典型電場下C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿特性研究

楊 圓 高克利 袁 帥 顏湘蓮 畢建剛

典型電場下C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿特性研究

楊 圓1,2,3高克利2,3袁 帥2顏湘蓮2畢建剛2

（1. 合肥工業大學電氣與自動化工程學院 合肥 230009 2. 中國電力科學研究院有限公司 北京 100192 3. 電網環境保護國家重點實驗室 武漢 430074）

研究表明O2可以抑制C4F7N/CO2混合氣體的分解，從而提升氣體工程應用可靠性，但C4F7N/CO2/O2混合氣體絕緣特性相關研究較少。為評估O2對C4F7N/CO2混合氣體工頻絕緣特性的影響，該文搭建了擊穿試驗平臺，獲得了典型運行氣壓、O2含量和電場形式下的工頻擊穿電壓。結果表明隨著氣壓增加，1mm氣隙準均勻電場下的C4F7N/CO2/O2混合氣體擊穿電壓接近線性增長，而在稍不均勻和極不均勻電場下呈現一定的飽和增長趨勢，6mm氣隙極不均勻電場下則呈現N形變化規律。C4F7N/CO2/O2混合氣體擊穿電壓對較高氣壓和較長氣隙下的極不均勻場敏感度較高，0.45MPa及以上氣壓下6mm氣隙極不均勻電場與1mm氣隙稍不均勻電場的擊穿電壓接近。O2對部分氣壓和氧氣含量下的擊穿電壓有一定的負面影響，0.15～0.65MPa氣壓下，分別添加體積分數為4%、2%、8%、4%、8%和8%的O2時，工頻擊穿電壓最多僅下降6.2%。從工頻絕緣設計和提升氣體化學穩定性角度考慮，添加2%～8%體積分數的O2是一種可行的三元混合氣體方案。

典型電場 C4F7N/CO2/O2混合氣體 工頻擊穿特性 氧氣

0 引言

隨著“碳達峰、碳中和”目標的提出，全氟異丁腈（C4F7N）氣體憑借優異的絕緣性能和較低的全球變暖潛能值（Global Warming Potential, GWP），成為最具潛力的SF6替代氣體之一[1-3]。C4F7N在標準大氣壓下的液化溫度約為?4.7℃，工程應用中需要將C4F7N與CO2等緩沖氣體混合以降低其液化溫度[4-6]。研究表明C4F7N/CO2混合氣體具有良好的絕緣性能[7-9]，但C4F7N/CO2混合氣體在高能放電后會出現碳析出現象，可能影響其工程應用可靠性，因此部分學者提出可以通過加入少量O2來抑制C4F7N的分解和碳析出[10-12]。O2的加入可以提高氣體的滅弧和絕緣性能[13]，通用電氣研制的C4F7N/CO2混合氣體斷路器中也加入了5%體積分數的O2以提升多次開斷后的滅弧性能[14]，因此將O2作為第二種緩沖氣體是一種可行的混氣方案。但O2的加入對C4F7N/CO2混合氣體工頻絕緣性能的影響研究較少，因此在工程應用前有必要系統地研究O2對混合氣體工頻絕緣性能的影響，進而指導C4F7N/CO2/O2三元混合氣體的選型和應用。

近年來圍繞C4F7N混合氣體絕緣特性開展了不少研究工作，張博雅等研究了5%～20%C4F7N占比的C4F7N/CO2混合氣體在不同電場均勻度下的工頻擊穿特性，測量了局部放電起始電壓，結果表明混合氣體在極不均勻電場下的敏感度高于SF6[15]；張曉星等研究了0.1～0.3MPa下，2%～8%C4F7N占比的C4F7N/CO2混合氣體在準均勻電場下的擊穿特性，發現工頻擊穿電壓隨氣壓增加呈線性增長，隨混合比的增加呈飽和增長[16]；周文俊等對比了C4F7N/CO2混合氣體在均勻和極不均勻電場下的工頻擊穿電壓，研究發現C4F7N占比為7%～13%的C4F7N/CO2混合氣體具有替代SF6氣體的潛力[9]。目前學者們針對C4F7N/CO2/O2混合氣體開展了一定氣壓下稍不均勻電場下的絕緣特性研究，研究結果顯示在0.14MPa氣壓下15%C4F7N占比的混合氣體工頻擊穿電壓隨O2的增加先增加后降低[11-12]，但對不同電場和氣壓下的C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿特性還缺乏系統性的深入研究，難以支撐C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻絕緣性能評估的現實需求。

