揭开K6气体的神秘面纱——下一代SF6环保替代气体？

学术 2025-01-05 08:31 四川

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PMVE气体首次被应用于电力装备绝缘和灭弧领域

绝缘气体SF6具有强温室效应，而洁净空气等自然气体作为被SF6替代的低耐电强度绝缘介质，难以适应现阶段广泛使用的145kV以上高压电力设备的绝缘和灭弧要求。

2023年11月，韩国电工研究院(KERI)报道了一种温室效应潜在值(GWP)极低(仅为0.004，远低于现阶段主流环保绝缘气体)，毒性弱且液化温度仅为-26°C的环保绝缘气体“K6”，并将其应用于145kV高压断路器，宣称其通过了国际电工委员会(IEC)相关开断性能测试。KERI计划将“K6”气体应用于输配电设备(断路器、变压器、开关柜等)[1]。

图1. K6气体被KERI应用于145kV GIS

近期，武汉大学肖淞副教授、李祎副研究员和湖北工业大学张晓星教授等专家通过调研KERI公开的研究结果和上游产业链信息，解析出“K6”气体的主要成分为C3F6O(全氟甲基乙烯基醚, PMVE)。为评估PMVE能否成为继C4F7N(全氟异丁腈)后又一强应用潜力的环保绝缘气体，该研究团队自2023年12月起与KERI的K6气体供应商在PMVE气体合成及基础性能测试方面开展了深入合作，发现PMVE具有和SF6相当的击穿、局放性能且绝缘自恢复和稳定性优异，尤其是在高能放电下未出现含碳类固体析出，这有望填补现阶段环保绝缘气体在开断性能方面的固有不足，同时实现现有SF6的设备的原位换气替代。

PMVE的基本性质

目前，PMVE主要作为中间体被用于合成特种氟橡胶、农药等工业品。表1给出了PMVE的基本物性参数，较C4F7N、C5F10O在液化温度和环保性能方面表现出优势。根据《化学品注册、评估、许可和限制》，PMVE属于可燃气体，其作为绝缘介质应用时需要优先考虑其泄漏监测，特别是对突发性故障引发的快速泄漏要避免其接触明火发生燃烧。此外，PMVE的LC50(半数致死浓度)与C4F7N和C5F10O相当。

表1. PMVE基本性质

PMVE的绝缘及稳定性

极不均匀电场下PMVE的击穿电压与相同气压下的SF6相当，而准均匀场下PMVE的击穿电压略低于SF6。PMVE对电场不均匀性的敏感度较低，相对SF6气体不易因电场畸变诱发放电。PMVE的局部放电起始电压(PDIV)显著高于SF6，表明其具有较强的局部放电(PD)抑制性能。0.1~0.3 MPa范围内，SF6的PDIV和局部放电熄灭电压(PDEV)之间的最大差值(3.38kV)，高于PMVE的1.75kV，表明当局部场强降低或电场不均匀性改善时，PMVE气体发生的PD可以快速熄灭。这对气体绝缘设备的稳定运行非常有利。

图2. 不同气压下PMVE与SF6的工频击穿特性。a)极不均匀场下工频击穿电压; b)准均匀场下工频击穿电压; c) PDIV; d) PDEV

图3. PMVE的绝缘稳定性。a) 准均匀场下的工频击穿电压随击穿次数变化情况; b)极不均匀场下的的工频击穿电压随击穿次数变化情况; c-d)100次工频击穿后板电极表面形貌; e-f) 击穿前板电极表面形貌; g)板电极表面元素分布

PMVE的工频击穿电压在100次击穿过程中基本保持稳定。另外，PMVE在多次放电后电极表面产生了电弧烧蚀痕迹，但几乎没有固体析出物。根据图3c-g给出的微观形貌及元素分布，PMVE在多次放电后电极表面的碳析出量极少，表明其有望作为灭弧介质应用于开断领域。

图4. PMVE气体放电分解气相色谱图

进一步地，评估了PMVE在工频击穿和局部放电下的放电分解特性，发现其分解主要产生了CF4、C2F6、C3F8、C3F6、CO和一种未知的碳氟化合物。产物中，毒性气体主要包括C3F6和CO。因此，PMVE的分解产物毒性相对较低。

结论

PMVE作为一种潜在的环保绝缘气体，其具有与SF6相当的绝缘性能和稳定性以及相对SF6较低的电场敏感性，分解产物毒害性低且无固体析出，有望在绝缘和灭弧领域实现现有部分SF6设备的原位换气替代，或作为C4F7N、C5F10O等已受国内外行业认可的环保气体在特殊应用场景的有效替补。需要特别指出的是，PMVE的可燃性引发的潜在风险需要在研发和应用中被关注和有效监测。

参考文献

[1]https://techxplore.com/news/2023-11-korean-scientists-alternative-technology-sf6.html

[2] Xiao, S., et al.: Characteristics of perfluoromethyl vinyl ether: A new eco-friendly alternative gas for SF6. High Voltage. 1–9 (2024).

https://doi.org/10.1049/hve2.12454

- 【 END 】 -

制作：严博丰

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