环保气体HFO-1336mzz(E)及其混合气体的绝缘性能研究
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近年来，国内外研究者对大量不同气体开展了 丰富的研究，几种环境友好型 SF6 替代气体在实验 中表现出了优异的性能，并已经在一些电力设备中 开始试运行。其中，几类新型氟化物在近几年获得
在 2015 年，M. Rabie 等基于量子化学计算的筛选预 测结果表明，该气体的绝缘强度约为 SF6 的 1.8 倍[25]； 2020 年，D. C. Kothe 等通过雷电冲击实验测试了几 种新型氟化物的绝缘强度，发现 HFO-1336mzz(E)与 CO2/N2 的混合气体拥有与 C4-PFN/CO2、C5-PFK/CO2 等混合气体相近的优秀绝缘性能[26]。
唐 念 1,2 熊嘉宇 3 王 凯 3 张博雅 3 李兴文 3 孙东伟 1,2
（1. 广州电网有限责任公司电力科学研究院 广州 510080 2. 中国南方电网公司六氟化硫重点研究室 广州 510080
3. 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 西安 710049）
摘要 近年来多种新型环保气体及其混合气体作为潜在的 SF6 替代气体受到关注，该文提出 将 HFO-1336mzz(E)作为绝缘介质应用于电力设备中。结合实验测量的饱和蒸气压数据，采用 Antoine 方程和气液平衡定律结合的方法研究分析了该气体及其混合气体的饱和蒸气压特性，并与 C4-PFN 和 C5-PFK 气体进行了对比。基于饱和蒸气压特性确定充气比例，利用脉冲汤逊实验测量 了 HFO-1336mzz(E)及其混合气体的电子群参数，并依此确定气体的绝缘强度。研究结果表明， 当 HFO-1336mzz(E)的比例达到 60%时，与 CO2 或干燥空气的混合气体具有接近 SF6 的绝缘强度。 该文的研究结果为新型环保气体 HFO-1336mzz(E)的研究和应用提供重要的基础数据及参考。
关键词：HFO-1336mzz(E) 环保气体 饱和蒸气压 脉冲汤逊实验 临界击穿场强 中图分类号：TM 85
Insulation Performance of Environmental-Friendly Gas HFO-1336mzz(E) and Its Mixtures
Tang Nian1,2 Xiong Jiayu3 Wang Kai3 Zhang Boya3 Li Xingwen3 Sun Dongwei1,2 （1. Electirc Power Research Insitute of Guangdong Power Grid Co. Ltd Guangzhou 510080 China 2. Sulfur Hexafluoride Key Laboratory of China Southern Power Grid Guangzhou 510080 China
(optimized by B3LYP-D3(BJ)/6-311G(d,p))
尽管有上述新型环保绝缘气体被提出、研究， 但目前仍没有满足所有要求的合适替代方案。因此， 国内外研究者仍在不断地通过各类方法对大量气体 进行筛选，初步确定其 GWP、液化温度和绝缘强度， 然后通过实验与理论计算的方法深入研究气体的绝 缘特性[12-14]。此外，由于可以测量气体的有效电离 系数等基础放电参数，从而快速、准确地获取不同 比例混合气体的临界击穿场强，脉冲汤逊（Pulsed Townsend, PT ） 实 验 和 稳 态 汤 逊 （ Steady state Townsend, SST）实验也成为了研究气体绝缘性能的 重要方法[15-21]。
3. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi′an Jiaotong University Xi’an 710049 China）
Abstract In recent years, a variety of novel environmental-friendly gases and their mixtures have received attention as potential SF6 replacement gases. In this paper, HFO-1336mzz(E) is proposed as an insulating gas to be applied in power equipment. Firstly, based on the experimentally measured saturation vapor pressure data, the saturation vapor pressure characteristics of HFO-1336mzz(E) and its mixtures are investigated and analyzed, using Antoine equation and the gas-liquid equilibrium law, and compared with C4-PFN and C5-PFK gases. Based on the mixing ratio determined by the saturation vapor pressure characteristics, the electron swarm parameters of HFO-1336mzz(E) and its gas mixtures were measured using pulsed Townsend experiments, and the dielectric strength of the gas was determined accordingly. The results show that when the mixing ratio of HFO-1336mzz(E) reaches 60%, the gas mixture with CO2 or dry air can achieve the similar insulation strength of SF6. The results provide significant fundamental data and references for further research and application of the new environmental-friendly gas HFO-1336mzz(E).