為了獲得較全面的C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿特性，本文搭建了工頻擊穿試驗平臺，獲得了典型運行氣壓、氧氣體積分數和不均勻系數電場下的C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿特性。研究可為C4F7N/CO2/O2混合氣體設備工頻絕緣設計參數制定提供試驗依據。

1 試驗平臺及方法

1.1 試驗平臺

本文搭建了一套C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿試驗平臺，主要由高壓電源、試驗腔體和工頻擊穿模型等組成，試驗回路如圖1所示。文中使用的工頻試驗變壓器額定容量15kV·A，額定電壓150kV，額定電流0.1A，由阻值為100kΩ的保護電阻實現過電流保護。試驗腔體為一圓柱狀不銹鋼腔體，最高可承受0.7MPa絕對氣壓，工頻擊穿模型接地端與試驗大廳接地端相連。

圖1 工頻擊穿試驗回路

1.2 電極模型

氣體絕緣電力設備內部可能存在不同形式的電場，為全面了解不同典型電場下C4F7N/CO2/O2混合氣體的工頻擊穿特性，設計了球-板電極、棒-板電極和針-板電極，分別模擬準均勻電場、稍不均勻電場和極不均勻電場。為減少電極燒蝕對擊穿電壓的影響，針電極選用鎢材質，其余電極材料均為鎢銅。平板電極直徑均為48mm，厚度11mm，電極邊緣曲率半徑5mm。球直徑20mm，棒電極尖端圓柱體直徑2mm，針電極尖端曲率半徑0.3mm，電極間距分別為1mm、1mm、1mm和6mm。利用COMSOL多物理場仿真軟件對電場分布進行計算，計算結果表明，1mm球-板電極電場不均勻系數為1.04，屬準均勻電場[17]；1mm棒-板電極電場不均勻系數為2.36，屬稍不均勻電場；1mm針-板電極電場不均勻系數為4.42，屬極不均勻電場；6mm針-板電極電場不均勻系數為9.28，也屬極不均勻電場。電極模型及電場分布如圖2所示。

圖2 不同形式的電極和電場

1.3 試驗方法

試驗前用無水酒精對腔體內部進行擦拭，并使其自然風干，用砂紙對電極進行打磨、無水酒精清洗和自然風干，以避免電極表面粗糙對擊穿電壓的影響[18]。試驗前向腔體中充入干燥CO2，靜置1h后抽真空至50Pa，重復三次以排除腔體中殘留水分及其他氣體雜質的影響。

為保證氣體混合充分均勻，混合氣體由定制的動態混氣儀按設定的混合比自動均勻混合后充入試驗罐體，C4F7N、CO2和O2的體積分數配置精度均為0.1%，同時使用濕度檢測儀對試驗前的氣體進行檢測，試驗中的混合氣體濕度均不大于50μL/L，滿足DL/T 603—2017[19]對運行中氣體絕緣全封閉組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）設備微水控制值要求。C4F7N氣體由3M公司提供，純度為99.9%；CO2和O2氣體均由北京海譜氣體公司提供，純度均為99.999%。

2 試驗結果與分析

2.1 C4F7N/CO2/O2混合氣體在1mm球板電極準均勻電場下的工頻擊穿特性

2.1.1 氣壓對工頻擊穿電壓的影響

準均勻電場下C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿電壓隨氣壓的變化關系如圖3所示。可以看出，少量O2的加入并不影響C4F7N/CO2混合氣體擊穿電壓隨氣壓的變化規律，不同O2占比混合氣體擊穿電壓均隨氣壓增大呈近似線性增長的趨勢，與文獻[9]中0.4MPa下9%C4F7N/91%CO2混合氣體在板板電極均勻電場下的規律類似。主要原因是氣壓升高后氣體分子間距離減小，外施電壓激發的電子平均自由行程縮短，電子在電場作用下加速，進而激發二次碰撞電離的概率降低，抑制了氣隙貫穿性擊穿現象的產生，體現為擊穿電壓隨氣壓上升而增加。

