C4F和7N局/部C放O2电混分合解气特体性绝研缘究性能

上海市区供电公司 顾一飞

因为C4F7N 气体具有较高的液化温度，所以其纯气体在气温略高的环境中并不容易被利用，通常，学者们会将C4F7N 与N2、O2、CO2等缓冲气体进行混合，从而得到一种混合气体来进行特性研究。C4F7N 名称为七氟异丁腈，由于缓冲气体的液化温度比C4F7N 要低得多，所以可以把其当作一种理想气体来看待。将C4F7N 与CO2进行混合后生成的混合气体，其绝缘程度不会随着混合比的线性程度而改变，因此可以确定该混合气体具有协同效应[1]。

选择在典型断口结构下进行C4F7N 与CO2混合气体的绝缘性实验，对C4F7N 气体的分解机理展开了深入探讨，并通过组分检测，详细阐明了C4F7N 气体分解产物。但此种方法在过热情况下，其分解机理并没有被细致的研究，仍处于初级研究阶段。为改善上述方法存在的不足之处，现提出C4F7N/CO2混合气体绝缘性能和局部放电分解特性研究。

1 C4F7N/CO2混合气体绝缘性能和局部放电分解特性研究方法

1.1 确定混合气体的混合比数值

因为C4F7N 气体的液化温度较低，不能直接利用，需要加入一种缓冲气体来降低其受到的压力，从而达到降低其液化温度要求的目的。目前，国外对C4F7N/CO2混合气体的液化温度仅作了定性分析，甚至忽略了这一重要指标，但不同的环境温度对C4F7N/CO2混合气体中这种气体的含量有着较高的要求，因此，本文对一定的环境温度条件下的C4F7N 气体含量进行绝缘性能和局部放电分解特性定量分析。

使用的气体是C4F7N、CO2和N2，C4F7N 气体的纯度在99.9%以上，CO2和N2的纯度在99.99%以上。因为在同样的压力下，C4F7N 气体的液化温度比缓冲气体要低得多（在同一大气压力下，CO2的液化温度是76.5℃，N2的液化温度是-186℃，C4F7N 气体的液化温度是-4.7℃），则可以计算C4F7N 该气体在理想状态下的分压和混合气体的温度的计算公式如下：

公式中，Pm表示混合气体中C4F7N 气体中的分压，单位为MPa，PC表示临界的气压，tc为临界的温度，tm表示混合气体的液化温度。

一般GIS 内CO2气体压力在0.6～0.8MPa，按此公式可求出不同混合比值下C4F7N 混合气体的液化温度。在0.6MPa、0.8MPa 条件下，C4F7N 气体的液化温度分别为-1.9℃、3.5℃，与以往研究的实验结果一致。当电气设备在-10℃左右能正常工作时，气压分别为0.6MPa 和0.8MPa 时，C4F7N/CO2和C4F7N/N2混合气体中C4F7N 气体的含量不大于27%和41%[2]。

由此可以看出，当混合比数值小于15%时，C4F7N 与CO2混合后的气体的绝缘性能将会大大降低，因此，混合气体的混合比数值计算得出为：15%、20%、30%、50%。设定此时的混合气体为理想气体时，两种气体的分组的表达公式如下：

公式中：Pq、PW分别表示了气体Q、W 的压强，nq、nw分别表示了气体Q、W 的摩尔数，t 代表C4F7N/CO2混合气体的温度，V表示混合气体的压强、P 代表混合气体的体积。

此时，两种气体满足以下公式：

所以只要对气体成分中的分压强进行控制，就可容易地实现对混合气体的混合比数值k 的控制。但是为了提高所充入的混合气体混合比的准确性，应该在 PD 测试装置中先充入含量较低的气体成分，然后放置24h，将其混合均匀。

1.2 测量绝缘性能回路

研究C4F7N/CO2混合气体绝缘性能和局部放电分解特性，首先将常见缺陷的物理模型置于一个由不锈钢法兰和有机玻璃罐所构成的密闭容器内，并在该容器内充入一定气压的C4F7N/CO2混合气体。本文中所使用到的 PD 信号采用的是按照IEC 规范执行的脉冲电流法，采用泰克4582（3GHz 频段，最大采样率15 G/s）作为示波器，工作温度10℃～20℃，研究原理的主要线路如图1所示[3]。

图1 工作接线图

图1中的C 为充电电容，G 代表了碰触球隙，R1表示了波头处的电阻，R2表示波尾处的电阻，L表示待测试的样品（电流互感器）。纯C4F7N 气体的绝缘性能要优于一般气体，但该气体含有微量毒性（满足安全要求），C4F7N 气体的气体性能的参数与其他绝缘气体的性能参数对比见表1。