现有研究表明新型环保气体 HFO-1336mzz(E) 具有较大的应用潜力，但相关报道较少，各方面参 数不足。因此，本文通过实验和理论计算，研究了 该气体及其混合气体的饱和蒸气压特性；同时，首 次通过 PT 实验测量的临界击穿电场强度，研究了 该气体及其与 CO2、干燥空气典型比例混合气体的 绝缘性能，讨论了混合气体在电力设备中应用的配 方问题，为新型环保气体的工程应用提供参考。
电力行业相关学者的广泛关注，主要包括氟化腈 （Perfluoronitriles, PFN）、氟化酮（Perfluoroketones,
PFK)以及氢氟烯烃（Hydrofluoroolefins, HFO）类气 体 ， 例 如 C4-PFN （ (CF3)2CFCN ）、 C5-PFK （ CF3COCF(CF3)2 ）、 HFO-1234ze(E) 等 [ 6-11] 。 这 些 气 体具有极高的绝缘强度，且其 GWP 值远低于 SF6， 但是由于这些气体的沸点较高，需要与缓冲气体 CO2、N2 或干燥空气混合使用。
1 HFO-1336mzz(E)的基本物性
HFO-1336mzz(E)为 反 式 -1,1,1,4,4,4-六 氟 -2-丁 烯(trans-1,1,1,4,4,4-Hexafluoro-2-Butene)，分子式为 C4H2F6，消耗臭氧潜能（Ozone Depletion Potential, ODP）值为零、GWP 值极低、毒性低和环保性能良 好，其基本性质见表 1。此外，该气体不可燃，且 与大部分常见材料有良好的相容性[27-28]。本文利用 Gaussian09 软件[29]对该分子的基态结构进行了优化 （见图 1），并计算了该分子的基本理化参数，列于 表 2 中。
2021 年 7 月 第 36 卷第 13 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
DOI：10.19595/ki.1000-6753.tces.210164
Vol.36 No. 13 Jul. 2021
环保气体 HFO-1336mzz(E)及其混合气体 的绝缘性能研究
表 1 HFO-1336mzz(E)基本性质[30]
Tab.1 Fundamental charateristic properties of HFO-1336mzz(E)[30]
参数
数值
分子化学式 相对分子质量/(g/mol)
C4H2F6 164.05
沸点/℃
7.58
临界温度/℃
130.37
临界压力/MPa
2872
电工技术学报
2021 年 7 月
0 引言Βιβλιοθήκη HFO-1336mzz(E)的绝缘性能的研究目前十分有限：
尽管 SF6 气体凭借其优异的绝缘和灭弧性能在 高压电气设备中占据主导地位，但是 SF6 的大量应 用也带来了严重的环境问题。在 1997 年签订的《京 都议定书》中，SF6 气体被确定为须限制使用的强 温室效应气体，其全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）大约是二氧化碳（CO2）的 23 900 倍[1-2]。此外，于 2016 年签订的《巴黎协定》也明 确要求在 21 世纪下半叶实现温室气体零排放。因此， 寻找环境友好、性能优良的 SF6 替代气体是目前高 压电气设备领域一个亟待解决的问题[3-5]。
第 36 卷第 13 期
唐 念等 环保气体 HFO-1336mzz(E)及其混合气体的绝缘性能研究
2873
图 1 HFO-1336mzz(E)分子结构 （在 B3LYP-D3(BJ)/6-311G(d,p)级别下优化）
Fig.1 Molecular structure of HFO-1336mzz(E)
2.77
临界密度/(kg/m3)
515.3
ODP
0
GWP
18
除了上述基本理化特性，在考察将新型环保气 体 HFO-1336mzz(E)作为绝缘介质应用于电力设备 中时，需要结合气体的饱和蒸气压特性来讨论配方 问题。这是由于此类新型环保气体分子较大，往往 受 限 于 其 液 化 温 度 而 需 要 与 缓 冲 气 体 混 用 。 HFO1336mzz(E)气体相关报道较少，可借鉴和利用的数
本文提出一种新型环保气体 HFO-1336mzz(E) 作为潜在的 SF6 替代气体，用作中高压电力设备的 绝缘介质。HFO-1336mzz(E)目前主要作为新型热泵 工质和制冷剂进行研究，该气体 GWP 值仅为 18、 沸点相对较低（7.58℃），具有作为环保绝缘介质的 潜力。在此之前，作为绝缘介质研究较多的 HFO 类 气 体 为 HFO-1234ze(E) 、 HFO-1336mzz(Z) 。 其 中 HFO-1234ze(E)沸点较低（-19.4℃），但是绝缘强度 不如 SF6；HFO-1336mzz(Z)的绝缘强度高，约为 SF6 的 2.2 倍，但是其沸点却高达 33.4℃[22-24]。对于
Keywords：HFO-1336mzz(E), environmental-friendly gas, saturated vapor pressure, pulsed Townsend experiment, critical electric field strength
国家自然科学基金（51907154, 51825702）、中国博士后基金（2019M653633）和南方电网公司科技项目（GDKJXM20198165）资助。 收稿日期 2021-01-31 改稿日期 2021-02-22
在 2015 年，M. Rabie 等基于量子化学计算的筛选预 测结果表明，该气体的绝缘强度约为 SF6 的 1.8 倍[25]； 2020 年，D. C. Kothe 等通过雷电冲击实验测试了几 种新型氟化物的绝缘强度，发现 HFO-1336mzz(E)与 CO2/N2 的混合气体拥有与 C4-PFN/CO2、C5-PFK/CO2 等混合气体相近的优秀绝缘性能[26]。
