C4 F7 N／CO2 混合气体中绝缘子表面电荷积聚特征

倪艳荣，李承斌，郭永亮，高俊国

（1.河南工学院a.电缆工程学院；b.河南省线缆结构与材料重点实验室；c.理学部，河南新乡 453003；2.哈尔滨理工大学a.电气与电子工程学院；b.工程电介质及其应用教育部重点实验室；c.黑龙江省电介质工程重点实验室，哈尔滨 150080）

0 引言

高压直流输电（High-Voltage Direct Current，HVDC）具有低功率损耗和高稳定性的特征，能够满足非同步大容量电力传输的需求。同时，随着城市化和新能源一体化，气体绝缘输电线路（Gas-Insulated Transmission Lines，GIL）因其结构紧凑、环境影响小和长距离传输容量大而成为传统高压直流输电架空线路和电缆的替代方向［1-2］。然而，高压直流输电GIL 的发展面临着一些问题，即GIL 和其他气体绝缘设备的主要绝缘介质SF6是一种极强的温室气体，相对于CO2，其全球变暖潜能值为23 500［3-4］。因此，寻找SF6替代气体已成为目前亟需解决的问题。

到目前为止，国内外学者已经在这一领域进行了大量研究［5-6］，其中C4F7N具有低毒性、高击穿场强的特点，被认为是一种具有广泛应用前景的SF6替代气体［7］，且其全球变暖潜能值在1 490 和3 646 之间。

表面电荷积聚现象是影响气体绝缘设备内部绝缘子沿面闪络性能的重要因素，但尚未深入研究C4F7N／CO2混合气体中的表面电荷积聚问题及缺乏准确的解释不同气体氛围中的表面电荷特性的差异。为此，本文主要研究C4F7N／CO2混合气体和SF6中直流电压下GIL模型绝缘子表面的电荷积聚特性。通过对比实验来研究混合气体的绝缘性能、不同气体环境下的表面电荷积聚机理等，为C4F7N／CO2混合气体在GIL中的应用提供理论和实验参考。

1 C4F7N／CO2 混合气体的基本绝缘性能

本文研究的基本思路是：①测试C4F7N／CO2混合气体和SF6在均匀电场下的直流击穿强度；②分别进行C4F7N／CO2混合气体和SF6氛围下绝缘子表面电荷的测量实验，拟取得不同气体氛围和气体浓度条件下的绝缘子表面电荷积聚特征；③开展局部放电测量、绝缘子表面电荷积聚的主要因素研究分析。

为了解C4F7N／CO2混合气体中基本绝缘特性的击穿场强，本文采用球-球电极测量C4F7N／CO2混合气体和SF6的击穿电压。2 个球电极由不锈钢制成，直径为φ25 mm，表面粗糙度小于2 μm。试验过程中保持电极间距d≤1 mm，以确保球隙电场为准均匀电场，对每组气体的击穿电压重复测量10 次，获得击穿电压的平均值。

纯C4F7N、CO2和SF6的实测击穿电压，如图1 所示，是电极间距和气体压力乘积（pd）的函数，对数据进行线性拟合，可得出3 种气体单位气压（MPa）下的击穿场强。纯C4F7N 的单位气压下击穿场强约为205.99 kV／（MPa·mm），是纯SF6的2 倍多；CO2的击穿场强仅有32.85 kV／（MPa·mm），大约是SF6的37.4%。同时，还测试了不同混合比例的C4F7N／CO2混合气体的击穿场强，并与SF6进行了比较，由图2 可知，在CO2 中只添加5%的C4F7N，其击穿场强就增加了1 倍。随着C4F7N浓度的增加，C4F7N／CO2混合气体的击穿场强近似线性增加。当C4F7N 的浓度在15%～20%左右时，其击穿场强大致与SF6相当。总的来说，上述结果与文献［8-10］中结果一致。

图1 球-球电极下C4F7N、CO2 和SF6 的击穿电压

图2 C4F7N／CO2 混合气体与SF6 击穿场强的比值

2 试验模型和测量方法

2.1 GIL单元模型

本文采用的绝缘子模型由微米级α-氧化铝填充的工业用环氧树脂真空浇注而成，外径φ100 mm，内径φ12 mm，厚度17.5 mm。绝缘子模型安装在接地的空心外壳和中央导杆之间，形成1 个缩比GIL单元，如图3 所示。

图3 GIL单元缩比模型

2.2 测量平台

图4 为表面电荷测量平台的示意图，该平台采用自动表面电位扫描系统实现绝缘子的表面电位测量。中心导杆通过1 MΩ的保护电阻与直流高压相连。整个测量装置放置在密封室内，密封室内相对湿度控制在5%以内，实验在室温下进行。