圖3 1mm球板電極擊穿電壓與氣壓關系

2.1.2 氧氣含量對工頻擊穿電壓的影響

為了進一步探究準均勻電場下氧氣體積分數對C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿電壓的影響，繪制了不同氣壓下混合氣體工頻擊穿電壓隨氧氣含量的變化圖，如圖4所示。可以看出，添加O2后的混合氣體擊穿電壓呈緩慢下降的趨勢。這表明在1mm氣隙準均勻電場下，加入10%以內的O2會對C4F7N/CO2/O2混合氣體的工頻擊穿電壓產生一定的負面影響。

圖4 1mm球板電極擊穿電壓與氧氣體積分數關系

以不含O2的混合氣體擊穿電壓作為基準值，其他O2含量混合氣體的擊穿電壓標幺值如圖5所示。可以看出，在準均勻電場下，O2的加入均會降低混合氣體的擊穿電壓，且下降幅度在8.1%以內。可能的原因是O2與C4F7N的工頻協同效應弱于CO2，同時工頻擊穿時C4F7N分解形成的碳顆粒會在電極表面附著形成碳沉積層[20-22]，O2等分解產生的氧原子會與較均勻的碳沉積層發生反應，導致電極表面粗糙度增大，進而引發電極表面電場畸變，也可能導致擊穿電壓下降[11, 20, 23]。

圖5 1mm球板電極擊穿電壓對比

擊穿電壓與O2體積分數未呈現規律性關聯關系，可能原因是受放電隨機性和電極表面狀態等因素綜合作用，2%級差的O2對工頻絕緣性能的影響未占據主導地位，但2%O2混合氣體工頻擊穿電壓均高于10%O2混合氣體，即8%級差O2對混合氣體工頻絕緣性能的負面影響占主導地位。將C4F7N/CO2/O2混合氣體應用于氣體絕緣設備時，應考慮O2對混合氣體工頻絕緣性能的負面影響，必要時可通過適當提高氣壓或C4F7N占比等方式來保證工頻絕緣設計裕度。

2.2 C4F7N/CO2/O2混合氣體在1mm棒板電極稍不均勻電場下的工頻擊穿特性

2.2.1 氣壓對工頻擊穿電壓的影響

稍不均勻電場下C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿電壓隨氣壓的變化關系如圖6所示。可以看出氣壓越高，工頻擊穿電壓越高，但與準均勻電場的不同之處在于，混合氣體擊穿電壓隨氣壓升高呈一定飽和增長趨勢。可能的原因是棒電極在臨近擊穿前會在頭部形成電暈，電暈對電場有一定均衡作用并有利于擊穿電壓的增大，當氣壓較高時，擊穿電壓較高，電暈現象較明顯，進而抑制了擊穿電壓的升高。

圖6 1mm棒板電極擊穿電壓與氣壓關系

2.2.2 氧氣體積分數對工頻擊穿電壓的影響

稍不均勻電場下，不同氣壓混合氣體工頻擊穿電壓隨O2體積分數的變化如圖7所示。可以看出，與準均勻電場類似，擊穿電壓隨著O2體積分數的增加也基本呈緩慢下降的趨勢。

圖7 1mm棒板電極擊穿電壓與氧氣體積分數關系

稍不均勻電場下，不同O2含量混合氣體工頻擊穿電壓標幺值如圖8所示。可以看出，不同氣壓和不同含量O2對工頻擊穿電壓的影響也呈現不同特征，0.45MPa氣壓下10%O2的混合氣體擊穿電壓下降得最多，達14.3%，而0.25MPa氣壓下4%O2的混合氣體擊穿電壓上升了0.9%，可能原因是在稍不均勻電場下，混合氣體的擊穿電壓受氣壓與棒電極頭部電暈電荷的綜合影響，氣體的擊穿經過電暈生成、電暈發展和電暈平衡被破壞的過程，微觀擊穿過程的復雜度大大增加，增大了擊穿電壓的隨機性和分散性。