唐 念 1,2 熊嘉宇 3 王 凯 3 张博雅 3 李兴文 3 孙东伟 1,2
（1. 广州电网有限责任公司电力科学研究院 广州 510080 2. 中国南方电网公司六氟化硫重点研究室 广州 510080
3. 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室 西安 710049）
摘要 近年来多种新型环保气体及其混合气体作为潜在的 SF6 替代气体受到关注，该文提出 将 HFO-1336mzz(E)作为绝缘介质应用于电力设备中。结合实验测量的饱和蒸气压数据，采用 Antoine 方程和气液平衡定律结合的方法研究分析了该气体及其混合气体的饱和蒸气压特性，并与 C4-PFN 和 C5-PFK 气体进行了对比。基于饱和蒸气压特性确定充气比例，利用脉冲汤逊实验测量 了 HFO-1336mzz(E)及其混合气体的电子群参数，并依此确定气体的绝缘强度。研究结果表明， 当 HFO-1336mzz(E)的比例达到 60%时，与 CO2 或干燥空气的混合气体具有接近 SF6 的绝缘强度。 该文的研究结果为新型环保气体 HFO-1336mzz(E)的研究和应用提供重要的基础数据及参考。
关键词：HFO-1336mzz(E) 环保气体 饱和蒸气压 脉冲汤逊实验 临界击穿场强 中图分类号：TM 85
Insulation Performance of Environmental-Friendly Gas HFO-1336mzz(E) and Its Mixtures
Tang Nian1,2 Xiong Jiayu3 Wang Kai3 Zhang Boya3 Li Xingwen3 Sun Dongwei1,2 （1. Electirc Power Research Insitute of Guangdong Power Grid Co. Ltd Guangzhou 510080 China 2. Sulfur Hexafluoride Key Laboratory of China Southern Power Grid Guangzhou 510080 China
(optimized by B3LYP-D3(BJ)/6-311G(d,p))
尽管有上述新型环保绝缘气体被提出、研究， 但目前仍没有满足所有要求的合适替代方案。因此， 国内外研究者仍在不断地通过各类方法对大量气体 进行筛选，初步确定其 GWP、液化温度和绝缘强度， 然后通过实验与理论计算的方法深入研究气体的绝 缘特性[12-14]。此外，由于可以测量气体的有效电离 系数等基础放电参数，从而快速、准确地获取不同 比例混合气体的临界击穿场强，脉冲汤逊（Pulsed Townsend, PT ） 实 验 和 稳 态 汤 逊 （ Steady state Townsend, SST）实验也成为了研究气体绝缘性能的 重要方法[15-21]。
3. State Key Laboratory of Electrical Insulation and Power Equipment Xi′an Jiaotong University Xi’an 710049 China）
Abstract In recent years, a variety of novel environmental-friendly gases and their mixtures have received attention as potential SF6 replacement gases. In this paper, HFO-1336mzz(E) is proposed as an insulating gas to be applied in power equipment. Firstly, based on the experimentally measured saturation vapor pressure data, the saturation vapor pressure characteristics of HFO-1336mzz(E) and its mixtures are investigated and analyzed, using Antoine equation and the gas-liquid equilibrium law, and compared with C4-PFN and C5-PFK gases. Based on the mixing ratio determined by the saturation vapor pressure characteristics, the electron swarm parameters of HFO-1336mzz(E) and its gas mixtures were measured using pulsed Townsend experiments, and the dielectric strength of the gas was determined accordingly. The results show that when the mixing ratio of HFO-1336mzz(E) reaches 60%, the gas mixture with CO2 or dry air can achieve the similar insulation strength of SF6. The results provide significant fundamental data and references for further research and application of the new environmental-friendly gas HFO-1336mzz(E).
