C3F7CN/CO2混合气体在极不均匀场下的局部放电特性

曾 炼，黄青丹，王 勇，刘 静，张亚茹

（广州供电局有限公司，广东 广州 510600）

0 引言

SF6因其优良的绝缘和灭弧性能被广泛用于各种中压（MV）和高压（HV）电气设备中，如气体绝缘开关设备（gas insulated switchgears，GIS）、气体绝缘金属封闭输电线路（gas insulated line，GIL）和气体绝缘变压器（gas insulated transformer，GIT）[1]。然而，SF6是一种强温室气体，其温室效应潜能值（GWP）高达23 500，在大气中的寿命长达3200年[2]。

联合国气候变化公约缔约方在1997年签订的《京都议定书》中，将SF6列为6种限制性使用的温室气体之一，并要求限制SF6的使用[3]。据统计，到目前为止，SF6气体占温室气体总排量已经超过15%，全球约有80%的SF6用于电力工业，由SF6引起的气候升温约为0.004℃[4]。2015年签署的《巴黎协议》旨在将本世纪的全球平均气温上升幅度控制在2℃以内[5]。为实现电力工业的绿色可持续发展，迫切需要寻找一种环保型气体绝缘介质[2]。

七氟异丁腈（C3F7CN）被认为是最新一代绝缘气体之一。表1是C3F7CN和SF6的基本性质对比[4,6-8]。从表1可以看出，C3F7CN的绝缘性能达到了SF6的两倍以上，GWP值仅为2 090，无色、不易燃，热稳定性良好。但C3F7CN的液化温度较高，因此需要与CO2、N2或干燥空气混合使用。研究表明，含18%～20%C3F7CN的气体混合物电气强度能够达到纯 SF6的水平[7]。

表1 C3F7CN与SF6的基本性质Tab.1 The basic characteristics of SF6and C3F7CN

目前针对C3F7CN/CO2混合气体绝缘性能的研究取得了一定成果[9-15]，但鲜有针对混合气体局部放电（PD）特性的报道。气体绝缘设备在长期运行过程中产生的各类绝缘缺陷会引发不同程度的局部放电。当气体绝缘设备内部产生较强的PD时，会伴随电磁辐射、噪声及化学效应等物理现象。局部放电产生的强电磁陡脉冲一方面会损伤绝缘材料，使其绝缘性能下降，形成恶性循环并可能导致击穿；另一方面，局部放电将引发气体绝缘介质发生分解生成诸多分解产物，如目前广泛应用的SF6气体在局部放电条件下会分解产生SOF2、SO2F2等诸多有毒产物[16]。局部放电既是加速绝缘劣化的最主要原因，也是表征绝缘状态最有效的特征量。因此，对C3F7CN混合气体局部放电特性的研究具有重要意义。

本研究采用气体绝缘性能测试平台，探究气压、C3F7CN体积分数对C3F7CN/CO2混合气体局部放电特性的影响，获取C3F7CN/CO2混合气体的局部放电波形、局部放电起始电压，并与SF6气体进行对比，在此基础上分析混合气体的协同效应。

1 实验方法

气体绝缘性能测试平台主要由工频试验变压器、保护电阻、分压电容、耦合电容及气室组成[17]，实验电路如图1所示。工频试验变压器输入电压为380 V，输出最大电压为100 kV，额定容量为50 kVA；保护电阻阻值为5 kΩ，用于防止击穿瞬间试验变压器过流；分压电容（100 kV/500 pF）用于测量气室中放电缺陷两端所施加的实际电压；耦合电容用于给局部放电产生的脉冲电流提供高频低阻通道；经无感检测阻抗（阻值为50 Ω）转换为电压信号，由示波器显示与存储。试验气室为容积为60 L的法兰连接做成的密闭容器，其中金属材料为不锈钢，绝缘材料为耐腐蚀特性优异的聚四氟乙烯。

图1 实验电路图Fig.1 Experimental circuit diagram

试验采用针-板电极模拟极不均匀电场，结构示意图如图2所示。其中针电极针尖部分长度为5 mm，曲率半径为0.3 mm，板电极半径为50 mm，针-板电极间隙为5 mm；电极材料为黄铜。采用电场利用系数f表征电场均匀度，相关关系如式（1）～（2）所示。

式（1）～（2）中：Emax是最大电场强度；Eav是平均电场强度；U和d表示电极之间的电压和电极间隙的距离。对电极模型的电场分布情况进行计算，发现针-板电极的电场利用系数为0.21，满足极不均匀电场条件[18]。

实验前利用无水酒精对气室内壁进行清理，待风干后对装置气密性进行检测。随后抽真空并充入CO2气体（纯度为99.999%）对气室进行3次洗气处理以去除杂质气体，避免对测试结果带来影响。最后充入固定体积分数C3F7CN的C3F7CN/CO2混合气体进行实验。文献[19]指出在-15℃时，10%C3F7CN/90%CO2混合气体的最高使用压力约为0.58 MPa。为满足实际工程中的要求，以及对C3F7CN不同体积分数条件下混合气体的局部放电特性进行充分分析，试验过程中C3F7CN的体积分数分别选定为0、2%、4%、6%、8%、10%、12%。