圖8 1mm棒板電極擊穿電壓對比

2.3 C4F7N/CO2/O2混合氣體在1mm針板電極極不均勻電場下的工頻擊穿特性

2.3.1 氣壓對工頻擊穿電壓的影響

1mm針板電極極不均勻電場下，C4F7N/CO2/O2混合氣體的工頻擊穿電壓與氣壓的關系如圖9所示，可以看出工頻擊穿電壓的飽和增長趨勢較不明顯，可能的原因是在1mm針板電極極不均勻電場下，混合氣體工頻擊穿電壓遠低于1mm球板電極稍不均勻電場，電極附近的電暈現象不明顯，導致電暈對工頻擊穿電壓增大的抑制作用較弱。

圖9 1mm針板電極擊穿電壓與氣壓關系

2.3.2 氧氣體積分數對工頻擊穿電壓的影響

不同氣壓下1mm針板電極工頻擊穿電壓隨O2含量的變化如圖10所示。可以看出，在1mm針板電極極不均勻電場下，C4F7N/CO2/O2混合氣體的擊穿電壓基本保持不變，O2的加入對混合氣體自身工頻絕緣性能影響較小。

1mm針板電極極不均勻電場下，不同體積分數O2混合氣體工頻擊穿電壓相對不加氧氣時的擊穿電壓標幺值如圖11所示。可以看出，O2含量與工頻擊穿電壓之間沒有明顯的關聯關系，可能的原因是較大曲率半徑針電極在擊穿前，針電極附近可能會引發流注，流注的存在增大了擊穿過程的隨機性和分散性，導致2%含量級差的O2對工頻絕緣性能的影響未占據主導地位。

圖10 1mm針板電極擊穿電壓與氧氣體積分數關系

圖11 1mm針板電極擊穿電壓對比

2.4 C4F7N/CO2/O2混合氣體在6mm針板電極極不均勻電場下的工頻擊穿特性

2.4.1 氣壓對工頻擊穿電壓的影響

6mm針板電極極不均勻電場下C4F7N/CO2/O2混合氣體的工頻擊穿電壓隨氣壓的變化關系如圖12所示。可以看出，在O2體積分數一定的情況下，隨著氣壓的增大，混合氣體工頻擊穿電壓呈現N形變化趨勢。

圖12 6mm針板電極擊穿電壓與氣壓關系

6mm針板電極的電場不均勻系數較大，此時混合氣體擊穿電壓主要受氣體壓力和尖電極附近電暈層疊加影響[17]，擊穿電壓出現了明顯的駝峰現象。當氣壓較低時，隨著氣壓升高，電子在電場作用下的平均自由行程縮短，電子加速行程減小限制了電子激發的碰撞電離，進而抑制了氣體的擊穿，同時隨著電壓的升高，尖電極附近會形成較明顯的電暈層，電暈層產生的空間電荷改善了間隙中的電場分布[9]，從而提高了氣隙的擊穿電壓，因此擊穿電壓隨氣壓的上升而上升。隨著擊穿電壓的增大，針電極附近的電暈層不斷擴大并開始形成正流注，正流注的存在大大加強了流注頭部的電場，進而降低了擊穿電壓，在正流注和氣壓的共同作用下，擊穿電壓出現飽和并開始下降。當電壓降低至正流注的生成受到抑制時，氣壓對擊穿電壓重新起主導作用，體現為擊穿電壓開始回升。因此在氣隙較長且電場不均勻系數較大時，氣體擊穿電壓隨氣壓呈現N形變化趨勢，這與SF6氣體在電場不均勻系數為12.9的極不均勻電場下的規律類似[9]。

