C3F7CN/CO2混合氣體在準(zhǔn)均勻電場中的絕緣性能

    SF6氣體具有優(yōu)異的絕緣性能和良好的滅弧能力，因而目前被大量應(yīng)用于氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(GIS)、氣體絕緣傳輸線(GIL)和斷路器等各種中壓及高壓設(shè)備中。然而SF6的溫室效應(yīng)潛在值 (GWP)值是 CO2的 23 500倍，大氣壽命高達(dá) 3 200 a。1997年頒布的《京都議定書》將其列為 6大溫室氣體之一，2015年通過的《巴黎協(xié)定》也明確提出 把全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高控制在 2 ℃之內(nèi)。因此，尋找一種新型環(huán)保氣體來替代 SF6作為電氣設(shè)備氣體絕緣介質(zhì)成為本領(lǐng)域近年來的研究熱點(diǎn)。

C3F7CN氣體是一種新型環(huán)境友好氣體，它的 GWP值僅為 2 090，臭氧消耗潛值 (ODP)為 0，不會對臭氧層產(chǎn)生破壞，介電強(qiáng)度大約為 SF6的 2倍[7-8]。由于 C3F7CN的液化溫度高達(dá) ?4.7 ℃，因此它不適宜單獨(dú)作為氣體絕緣介質(zhì)使用，需要混合液化溫度較低的 CO2、N2等緩沖氣體。

近年來國內(nèi)外諸多學(xué)者也對 C3F7CN/CO2混合氣體的絕緣性能進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究。Kieffel等測試發(fā)現(xiàn) C3F7CN體積分?jǐn)?shù)為 18%~20%的 C3F7CN/CO2混合氣體的絕緣性能可以和純 SF6相媲美[9-10]；Seeger等人測試發(fā)現(xiàn) C3F7CN/CO2混合氣體的開斷性能優(yōu)良， 4%體積分?jǐn)?shù)下 C3F7CN/CO2混合氣體的燃弧時(shí)間平均為 12 ms，低于相同條件下純 SF6的 15 ms[11]；西安交通大學(xué)李興文課題組對 C3F7CN/CO2混合氣體的雷電沖擊特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，指出 0.4 MPa、0.6 MPa下混合氣體的 50%擊穿電壓約為 SF6氣體的 72.45%和 71.59%[12]；在工程應(yīng)用方面，一條以 C3F7CN/CO2混合氣體為絕緣介質(zhì)的 GIL在 2015年已經(jīng)試驗(yàn)運(yùn)行 [13-14]。

盡管目前針對 C3F7CN及其混合氣體的絕緣特性的研究取得了一定成果，但國內(nèi)外鮮有系統(tǒng)探究氣壓、混合比等因素對 C3F7CN/CO2混合氣體的工頻擊穿特性及絕緣自恢復(fù)特性影響情況的相關(guān)報(bào)道。本文利用搭建的氣體絕緣試驗(yàn)平臺，利用球電極模擬準(zhǔn)均勻電場，對不同氣壓、混合比條件下 C3F7CN/CO2混合氣體的絕緣性能進(jìn)行了測試，系統(tǒng)探究了氣壓、混合比對混合氣體絕緣性能的影響情況。相關(guān)研究成果一方面全面揭示了 C3F7CN/CO2混合氣體的工頻擊穿特性及自恢復(fù)性能，另一方面也為 C3F7CN/CO2混合氣體的工程應(yīng)用提供了參考。

當(dāng) C3F7CN與 CO2組成混合氣體時(shí)，由于 C3F7CN分子中的 CN基團(tuán)及 F原子具有很強(qiáng)的電負(fù)性，容易吸附電子形成負(fù)離子，阻礙碰撞電離的形成和發(fā)展，因而即使少量 C3F7CN的加入就能大大提高 CO2的絕緣性能，例如在各試驗(yàn)氣壓下，含 2% C3F7CN的混合氣體其工頻擊穿電壓較 CO2分別提高了 40%、53.59%、54.48%、49.81%和 57.13%。

另外， C3F7CN分子的體積較大，自由電子在高混合比氣體中的平均自由程將小于低混合比，不易積累能量，同時(shí) C3F7CN分子本身的電離能較高（與 SF6相當(dāng)）^[18]，因此減小了電子碰撞電離的可能性。當(dāng)自由電子與 C3F7CN分子相遇時(shí)，還會因?yàn)闃O化等過程增加能量損失，進(jìn)一步減弱其碰撞電離能力。因此，混合氣體的絕緣特性隨 C3F7CN體積分?jǐn)?shù)的增加而增加。但隨著 C3F7CN體積分?jǐn)?shù)的繼續(xù)提高，上述絕緣性能的增加會出現(xiàn)飽和趨勢，這是因?yàn)樯倭康?C3F7CN分子已能起俘獲電子而形成負(fù)離子的作用。

