不均勻電場(chǎng)下CF3I/N2混合氣體工頻擊穿特性試驗(yàn)

肖 淞 張曉星 韓曄飛 戴琦偉

?

不均勻電場(chǎng)下CF3I/N2混合氣體工頻擊穿特性試驗(yàn)

肖 淞 張曉星 韓曄飛 戴琦偉

（武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430072）

從工頻擊穿性能的角度探討CF3I/N2混合氣體替代SF6氣體用于氣體絕緣設(shè)備的可能性。通過(guò)工頻擊穿試驗(yàn)探究氣壓、混合比和電極間距三種因素對(duì)CF3I/N2混合氣體工頻擊穿電壓的影響，并與相同條件下的SF6/N2混合氣體進(jìn)行對(duì)比分析，提出使用協(xié)同效應(yīng)指數(shù)值判定混合氣體協(xié)同效應(yīng)類型及協(xié)同效應(yīng)強(qiáng)弱的定量分析方法。結(jié)果表明，隨著混合比、氣壓的升高，CF3I/N2混合氣體工頻擊穿性能逐漸接近SF6氣體，較高氣壓下的CF3I/N2混合氣體更具有應(yīng)用潛力。CF3I/N2混合氣體工頻擊穿電壓呈正協(xié)同效應(yīng)，而且CF3I氣體具有優(yōu)良的自恢復(fù)絕緣性能。綜合考慮工頻擊穿性能、液化溫度和環(huán)境影響三種因素，在特定的場(chǎng)合下，CF3I含量為20%～50%的CF3I/N2混合氣體有可能替代SF6氣體用于氣體絕緣設(shè)備。

CF3I/N2混合氣體 工頻擊穿電壓 替代氣體 協(xié)同效應(yīng) 液化溫度

0 引言

SF6氣體絕緣設(shè)備主要包括氣體絕緣組合電器（Gas Insulated Switchgear，GIS）、氣體絕緣斷路器（Gas Insulated Breaker，GIB）、氣體絕緣變壓器（Gas Insulated Transformer，GIT）以及氣體絕緣線路（Gas Insulated Line，GIL）等，具有占地面積少、維修方便、檢修周期長(zhǎng)、電磁污染小以及安全可靠等優(yōu)勢(shì)，在電網(wǎng)中被大量使用[1,2]。雖然1997年的《京都議定書(shū)》將SF6氣體定為限制使用的高溫室效應(yīng)氣體，但SF6氣體在氣體絕緣設(shè)備中的使用量仍然逐年增加。SF6氣體溫室效應(yīng)潛在值（Global Warming Potential, GWP）是CO2氣體的23 900倍，且在大氣中壽命長(zhǎng)達(dá)3 200年，對(duì)全球變暖有累積效應(yīng)[3,4]。

SF6氣體絕緣設(shè)備的正常泄露、調(diào)試、檢修以及SF6氣體的回收都會(huì)使得SF6氣體進(jìn)入大氣環(huán)境中。目前，減少SF6氣體排放的措施包括采用更先進(jìn)的SF6氣體泄漏檢測(cè)設(shè)備，定期檢測(cè)SF6絕緣設(shè)備中SF6氣體的泄漏量，并及時(shí)采用先進(jìn)材料進(jìn)行泄漏部位的封堵[4]以及SF6氣體回收再利用技術(shù)的研究與應(yīng)用。這些措施一定程度上減少了SF6的排放量。同時(shí)，科研人員做了大量研究，希望找到能夠替代SF6氣體用于氣體絕緣設(shè)備的新介質(zhì)。替代氣體的研究首先針對(duì)SF6/N2、SF6/CO2混合氣體展開(kāi)，研究發(fā)現(xiàn)SF6含量在20%~40%的SF6/N2混合氣體具有較好的應(yīng)用前景。例如，在瑞士日內(nèi)瓦機(jī)場(chǎng)線路改造時(shí)，用于代替原有架空線的GIL，填充介質(zhì)為20%SF6/80%N2混合氣體[5]。從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)，無(wú)論是采用保守的方法（比如泄漏的檢測(cè)與封堵），還是用SF6混合氣體替代純SF6氣體，都無(wú)法從根本上消除SF6氣體的溫室效應(yīng)影響及其分解產(chǎn)物中劇毒物質(zhì)對(duì)人身的威脅。SF6的溫室效應(yīng)問(wèn)題已經(jīng)成為一個(gè)不容忽視的全球問(wèn)題，鑒于日益嚴(yán)峻的全球氣候變暖問(wèn)題，迫切需要尋找溫室效應(yīng)較小而耐電強(qiáng)度與SF6氣體相當(dāng)?shù)臍怏w替代SF6?？蒲腥藛T研究的比較多的是含F(xiàn)原子的電負(fù)性氣體，包括八氟環(huán)丁烷（c-C4F8）、六氟乙烷（C2F6）、全氟丙烷（C3F8）、三氟碘甲烷（CF3I）等[6-8]。