2.4.2 氧氣體積分數對工頻擊穿電壓的影響

不同氣壓下6mm針板電極擊穿電壓隨O2體積分數的變化如圖13所示。可以看出，不同O2含量的C4F7N/CO2/O2混合氣體擊穿電壓均在0.25MPa左右出現極大值，而在0.45MPa左右出現第二極小值，與N形曲線對應的擊穿電壓規律保持一致。運行氣壓在0.25MPa附近的環網柜等設備對較長間隙金屬尖刺缺陷具有良好的工頻絕緣耐受強度，同時C4F7N/CO2/O2混合氣體設備工頻絕緣設計時，應考慮0.45MPa氣壓和較長間隙極不均勻電場下工頻擊穿電壓極小值的負面影響。

圖13 6mm針板電極擊穿電壓與氧氣體積分數的關系

6mm針板電極極不均勻電場下，不同O2體積分數的混合氣體工頻擊穿電壓相對不加O2時的標幺值如圖14所示。可以看出，O2含量與工頻絕緣性能的關聯關系不明顯，可能原因是在強烈發展的流注情況下，引起駝峰效應的主要原因與間隙中空間電荷運動和分布特征有關[24]，少量O2的存在可能對針電極附近的流注空間電荷影響較小，因此不同體積分數O2對工頻擊穿電壓的影響特征不明顯。

圖14 6mm針板電極擊穿電壓對比

2.5 電場不均勻度對C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿電壓的影響

為了綜合比較電場不均勻度對C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿電壓的影響，繪制了不同均勻系數電場下擊穿電壓隨氣壓的變化如圖15所示。

可以看出，對于1mm氣隙下不均勻系數為1.04、2.36和4.42的準均勻、稍不均勻和極不均勻電場，C4F7N/CO2/O2混合氣體擊穿電壓在準均勻電場下隨氣壓增加近似呈線性增長，而在稍不均勻電場和極不均勻電場下則呈現一定的飽和增長趨勢。對于6mm氣隙下不均勻系數為9.28的極不均勻電場，在較高的0.45MPa及以上氣壓下，由于擊穿電壓較高，擊穿前針電極附近強烈發展的正流注對擊穿電壓存在明顯的抑制作用，進而大大降低了氣隙的擊穿電壓，導致6mm針板氣隙極不均勻電場擊穿電壓接近1mm球板氣隙下的準均勻電場，間隙距離的顯著增大并沒有顯著提高擊穿電壓，即C4F7N/CO2/O2混合氣體擊穿電壓對較高氣壓和較長氣隙下的極不均勻場敏感度較高。因此對于GIS、GIL等運行氣壓較高的氣體絕緣電力設備，金屬尖刺的存在會極大地降低C4F7N/CO2/O2混合氣體絕緣電力設備的工頻絕緣強度，因此在絕緣設計時應充分考慮可能存在的極不均勻電場對工頻絕緣性能的負面影響，同時在制造和安裝階段應嚴控工藝，以避免金屬尖刺等影響電場均勻分布情況的出現。

四種典型電場下不同體積分數O2混合氣體擊穿電壓相對于不加O2時的擊穿電壓比值范圍見表1。綜合考慮四種不均勻度電場下的擊穿電壓比值范圍，0.15MPa氣壓下添加4%的O2對氣體工頻絕緣能力影響最小，擊穿電壓下降僅3.2%，因此對于環網柜等運行氣壓較低的設備，可考慮添加4%左右的O2。對于0.25MPa、0.35MPa、0.45MPa、0.55MPa和0.65MPa氣壓下的C4F7N/CO2混合氣體，從影響工頻絕緣強度最小的角度，推薦的O2添加量分別為2%、8%、4%、8%和8%，擊穿電壓下降最大幅度僅6.2%。從文獻[10]和文獻[11]可知4%左右O2的加入，可以較好地抑制C4F7N/CO2混合氣體的分解和碳析出，進而提升氣體在長期工程應用中的可靠性，因此在工頻絕緣強度滿足設計要求時，可考慮添加適量O2以提升混合氣體的分解穩定性。

