干燥壓縮空氣擊穿特性及在GIS中的應用

摘" 要：氣體間隙和表面放電特性是影響氣體絕緣電氣設備設計的重要因素。壓縮干燥空氣（CDA）是替代電氣設備中SF6氣體的環保氣體之一。該研究報告交流電壓下干燥空氣、SF6和6%C4F7N/94%CO2混合氣體的擊穿特性。研究發現，0.8 MPa時CDA的絕緣強度與0.3 MPa絕對壓力下的SF6氣體相當，與0.4 MPa絕對壓力下的6%C4F7N/94%CO2混合氣體相當。與傳統的SF6絕緣設備相比，CDA可以作為更大尺寸或更高氣體壓力的電力設備中的替代絕緣氣體。在550 kV GIS設備中還獲得CDA的雷電沖擊擊穿強度。這些結果可以為采用CDA作為絕緣介質的GIS設備的設計提供參考，并加速環保電氣設備的推廣。

關鍵詞：壓縮氣體;氣體放電;環保絕緣氣體;絕緣強度;氣體介電體

中圖分類號：O659" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）11-0069-04

Abstract： Gas gap and surface discharge characteristics are important factors affecting the design of gas-insulated electrical equipment. Compressed dry air （CDA） is one of the environmentally friendly gases that replace SF6 gas in electrical equipment. The study reported the breakdown characteristics of dry air， SF6 and a 6%C4F7N/94%CO2 mixture gas at AC voltage. It was found that the insulation strength of CDA at 0.8 MPa is equivalent to SF6 gas at 0.3 MPa absolute pressure， and equivalent to 6%C4F7N/94%CO2 mixture gas at 0.4 MPa absolute pressure. Compared to traditional SF6 insulation equipment， CDA can be used as an alternative insulation gas in power equipment of larger size or higher gas pressure. Lightning impulse breakdown strength of CDA was also obtained in 550 kV GIS equipment. These results can provide a reference for the design of GIS equipment using CDA as insulation medium and accelerate the promotion of environmentally friendly electrical equipment.

Keywords： compressed gas; gas discharge; environmentally friendly insulating gas; insulation strength; gas dielectric

隨著人們對環境保護和氣候變化的關注，越來越多的國家開始關注減少溫室氣體的排放，消除碳氟化合物對臭氧層的破壞。電力工業大量使用的六氟化硫氣體SF6因其最強的溫室效應而被認為是對環境的重大危害。為了解決這一問題，研究人員開始尋找環保型絕緣氣體（EFIGs）[1]。目前，研究人員已經開發出一系列的EFIGs，如C4F7N、c5f100等。這些氣體在某些方面具有一定的優勢[2-4]。

近年來，壓縮干空氣（CDA）已成為電力設備絕緣材料的首選。CDA具有可再生和低成本的優點。目前，CDA已應用于72.5 kV海上風電設備、配電網環柜、145 kV GIS等設備中[5]。然而，關于CDA的基本保溫特性的報道較少，仍有必要對干空氣的保溫性能進行評價。特別是與SF6氣體進行比較，以探索替代現有設備保溫材料的可能性，并確保其長期運行的穩定性和可靠性。

有學者對環氧樹脂表面存在顆粒時空氣的表面放電進行了研究，發現顆粒對局部放電電壓沒有顯著影響。但顆粒對閃絡電壓[6]有很大的影響。Zhang等[7]研究了微量空氣對環氧樹脂表面放電的影響，發現與固體放電相比，空氣壓力的增加對閃絡電壓有顯著的影響。敖旭等[8]利用高速攝像機對不同氣壓下的表面閃絡進行了觀測，并基于蒙特卡羅方法對表面閃絡進行了模擬。基于蒙特卡羅方法對大氣條件下的閃絡進行了模擬，得出隨著氣壓的增大，真空放電與空氣放電的競爭逐漸明顯的結論。

通過對空氣、SF6和C4F7N/CO2混合氣體進行擊穿放電試驗，比較分析空氣和SF6、C4F7N/CO2混合氣體在絕緣性能上的差異，得到不同氣壓下的放電特性。

1" 試驗方法和程序

試驗電路如圖1所示，變頻器最大輸出電壓為250 kV，保護電阻R1為50 kΩ，容性分壓器比為1 000∶1。用棒-板電極進行頻率放電試驗，模擬稍有不均勻的情況下的電力設備中的電場，間隙為4 mm，用如圖2所示的電極結構進行放電試驗，并用高5 mm、直徑15 mm的環氧樹脂塊夾緊平行板電極。環氧塊高5 mm，直徑15 mm，分為摻雜Al2O3和摻雜SiO2 2種規格。考慮到絕緣性能和液化溫度，選擇6%C4F7N/CO2氣體混合物作為試驗氣體，可以更有效地利用C4F7N的絕緣性能而不發生液化。氣體混合比采用分壓法配置，采用氣相色譜法（GC）測量，最終氣體混合比誤差僅為0.6%。