图4 表面电荷测量平台

每次测量前：①将绝缘子模型在70 ℃下干燥至少24 h；②将绝缘子模型安装在GIL 模型中后，用异丙醇仔细清洁绝缘子去除残余电荷，并将密封室抽真空30 min；③用压缩二氧化碳填充密封室后再次抽真空，重复这一步骤3 次，以清除其他气体；④根据气体分压将C4F7N和CO2按一定的混合比填充到密封室中，密封室内气压维持在0.1 MPa左右。

该系统采用开尔文探针和静电电压表测量绝缘子的表面电位，测量过程由四轴运动控制器自动完成。测量前将高压电源关闭，利用控制器控制探针沿着绝缘子的半径方向平移，同时控制旋转台带动绝缘子匀速旋转，从而以螺旋轨迹扫描绝缘子的整个表面。旋转方向和径向方向的取样步长分别为1°和1 mm，因此绝缘子表面被划分为N＝360 ×44 个单元。探头的输出信号由12 位示波器直接采集和存储。

2.3 表面电荷计算方法

由于1 个元件上测得的表面电势实际上由被测表面上的所有电荷决定，因此，表面电势向量φ对应于所有表面电荷σ的效应的线性叠加，可以表示为

式中，H为N×N的矩阵，矩阵中元素hij是点j处的单位电荷在点i处产生的测量电势，V／pC。

为了得到表面电荷密度分布，需根据式（1）进行反演计算。同时，为了消除反演计算中的不适定问题，采用Tikhonov正则化方法［11］计算表面电荷密度分布：

式中：I是单位矩阵，α是正则化参数。

3 表面电荷分布特征

3.1 CO2 中绝缘子表面电荷分布

由图5 所示的CO2在不同持续时间的+20 kV直流电压作用下的绝缘子表面电荷分布图可知：表面电荷密度达μC／m2数量级，即pC／mm2。绝缘子表面既有正电荷，也有负电荷，且正电荷占主导地位；大多数电荷分布区域位于外部法兰附近，并且其密度随着时间的增加而显著增加；施加电压120 min后，最大电荷密度达25 pC／mm2。

图5 CO2 中绝缘子表面电荷分布

3.2 C4F7N／CO2 混合气体中的表面电荷分布

由图6 所示的具有不同混合比的C4F7N／CO2混合气体中绝缘子的表面电荷分布图可知：正极性表面电荷仍占主导地位，绝缘子表面电荷密度同样是在pC／mm2数量级；缘子表面出现了随机分布的电荷斑点，尤其是图6 中（a）组中有明显的电荷斑，即蓝色和红色斑点。这可能是由于绝缘子表面上的黏附微粒或微缺陷造成的。与纯CO2中的结果相比，绝缘子表面电荷的聚集程度随混合气体中C4F7N 的比例的增大而有所降低。当混合气体中C4F7N的浓度较低，即占比约为5%～15%时，C4F7N 对表面电荷的抑制效果并不显著，在外侧法兰附近区域仍存在相当数量的表面电荷；当C4F7N 的含量达到20%～25%时，绝缘子表面电荷密度显著减小。

图6 C4F7N／CO2 混合气体中绝缘子表面电荷分布

由图1 已知，混合气体中C4F7N的占比为15%～20%时，其击穿场强大致与SF6相当。因此，需对C4F7N／CO2混合气体中和SF6中绝缘子的表面电荷分布情况进行比较。

3.3 SF6 中绝缘子表面电荷分布

由图7 所示的SF6中+20 kV直流电压下绝缘子的表面电荷分布图可知：在相同的充电条件下，纯SF6中的绝缘子表面电荷密度远小于C4F7N／CO2混合气体中的表面电荷密度，且总的电荷分布非常均匀，特别是在外侧法兰附近，正负电荷斑点几乎消失，这一现象进一步得到了证实。

图7 SF6 中绝缘子表面电荷分布

3.4 不同气体中绝缘子表面充电水平的比较

图8 所示为+20 kV 充电120 min 后不同气体中绝缘子表面的径向平均电势分布的平均值，反映了不同气体中绝缘子表面的总体充电水平。由图8 可知：在所有气体类型中，纯CO2的总表面电位最高，最大表面电位约为2 kV；在纯CO2中加入少量C4F7N可以略微降低表面电位，进一步增加C4F7N的浓度可以较显著地降低表面电位水平，但混合气体中的绝缘子表面电位水平仍远高于SF6，SF6中的绝缘子表面电位峰值小于0.8 kV。

图8 绝缘子表面的径向平均电势分布

图9 为+20 kV充电120 min后CO2、C4F7N／CO2、SF6这3 类气体中绝缘子表面10 mm≤R≤45 mm 范围内的正负电荷密度的统计结果，其中5%～25%编号表示C4F7N／CO2混合气体中C4F7N的比例。由图9可知：纯CO2、5%和10% C4F7N／CO2中的平均正电荷密度几乎相同，约为3.0～3.2 pC／mm2；随着C4F7N浓度的进一步增加，平均正电荷密度显著降低，在25%C4F7N／CO2混合气体中，平均正电荷密度降至2.2 pC／mm2，但仍远高于SF6中的正电荷密度（1.7 pC／mm2）；随着C4F7N含量的增加，平均负电荷密度略有降低。SF6中的绝缘子表面平均负电荷密度远低于本文所研究的C4F7N／CO2混合气体中的平均负电荷密度。