图2 针-板电极的结构Fig.2 Needle-plate electrode structure

针-板电极下的局部放电属于典型电晕放电。当电场极不均匀时，随着间隙上施加电压的升高，针电极附近范围内的电场将会使得气体分子发生电离；当外加电压上升到气体临界击穿场强时，在针电极附近将发生稳定的电晕放电（局部放电）[18]。定义气体绝缘介质发生稳定局部放电时施加的电压为局部放电起始电压（partial discharge inception voltage，PDIV）。

本试验中局部放电信号利用IEC 60270-2000推荐的脉冲电流法进行检测[20]，检测仪器为Tektronix公司生产的DPO7104型数字荧光示波器，其带宽为1 GHz，最大采样率为20 G/s。采用逐步升压法，从0 kV开始匀速缓慢施加工频高电压，当电极间隙开始产生局部放电时，记录分压电容所显示的电压值作为该条件下的PDIV。每组实验重复测量5次，结果取平均值，两次测试的间隔时间为3 min。

2 结果与讨论

2.1 PD信号的检测和分析

实验过程中，随着施加电压的提高，电极之间发生放电现象，当出现重复、明显的放电信号时，记录此时的电压作为局部放电的起始电压，此时的波形作为局部放电起始时的波形。图3给出了相同电压下测得的SF6、CO2及C3F7CN/CO2混合气体的局部放电起始条件下的信号波形，其中C3F7CN的体积分数为8%。

图3 SF6、CO2和C3F7CN/CO2混合气体的PD信号波形Fig.3 PD signal waveform of SF6,CO2,and C3F7CN/CO2mixture

根据局放信号的波形来对3种电负性气体进行比较分析。从图3可以看出，3种气体局部放电产生的PD信号波形表现出类似的特性。在相同外施电压条件下，C3F7CN/CO2混合气体、纯SF6气体、纯CO2气体的放电波形相似，放电幅值也基本相同。

2.2 混合比和压力对C3F7CN/CO2混合气体PDIV的影响

对于C3F7CN/CO2混合气体，气压和混合比是影响其绝缘性能的两个主要因素[17]。下面对混合比与气压对C3F7CN/CO2混合气体在极不均匀电场下PDIV的影响情况进行分析。

2.2.1 气压对混合气体PDIV的影响情况

图4给出了SF6和C3F7CN/CO2混合气体的PDIV随气压的变化情况。

图4 SF6和C3F7CN/CO2混合气体在不同混合比下的PDIV与气压的关系Fig.4 The relationship between PDIV of SF6and C3F7CN/CO2mixture and gas pressure at different mixing ratio

从图4(a)可以看出，相同混合比条件下C3F7CN/CO2混合气体的PDIV随气压的增大而增大。C3F7CN体积分数为2%～12%的混合气体在各个气压下的PDIV均低于SF6气体。而文献[21]指出，纯SF6和C3F7CN体积分数为15%的C3F7CN/CO2混合气体的PDIV几乎处于同一水平。从图4(b)可以看出，随着气压的增大，C3F7CN/CO2混合气体相对SF6的PDIV有所下降，并趋于稳定。例如0.2、0.4、0.6MPa下C3F7CN体积分数为4%的混合气体PDIV分别达到相同气压条件下纯SF6的74%、64%、62%。C3F7CN体积分数为8%的混合气体PDIV在0.2、0.4、0.6 MPa分别达到相同气压条件下纯SF6的86%、68%、64%。

2.2.2 混合比对混合气体PDIV的影响情况

图5为纯SF6和C3F7CN/CO2混合气体在不同气压条件下的PDIV随混合比的变化情况。

图5 SF6和C3F7CN/CO2混合气体在不同气压下的PDIV与混合比的关系Fig.5 The relationship between PDIV of SF6and C3F7CN/CO2mixture and mixing ratio at different gas pressure

从图5可以看出，少量C3F7CN的加入能够显著提高纯CO2气体的PDIV，这一结果与文献[22]中的结论相一致，例如0.3 MPa下含6%C3F7CN的C3F7CN/CO2混合气体的PDIV是纯CO2气体的1.61倍。

当C3F7CN体积分数为2%～12%时，随着C3F7CN体积分数的增加，混合气体的PDIV先快速增长，到一定程度后，增长趋势放缓，趋向于饱和状态。当C3F7CN体积分数超过4%时，局部放电起始电压的增加幅度比较微小。比如，0.4 MPa下C3F7CN体积分数为2%、4%、6%、8%、10%、12%的混合气体PDIV分别达到相同气压条件下纯SF6的49%、64%、66%、68%、69%、71%，在0.6 MPa时分别为50%、62%、63%、64%、66%、67%。

此外，混合气体相对于纯SF6气体的PDIV值随C3F7CN含量的增加同样呈饱和增长趋势，当C3F7CN的体积分数大于6%时，混合气体相对于纯SF6气体的PDIV增长率很小。