表1 不同電場下擊穿電壓的對比

Tab.1 Comparison of breakdown voltage under different electric fields（%）

3 結論

1）在本文研究的四種典型電場下，O2的加入不會影響C4F7N/CO2混合氣體工頻擊穿電壓隨氣壓的變化規律，但O2對部分氣壓和電場下的工頻擊穿電壓有一定的負面作用，因此在制定C4F7N/CO2/O2混合氣體絕緣設備工頻絕緣設計依據時，應充分考慮O2對工頻絕緣性能的影響。

2）對于1mm氣隙下的C4F7N/CO2/O2混合氣體，在0.65MPa氣壓范圍內，工頻擊穿電壓在準均勻電場隨氣壓增加接近線性增長，而在稍不均勻電場和極不均勻電場下均呈現一定的飽和增長趨勢。

3）對于6mm氣隙下的C4F7N/CO2/O2混合氣體，工頻擊穿電壓隨氣壓增加呈現N形變化規律。在0.45MPa及以上氣壓下，6mm氣隙極不均勻電場與1mm氣隙準均勻電場的工頻擊穿電壓接近，C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿電壓對較高氣壓和較長氣隙下的極不均勻場敏感度較高。

4）對于開關柜、GIL和GIS等運行氣壓在0.15～0.65MPa范圍內的C4F7N/CO2混合氣體絕緣設備，從工頻絕緣設計和氣體長期運行穩定性角度考慮，根據設備運行氣壓，分別添加體積分數為2%～8%的O2是一種可選的技術方案。

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Research on the Power Frequency Breakdown Characteristics of C4F7N/CO2/O2Gas Mixture under Typical Electric Fields

Yang Yuan1,2,3Gao Keli2,3Yuan Shuai2Yan Xianglian2Bi Jiangang2

（1.School of Electrical Engineering and Automation Hefei University of Technology Hefei 230009 China 2. China Electric Power Research Institute Beijing 100192 China 3. State key Laboratory of Power Grid Environmental Protection Wuhan 430074 China）

Studies have shown that O2can inhibit the decomposition of C4F7N/CO2gas mixture, thereby improving the reliability of the gas engineering applications, however, there are few studies on the insulation characteristics of C4F7N/CO2/O2gas mixture. To evaluate the influence of O2on the power frequency insulation characteristics of C4F7N/CO2gas mixture, a breakdown test platform was established in this paper, and the power frequency breakdown voltage under typical operating gas pressure, oxygen content and electric field form was obtained. The results show that with the increase of air pressure, the breakdown voltage of C4F7N/CO2/O2gas mixture under the quasi uniform electric field with 1 mm gas gap is almost linearly increased, while it shows a certain saturation growth trend under slightly and extremely uneven electric fields, and the breakdown voltage shows a N-type variation law under the extremely uneven electric field with 6 mm gas gap. The breakdown voltage of C4F7N/CO2/O2gas mixture is sensitive to the extremely uneven electric field at high air pressure and long gas gap, the breakdown voltage of 6 mm gas gap under extremely uneven electric field is close to that of 1 mm gas gap under slightly uneven field at 0.45MPa and above. O2has a certain negative impact on the breakdown voltage under certain air pressure and oxygen content, when 4%, 2%, 8%, 4%, 8% and 8% volume fraction of O2were added at 0.15MPa to 0.65MPa, the power frequency breakdown voltage decreases by only 6.2% at most. From the perspective of power frequency insulation design and improvement of gas chemical stability, adding 2% to 8% volume fraction O2is a feasible ternary gas mixture solution.

Typical electric field, C4F7N/CO2/O2gas mixture, power frequency breakdown characteristics, oxygen

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220169

TM855

國家電網公司總部科技項目——環保GIL設備絕緣氣體介質劣化機理及傳感技術研究（5442GY200024）資助。

2022-01-29

2022-03-25

楊 圓 男，1986年生，博士，高級工程師，研究方向為狀態檢測技術、設備運維技術和環保替代氣體等。E-mail：yangyuan@epri.sgcc.com.cn（通信作者）

高克利 男，1966年生，博士生導師，教授級高工，研究方向為特高壓輸變電設備絕緣及運行技術、環保替代氣體等。E-mail：gaokl@epri.sgcc.com.cn

（編輯 郭麗軍）