图9 绝缘子表面的正负电荷密度

4 结果与分析

前述结果可以发现，尽管15%～20% C4F7N／CO2混合气体在均匀电场下的击穿场强与SF6相当，但2种气体中的绝缘子表面电荷累计特性却显著不同，即15%～20% C4F7N／CO2混合气体中绝缘子表面电荷的积聚程度明显大于SF6中的电荷积聚程度。从图6中的表面电荷分布特征可知，法兰附近的正负电荷积聚程度较高，其积聚的电荷可能来源“绝缘子-法兰-空气”三结合点处的局部放电［12］，因为该区域的局部电场相对较高，并且法兰和绝缘子之间可能隐藏有气隙。导体表面出现的微缺陷或局部突出群可能会增强气体侧的气体电离［13］，并导致绝缘子表面的电荷积聚［14］。因此，可以合理地推断，C4F7N／CO2混合气体和SF6中绝缘子表面的电荷积聚特性与其局部放电特性密切相关。

图10 为采用“针-板”电极进行局部放电试验的平台简图，利用工频交流局部放电测量系统模拟测试在C4F7N／CO2混合气体和SF6中绝缘子与法兰表面的局部缺陷下放电特性。针和板的直径分别为φ6 和φ60 mm，针尖部分为圆锥形，高度为10 mm，针尖的曲率半径为0.25 mm。为了确定局部放电起始电压，外施电压从零逐渐增加，直到出现达20pC 阈值的明显放电脉冲时，记录此时的外施电压为局放起始电压。继续升压至20 kV，采集局放的PRPD 数据，每组PRPD 采样时长为90 s。进一步升压到间隙击穿，记录击穿电压。

图10 局部放电试验平台

图11 为CO2、C4F7N／CO2、SF63 类气体的局放起始电压（PDIV）和击穿电压（UBD）测量统计，结果表明：纯CO2的PDIV最低，仅为6.5 kV；随着混合气体中C4F7N 含量的进一步增加，PDIV 相应增加；当C4F7N浓度高于15%时，PDIV 趋于饱和，SF6的PDIV介于C4F7N 占比20%和25%的混合气体二者之间。击穿电压几乎随C4F7N／CO2混合气体中C4F7N 的浓度线性增加，但25% C4F7N／CO2混合气体的击穿电压仍然低于SF6，这与均匀电场下的击穿电压结果显著不同。

图11 不同气体中针板电极的局放起始电压和击穿电压

为进一步研究不同气体的局部放电特性，本文比较了15%～25% C4F7N／CO2混合气体和纯SF6中的PRPD谱图，如图12 所示。图13 为不同放电量下的局放脉冲数目的统计结果，每20pC 划分为一个区间，从图可知，15、20 和25%的C4F7N／CO2混合气体的放电量分布情况较为类似，而SF6放电量较低的局放脉冲数更多，放电量较高的脉冲数较少。此外，随着C4F7N浓度的增加，C4F7N／CO2混合气体中的局放脉冲数有所减少，这与表面电荷积聚程度的变化规律是相符的。

图12 15%～25% C4F7N／CO2 和SF6 中的PRPD谱图

图13 不同放电量下的局部放电脉冲数目的统计分布

根据上述分析，C4F7N／CO2混合气体和SF6中不同的局放特性应该是其表面电荷积聚特征差异的原因。在同样的外施电压水平下，更多的高幅值脉冲放电会在气体中产生更多的离子，这些离子漂移到绝缘子表面，导致绝缘子的表面电荷积聚程度更高。另一方面，根据表面电荷测量结果，在GIL 中使用C4F7N／CO2混合气体时，应特别注意气固界面的绝缘强度，因为C4F7N／CO2混合气体在直流应力下的绝缘子表面电荷积聚程度可能显著高于SF6。

5 结语

本文研究了C4F7N／CO2混合气体和SF6中直流电压下GIL模型绝缘子表面的电荷积聚特性，开展了混合气体的局放和击穿特性测试、不同气体环境下的表面电位测量等对比实验，结果表明：①纯C4F7N 的击穿场强是纯SF6的2 倍多，15%～20% C4F7N／CO2混合气体的击穿场强大致与SF6相当；②纯CO2中绝缘子的表面电荷积聚程度最高，C4F7N／CO2混合气体中的表面电荷积聚程度次之，纯SF6中的电荷积聚程度最低；③不同气体中绝缘子表面电荷积聚程度和其局放特性相关，相比于SF6，C4F7N／CO2混合气体中高放电量的局放脉冲数目较多，因此更容易引起表面电荷的积聚。本文的结果可以为C4F7N／CO2混合气体的应用提供参考。