每次測試前，用5 000目砂紙打磨，用酒精清洗。頻率放電試驗采用分步升壓法，并以連續10次擊穿電壓的平均值作為平均擊穿電壓。取5次連續放電電壓值的平均值作為表面放電的有效數據。

2" 試驗結果

2.1" SF6氣體放電

SF6工頻放電試驗后，電極表面出現氧化痕跡。對SF6進行表面放電，發現經過1～2次表面放電后，放電電壓由70 kV左右明顯降低到7 kV左右，試驗結束后取出電極。并發現電極上下表面和環氧塊沿表面相應存在明顯的磨損痕跡，如圖3所示。結合放電電壓，這可能表明SF6正在沿閃絡面釋放更多的能量，放電的高溫正在使環氧表面發生侵蝕和劣化，從而形成易放電的穿透。

2.2" C4F7N/CO2混合氣體放電

在沿表面放電時，發現放電前有火花和放電聲，但沒有明顯的電弧導致電路斷路，說明在C4F7N/CO2混合氣體中，沿表面放電有明顯的發展過程。沿表面放電后，出現了不同程度的放電痕跡，但沿環氧塊最明顯的放電現象變為周狀。

2.3" 干空氣放電

圖4、圖5、圖6為不同試驗條件下CDA的擊穿電壓。可以看出，隨著氣體壓力的增加，間隙擊穿電壓和閃絡電壓都會增加。CDA中摻Al2O3絕緣與摻SiO2絕緣的表面閃絡電壓無顯著差異。對于摻Al2O3的絕緣，閃絡電壓的色散較小，這可能是由于其對表面電荷行為的影響不同。

綜合圖7、圖8、圖9中的試驗數據可以看出，對于間隙絕緣，0.8 MPa干燥空氣相當于0.3 MPa的SF6或0.4 MPa的6%C4F7N/CO2;對于表面絕緣，0.8 MPa干燥空氣相當于0.4 MPa的6%C4F7N/CO2。在相同壓力下，在SF6和6%C4F7N/CO2中，SiO2摻雜環氧塊的絕緣性能優于Al2O3摻雜環氧塊的絕緣性能。

3" 雷電沖擊測試

試驗母線采用550 kV母線，如圖10所示。檢查氣室充有0.8 MPa干燥空氣，端部充有0.6 MPa SF6。雷電沖擊試驗試驗數據統計如圖11所示。可以看出，對于干燥空氣，正極性擊穿電壓低于負極性，極性系數約為1.11。這與SF6氣體的極性效應相反。考慮到252 kV GIS設備耐雷擊電壓為±1 050 kV，作為252 kV設備使用時仍有20%左右的絕緣余量。

圖12為負極性和正極性雷電沖擊放電后的放電軌跡，放電主要發生在間隙處，說明表面絕緣裕度足夠。

4" 結論

通過本研究可以得到以下結論：

1）0.8 MPa CDA的絕緣性能與0.3 MPa SF6氣體相當，約為0.5 MPa SF6氣體的50%左右，因此，若采用空氣絕緣，必須進行新的結構設計，以保證設備的可靠性。

2）在沿面放電試驗中，SiO2摻雜環氧樹脂對SF6和C4F7N/CO2的影響略優于Al2O3摻雜環氧樹脂，對CDA的影響較小。在僅考慮絕緣性能的情況下，摻雜SiO2是更好的選擇。

3）在試驗壓力高達0.8 MPa的范圍內，CDA均沒有明顯的飽和效應，因此增加空氣壓力是提高絕緣性能的有效方法，但仍需考慮增大設備尺寸。之前采用SF6氣體的550 kV GIS可以作為帶CDA的252 kV GIS使用。

參考文獻：

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[2] 鄭宇，周文俊，喻劍輝，等.溫度對C4F7N/CO2混合氣體工頻放電場強的影響規律[J].電工技術學報，2020，35（1）：52-61.

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[8] XU A， SHI Y， ZHONG W， et al， Influence of Air Pressure on Surface Flashover[J]. IEEE Transactions on Plasma Science，2022，50（4）：769-774.