同時(shí)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低氣壓條件下提升混合比 k對 C3F7CN/CO2混合氣體工頻擊穿電壓的提升效果較小。而高氣壓下增大混合比 k能夠顯著提升混合氣體的絕緣性能。比如，在 0.10 MPa~0.30 MPa 5個(gè)試驗(yàn)氣壓條件下，混合比 k從 2%增加到 8%，混合氣體的工頻擊穿電壓分別增加 5.375 kV、8.368 kV、10.05 kV、11.908 kV和 13.265 kV。

因此，可以通過增加 C3F7CN的含量來提高 C3F7CN/CO2混合氣體的絕緣強(qiáng)度，文獻(xiàn) [8-9]指出，當(dāng) C3F7CN的含量提高到 18%~20%時(shí)，C3F7CN/CO2混合氣體的絕緣性能可以達(dá)到相同條件下的純 SF6氣體。盡管增加 C3F7CN氣體的含量能夠有效地提升混合氣體的絕緣性能，但 C3F7CN體積分?jǐn)?shù)增加也會使相同氣壓下混合氣體的液化溫度升高，在一定程度上限制其應(yīng)用。

圖 9給出了在準(zhǔn)均勻電場下， C3F7CN/CO2混合氣體的相對絕緣強(qiáng)度隨混合比的變化情況。可以看到混合氣體的相對絕緣強(qiáng)度隨混合比的增加呈飽和增長趨勢，這一結(jié)論與文獻(xiàn) [8-9]相一致。另外，計(jì)算發(fā)現(xiàn)含 2% C3F7CN混合氣體的絕緣性能可以達(dá)到相同條件下純 SF6的 50%，含 8% C3F7CN混合氣體的絕緣性能可以達(dá)到純 SF6的 75%。

實(shí)際上，這種非線性增長趨勢在一定程度上也反映出了 C3F7CN和 CO2在試驗(yàn)混合比區(qū)間內(nèi)具有明顯的協(xié)同效應(yīng)。協(xié)同效應(yīng)是指當(dāng)電負(fù)性氣體與

2.2 C3F7CN/CO2混合氣體的復(fù)原特性

復(fù)原特性用來衡量氣體絕緣介質(zhì)發(fā)生擊穿后絕緣性能的恢復(fù)情況，良好的氣體絕緣介質(zhì)應(yīng)當(dāng)具備出色的復(fù)原能力。另外，復(fù)原特性也與氣體絕緣介質(zhì)的滅弧性能息息相關(guān)。為進(jìn)一步探究 C3F7CN/CO2混合氣體的復(fù)原特性，本文利用已搭建的試驗(yàn)平臺，對混合比為 2%的 C3F7CN/CO2混合氣體開展了 50次工頻擊穿試驗(yàn)，試驗(yàn)間隔為 1 min，實(shí)驗(yàn)氣壓選擇為 0.15 MPa。圖 10給出了混合氣體的工頻擊穿電壓隨擊穿次數(shù)的變化情況。

由圖 10可以看出，隨著擊穿次數(shù) N的增加， C3F7CN/CO2混合氣體的工頻擊穿電壓有一定程度的下降。對擊穿電壓與擊穿次數(shù)的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行線性擬合，得到的擬合方程式如式 (5)所示

U =?0.004 72 N +16.808 24 (5)其中 U為混合氣體的擊穿電壓， N為擊穿次數(shù)。根據(jù)式 (5)的結(jié)果，可以推斷 100次擊穿后， C3F7CN/CO2混合氣體的工頻擊穿電壓將下降2.81%。綜合來看，混合氣體的絕緣復(fù)原特性良好。

3 結(jié)論

1）在準(zhǔn)均勻電場條件下， C3F7CN/CO2混合氣體的工頻擊穿電壓隨氣壓、混合比的增加而增大?；旌蠚怏w的相對絕緣強(qiáng)度隨混合比的增加呈飽和增長趨勢，氣壓對混合氣體相對絕緣強(qiáng)度的影響弱于混合比。 2）含 2%C3F7CN的混合氣體在準(zhǔn)均勻電場下的工頻擊穿強(qiáng)度能夠達(dá)到相同條件下純 SF6的 50%，含 8%C3F7CN混合氣體的絕緣性能可以達(dá)到純 SF6的 75%。C3F7CN及 CO2氣體間存在良好的協(xié)同效應(yīng)，協(xié)同效應(yīng)系數(shù)在 0.005~0.035之間。

3）C3F7CN/CO2混合氣體具備良好的絕緣自恢復(fù)性能。綜合工頻擊穿特性的試驗(yàn)結(jié)果，本文認(rèn)為環(huán)保型絕緣介質(zhì) C3F7CN/CO2混合氣體具備替代 SF6氣體應(yīng)用于氣體絕緣設(shè)備的潛力。