表1 气体性能参数

C4F7N/CO2混合气体在固定金属突出物缺陷下的PD 绝缘特性，使用针-板电极的模型来模拟金属突出缺陷。在测量之前，由上文所得出的混合气体的混合比数值结果，需要在电流互感器的腔体中充入具有不同气压14%和C4F7N 86%/CO2混合比例的气体。第一，在回收完毕后，将空腔及充气管道抽成真空，并保持并再次抽气，直到空腔内压力降至86Pa 以下；第二，按照实验要求，计算出C4F7N和CO2在混合气中的各个子压力和目标压力；第三，采用分压控制成比例的方法，将C4F7N、SF6与CO2按顺序充填至电流互感器腔体中，以获得相应的分压；第四，充好气后放置24h，以确保空腔内的气体充分混合；第五，使用C4F7N/CO2混气比率检测器，对混气比率进行测定，当测定结果符合规定之后，进行实验测量。

1.3 检测局部放电分解信号

C4F7N 与CO2混合气体进行局部放电时会产生分解信号，分解信号的产生与混合气体中的每个粒子的微观变化有关，因此，使用本文方法和量子化学理论进行研究。

在刚开始发生放电现象时，若电池放电电流集中于工频运行的负零点五周，且此时外施电流较低，则充放电流较小且密集，则此时的外施电流约为PDIV 值。随着外施电流的增加，金属缝隙间的场强逐渐增加，使得金属正离子快速地向针极方向移动，从而与针极产生复合电流。同时，电子与针极结合，形成负极，并且负极与负极之间的相互作用，造成了针尖的电场的强度降低，但负极场强的提高并不明显。装置内部漂浮的着陆不良的部件会在工作电压下激发漂浮的局部放电，导致气体分解，微波会对绝缘性能产生负面影响。去除后，要考虑对C4F7N/CO2气体混合物的绝缘和局部放电的影响。

产气率是反应过程中的一个重要特征参数，产气率与反应过程中的缺陷类型、发展阶段、严重程度等有较大关系，计算混合气体中的主要分解物的产气均方速率，其计算公式如下：

公式中：u1表示在第一次测量之后的组分生成量，j 代表时间段，u2表示第二次测量后的组分生成量，Δb 代表两个组分之间的时间间隔。

C4F7N/CO2混合气体中的电荷会减弱靠近针极的电场，使其不容易产生局部放电分解信号。因此当外施电压增加时，在工作频率的前半个周期内，也会发生较小但幅度较大的放电分解现象，记录为PDIV 数值，这时针电极的极性以正负为主，电晕放电会在针尖周围聚集大量的空间电荷，当电晕放电进入针尖时，其周围的空间电荷会被中和，从而减弱靠近针尖的电场。但C4F7N/CO2混合气体又增强了针尖周围的空间电场，随着外施电压的增加，电晕放电区会逐渐扩大，并快速向板片之间扩散，信号会逐渐加剧，最终引起击穿。

2 实验测试与分析

为证明本文提出的C4F7N/CO2混合气体绝缘性能和局部放电分解特性研究方法的有效性，现进行实验测试，通过对比本文方法与传统方法1、方法2的测试效果。为验证本文方法的正确性，本章将三种方法运用到本次实验测试中，并对其能否满足规定的绝缘与放电的性能标准，能否取得良好的检测效果进行检验。在实验测试之前，需要做一些准备工作，保证本次实验的准确性。

2.1 实验准备

此次实验选择在实验室中进行，对C4F7N/CO2混合气体绝缘变流器的绝缘性能进行试验，选取了与变流器外观结构和尺寸完全一致的110kV 陶瓷圆柱形变流器为试验对象。其结构图如图2所示。

图2 测量仪器结构示意图

按照 GB 要求的一般技术规范，变压器初级绝缘等级必须符合表2的规定。国家标准中规定：在进行暴露安装的时候，选择程度最高的绝缘水平，针对该变流器，在采用C4F7N/CO2混合气体的情况下，只对变流器的内部绝缘有一定的影响，因而重点研究内部绝缘是否能够达到绝缘要求。在该测试的过程中，对200kV 的电源电压与450kV 的冲击电压的状态下分别使用三种方法进行了测试。

表2 测量仪器一次端额定绝缘水平（单位：kV）

实验环境的运行环境的条件参数见表3。

表3 运行条件

使用表2所示三种方法，均使理想混合气体中的两种气体分别为14%的C4F7N、86%的CO2。

实验设定的5处不同位置下的局部放电的电压数据，测点1～5局部放电数值为1.5kV、1.5kV、2kV、2kV、3kV。在试验前的准备阶段，使用罐体抽真空，在实验后的处理阶段，其被用来抽取剩余的实验气体，并对其进行无毒的分解处理。在气室的上部，有一种特殊的玻璃观察口，能够在任何时候，观察到在实验过程中，内部视觉上的变化。如果设备内部出现了故障，可以及时被发现，从而将设备关闭。

2.2 实验结果与分析

将三种方法分别带入实验环境中，经过三次过程相同的测试后，实验结果见表4。

表4 实验结果（单位：kV）

由上表实验结果可以清楚地看出，本文使用的C4F7N/CO2混合气体绝缘性能和局部放电分解特性方法得出的局部放电结果检测电压的最大误差为0.1kV。但传统方法1、方法2的实验结果最大误差分别达到了0.4kV、0.3kV。传统方法1的稳定性较高，但测量局部放电的单次偶然误差较大；传统方法2的局部放电的测量结果均与实验设定的数据不一致。由此，可以对比验证本文方法的可行性。