现有研究表明新型环保气体 HFO-1336mzz(E) 具有较大的应用潜力，但相关报道较少，各方面参 数不足。因此，本文通过实验和理论计算，研究了 该气体及其混合气体的饱和蒸气压特性；同时，首 次通过 PT 实验测量的临界击穿电场强度，研究了 该气体及其与 CO2、干燥空气典型比例混合气体的 绝缘性能，讨论了混合气体在电力设备中应用的配 方问题，为新型环保气体的工程应用提供参考。
电力行业相关学者的广泛关注，主要包括氟化腈 （Perfluoronitriles, PFN）、氟化酮（Perfluoroketones,
PFK)以及氢氟烯烃（Hydrofluoroolefins, HFO）类气 体 ， 例 如 C4-PFN （ (CF3)2CFCN ）、 C5-PFK （ CF3COCF(CF3)2 ）、 HFO-1234ze(E) 等 [ 6-11] 。 这 些 气 体具有极高的绝缘强度，且其 GWP 值远低于 SF6， 但是由于这些气体的沸点较高，需要与缓冲气体 CO2、N2 或干燥空气混合使用。
1 HFO-1336mzz(E)的基本物性
HFO-1336mzz(E)为 反 式 -1,1,1,4,4,4-六 氟 -2-丁 烯(trans-1,1,1,4,4,4-Hexafluoro-2-Butene)，分子式为 C4H2F6，消耗臭氧潜能（Ozone Depletion Potential, ODP）值为零、GWP 值极低、毒性低和环保性能良 好，其基本性质见表 1。此外，该气体不可燃，且 与大部分常见材料有良好的相容性[27-28]。本文利用 Gaussian09 软件[29]对该分子的基态结构进行了优化 （见图 1），并计算了该分子的基本理化参数，列于 表 2 中。
2021 年 7 月 第 36 卷第 13 期
电工技术学报
TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY
DOI：10.19595/ki.1000-6753.tces.210164
Vol.36 No. 13 Jul. 2021
环保气体 HFO-1336mzz(E)及其混合气体 的绝缘性能研究
表 1 HFO-1336mzz(E)基本性质[30]
Tab.1 Fundamental charateristic properties of HFO-1336mzz(E)[30]
参数
数值
分子化学式 相对分子质量/(g/mol)
C4H2F6 164.05
沸点/℃
7.58
临界温度/℃
130.37
临界压力/MPa
2872
电工技术学报
2021 年 7 月
0 引言Βιβλιοθήκη HFO-1336mzz(E)的绝缘性能的研究目前十分有限：
尽管 SF6 气体凭借其优异的绝缘和灭弧性能在 高压电气设备中占据主导地位，但是 SF6 的大量应 用也带来了严重的环境问题。在 1997 年签订的《京 都议定书》中，SF6 气体被确定为须限制使用的强 温室效应气体，其全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）大约是二氧化碳（CO2）的 23 900 倍[1-2]。此外，于 2016 年签订的《巴黎协定》也明 确要求在 21 世纪下半叶实现温室气体零排放。因此， 寻找环境友好、性能优良的 SF6 替代气体是目前高 压电气设备领域一个亟待解决的问题[3-5]。
第 36 卷第 13 期
唐 念等 环保气体 HFO-1336mzz(E)及其混合气体的绝缘性能研究
2873
图 1 HFO-1336mzz(E)分子结构 （在 B3LYP-D3(BJ)/6-311G(d,p)级别下优化）
Fig.1 Molecular structure of HFO-1336mzz(E)
2.77
临界密度/(kg/m3)
515.3
ODP
0
GWP
18
除了上述基本理化特性，在考察将新型环保气 体 HFO-1336mzz(E)作为绝缘介质应用于电力设备 中时，需要结合气体的饱和蒸气压特性来讨论配方 问题。这是由于此类新型环保气体分子较大，往往 受 限 于 其 液 化 温 度 而 需 要 与 缓 冲 气 体 混 用 。 HFO1336mzz(E)气体相关报道较少，可借鉴和利用的数
本文提出一种新型环保气体 HFO-1336mzz(E) 作为潜在的 SF6 替代气体，用作中高压电力设备的 绝缘介质。HFO-1336mzz(E)目前主要作为新型热泵 工质和制冷剂进行研究，该气体 GWP 值仅为 18、 沸点相对较低（7.58℃），具有作为环保绝缘介质的 潜力。在此之前，作为绝缘介质研究较多的 HFO 类 气 体 为 HFO-1234ze(E) 、 HFO-1336mzz(Z) 。 其 中 HFO-1234ze(E)沸点较低（-19.4℃），但是绝缘强度 不如 SF6；HFO-1336mzz(Z)的绝缘强度高，约为 SF6 的 2.2 倍，但是其沸点却高达 33.4℃[22-24]。对于
Keywords：HFO-1336mzz(E), environmental-friendly gas, saturated vapor pressure, pulsed Townsend experiment, critical electric field strength
国家自然科学基金（51907154, 51825702）、中国博士后基金（2019M653633）和南方电网公司科技项目（GDKJXM20198165）资助。 收稿日期 2021-01-31 改稿日期 2021-02-22