2.3 C3F7CN/CO2混合气体局部放电特性及其协同效应

电负性气体与普通气体混合后，混合气体的绝缘性能通常不随电负性气体含量线性变化，称这种非线性变化为电负性气体与缓冲气体的协同效应。文献[23]定义了电负性气体与缓冲气体的协同效应表达式，如式（3）所示。

式（3）中：V1、V2分别定义为C3F7CN/CO2混合气体中C3F7CN体积分数为12%、0时的PDIV值，V1＞V2；Vm为C3F7CN/CO2混合气体中C3F7CN体积分数为2%、4%、6%、8%、10%的PDIV值；k为C3F7CN/CO2混合气体中C3F7CN的体积分数；C为协同效应系数；K为本次实验区间内的等效体积分数，等于PDIV值为Vm时的k值除以PDIV值为V1时的k值。当C=1时，Vm随着k的增长由V2线性增长到V1；否则，Vm非线性地增长到V1。因此，可以用C的值来表示两者非线性度即协同效应的大小，即C越小表示非线性度越大，协同效应越明显。

根据实验测得的混合气体局部放电起始电压数据，计算得到不同气压下的协同效应系数C的数值，如表2所示。

从表2可以看出，C3F7CN气体与CO2气体的局部放电协同效应系数C为0.004～0.311。不同混合比、不同气压条件下的C3F7CN/CO2混合气体的协同效应系数C值都接近于0，说明C3F7CN/CO2混合气体具有较强的协同效应，两种气体混合后适合应用于电气设备中。

2.4 讨论

根据前述结果，增加气压和混合比均可以提升C3F7CN/CO2混合气体的PDIV。

随着气压的增大，气体中自由电子的平均自由行程会被压缩，碰撞电离过程减弱，从而需要施加更大的电压才能产生稳定的电晕放电，即电晕起始电压增加。随着气压的进一步升高，气体对电场的不均匀程度更加敏感，因此产生稳定电晕放电时所需的外施电压增长量没有低气压时的大，即在典型针板缺陷模型下，SF6及C3F7CN/CO2混合气体的PDIV值随气压的增加呈饱和增长趋势。

同样，随着C3F7CN/CO2混合气体中C3F7CN体积分数的增加，电负性C3F7CN气体分子吸收自由电子生成的负离子将阻碍放电过程的发展[18]。另外，C3F7CN分子本身的体积较大，由它解离形成的粒子迁移率较小，导致针电极附近的空间电荷较为密集，不容易形成能改善电极附近电场分布的均匀空间电荷层，因此随着混合比的进一步增加，混合气体的局部放电起始电压将呈现饱和趋势。

因此，通过增加气压或混合比能够使混合气体的PDIV值最终达到甚至超越部分条件下的纯SF6气体。图6为0.5 MPa和0.6 MPa下混合气体PDIV与0.1～0.3 MPa下纯SF6气体的PDIV对比。

图6 高气压C3F7CN/CO2混合气体与纯SF6的PDIV对比Fig.6 PDIV comporison between high pressure C3F7CN/CO2mixture and pure SF6

从图6可以看出，增加混合气体的气压可以明显使混合气体的PDIV值高于低气压条件时的纯SF6气体，比如各混合比条件下0.5 MPa和0.6 MPa混合气体的PDIV值远高于0.1 MPa下的纯SF6。此外，C3F7CN体积分数为2%的C3F7CN/CO2混合气体在0.6 MPa下的PDIV相当于纯SF6在0.2MPa下的PDIV，C3F7CN体积分数为12%的C3F7CN/CO2混合气体在0.6 MPa下的PDIV相当于纯SF6在0.3 MPa下的PDIV。

相同气压条件下，C3F7CN/CO2混合气体中C3F7CN体积分数从2%上升至4%时，其PDIV明显上升，而C3F7CN体积分数从4%增加到12%时，混合气体的PDIV值变化不大。考虑到气体绝缘介质应用时的液化温度限制，C3F7CN含量不宜过高。综合上述实验结果，C3F7CN体积分数为4%～6%的C3F7CN/CO2混合气体更适用于各类电气设备。

3 结论

本文对C3F7CN/CO2混合气体与SF6气体在极不均匀电场条件下的局部放电特性进行实验对比研究，分析了不同混合比、气压条件对该环保型绝缘气体局部放电特性的影响，得到如下主要结论：

（1）极不均匀电场下C3F7CN体积分数为2%～12%的C3F7CN/CO2混合气体PDIV值随C3F7CN体积分数和气压的增大呈饱和增长趋势。

（2）C3F7CN体积分数为2%的混合气体在0.6 MPa下的PDIV与0.2 MPa下纯SF6的PDIV基本相同；C3F7CN含量为12%的混合气体在0.6 MPa下的PDIV与0.3 MPa下纯SF6的PDIV基本相同；

（3）C3F7CN和CO2气体具有较强的协同效应，综合考虑混合气体的液化温度及应用气压条件，C3F7CN体积分数为4%～6%的C3F7CN/CO2混合气体适宜于替代纯SF6应用于各类气体绝缘设备。

（4）C3F7CN/CO2混合气体对电场不均匀度的敏感度比较差，因此使用该混合气体的电气设备需进一步优化设计，避免出现稍不均匀场、极不均匀场。