也可以進(jìn)一步提高其絕緣強(qiáng)度。
二、絕緣氣體SF6環(huán)境效益不佳的原因
SF6因其優(yōu)異的絕緣性能和滅弧性能，是應(yīng)用最為廣泛的絕緣氣體。與此同時(shí)，SF6也是目前已知的溫室效應(yīng)最強(qiáng)的物質(zhì)。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會(huì)（IPCC）的第五次評(píng)估報(bào)告，SF6的溫室效應(yīng)能力約為CO2的23500倍。究其原因，主要包括以下兩個(gè)方面：一是SF6在大氣中極其穩(wěn)定，根據(jù)目前的研究結(jié)果，SF6在大氣中降解途徑主要包括光分解以及電子吸附兩種，但是反應(yīng)速率均十分緩慢，在大氣中的停留時(shí)間可達(dá)到3200年；二是SF6在948 cm?1附近有極強(qiáng)的紅外吸收，位于800~1200 cm?1區(qū)間的“大氣窗口區(qū)”，對(duì)來(lái)自地球表面的長(zhǎng)波輻射的吸收能力可達(dá)到CO2的42000倍以上。
三、新型絕緣氣體七氟異丁腈的環(huán)保性能
在全氟化合物基礎(chǔ)上，通過(guò)引入特定結(jié)構(gòu)或基團(tuán)加快分子在大氣中的降解速率，縮短大氣停留時(shí)間以及降低分子在“大氣窗口區(qū)”的吸收強(qiáng)度，同時(shí)保證其良好的絕緣性能，是新型絕緣氣體開發(fā)的核心思路。
七氟異丁腈又稱全氟異丁腈，其結(jié)構(gòu)式為(CF3)2CFCN，不同于SF6，其中氰基基團(tuán)的引入，提供了與OH自由基反應(yīng)的可能，從而使其具備了在大氣環(huán)境中快速降解的重要途徑?；谙鄬?duì)法實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，(CF3)2CFCN的大氣壽命為54年，其GWP值為1705，相比于SF6具有顯著地降低。
與此同時(shí)，宇極科技公司技術(shù)團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬七氟異丁腈與OH自由基在大氣環(huán)境中降解路徑，結(jié)合原位分析手段，觀測(cè)到其大氣降解產(chǎn)物主要包括：CF3C(O)F、COF2、NO、N2O、HF、H2O、CO2等。CF3C(O)F和COF2在大氣中的停留時(shí)間一般在一周左右，通過(guò)云層水解，CF3C(O)F生成CF3C(O)OH和HF，COF2則生成CO2和HF。CF3C(O)OH（TFA）是一種強(qiáng)酸物質(zhì)，pKa值為0.25，目前已知的TFA在大氣中的降解途徑僅有兩種。其中大約5%的降解通過(guò)與OH自由基的反應(yīng)生成COF2，其余部分均通過(guò)干沉積或者濕沉積除去。HF的大氣停留時(shí)間一般小于4天，主要隨著雨水從大氣中消除。此外，生成的NO在大氣中與OH自由基快速反應(yīng)，生成HONO隨降雨除去。N2O也是一種較強(qiáng)的溫室氣體，IPCC的每次報(bào)告中都會(huì)對(duì)其在大氣中的含量進(jìn)行報(bào)道，2011年全球大氣平均濃度為324 ppb。但是N2O的100年GWP值為265，明顯低于全氟腈，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前正在大規(guī)模使用的SF6。
四、七氟異丁腈的使用現(xiàn)狀
據(jù)統(tǒng)計(jì)，SF6全球年平均排放量大約為10000噸。而七氟異丁腈在實(shí)際應(yīng)用中，通常與二氧化碳以一定比例配置成混合氣體使用。因此，若七氟異丁腈完全替代SF6，其全球年平均排放量應(yīng)在1000噸左右。以此計(jì)算，由于七氟異丁腈排放生成的HF在大氣中濃度應(yīng)為10?11~10?10 mol/L，其對(duì)于降雨酸度的影響可以忽略不計(jì)。另外，降解生成TFA的量也要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前環(huán)境的負(fù)荷量（約為2.68 × 108 噸）。
綜上所述，七氟異丁腈相比于SF6具有更為優(yōu)異的環(huán)境性能。在當(dāng)前國(guó)家大力推動(dòng)“碳中和、碳達(dá)峰”的大背景下，電力行業(yè)的環(huán)保化建設(shè)迫在眉睫，七氟異丁腈作為最具應(yīng)用前景的新一代環(huán)保型絕緣氣體，即將迎來(lái)市場(chǎng)上行期。
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