CF3I氣體無(wú)色、無(wú)味、不可燃[9,10]，其GWP＜5，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于SF6氣體，臭氧消耗潛在值（Ozone Depleting Potential, ODP）約為0，且大氣壽命僅為0.005年，對(duì)環(huán)境影響甚微。CF3I氣體與SF6氣體基本性質(zhì)的對(duì)比見(jiàn)表1[11]。CF3I氣體是經(jīng)NFPA標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的哈龍1301優(yōu)選替代滅火劑，在半導(dǎo)體蝕刻、發(fā)泡劑等領(lǐng)域也具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來(lái)，科研人員對(duì)CF3I氣體的絕緣性能和滅弧性能展開(kāi)了一系列研究，研究表明，CF3I及其混合氣體是一種性能優(yōu)良的絕緣氣體。CF3I氣體在均勻電場(chǎng)下的絕緣性能總體高于SF6氣體，而在不均勻電場(chǎng)下略低于SF6氣體[12-14]。CF3I氣體放電分解產(chǎn)物有C2F6、CHF3、C3F8、C3F6和 C2F5I等，幾乎沒(méi)有毒性[15]。純CF3I氣體的滅弧性能是SF6氣體的0.9倍，混合比（本文指CF3I氣體或SF6氣體在混合氣體中的比例）= 20%的CF3I/CO2混合氣體開(kāi)斷性能已經(jīng)與純CF3I接近[11,16]。緩沖氣體（如N2、CO2等）可以降低CF3I液化溫度，改善CF3I混合氣體的絕緣性能和滅弧性能。CF3I替代氣體的研究主要集中在滅弧性能、電子崩放電的微觀參數(shù)和準(zhǔn)均勻電場(chǎng)的耐電強(qiáng)度等方面，本文使用針-板電極模型模擬固定金屬突出物缺陷。對(duì)不均勻電場(chǎng)下CF3I/N2混合氣體的工頻擊穿性能進(jìn)行研究，為SF6替代氣體的研究提供試驗(yàn)依據(jù)。

表1 CF3I氣體與SF6氣體的基本性質(zhì)的對(duì)比

Tab.1 The comparison of general properties of CF3I and SF6

1 CF3I/N2混合氣體工頻擊穿試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

本文所用的試驗(yàn)回路如圖1所示，氣體工頻擊穿試驗(yàn)在如圖2所示的氣體絕緣性能試驗(yàn)裝置中進(jìn)行，氣體絕緣性能試驗(yàn)裝置分為內(nèi)罐和外罐兩部分。內(nèi)罐嵌套在外罐中，是一個(gè)由不銹鋼法蘭和圓筒形有機(jī)玻璃罐體組成的封閉式容器，內(nèi)部放置缺陷模型，充入試驗(yàn)氣體，進(jìn)行工頻擊穿性能試驗(yàn)。外罐是一個(gè)由不銹鋼法蘭和圓筒形不銹鋼罐體組成的封閉式容器，在局部放電信號(hào)采集時(shí)，可以屏蔽外部信號(hào)干擾。在外罐的一側(cè)法蘭上加裝玻璃視窗，以便觀察內(nèi)罐中的試驗(yàn)現(xiàn)象。

圖1 試驗(yàn)回路

圖2 氣體絕緣性能試驗(yàn)裝置

本文主要研究固定金屬突出物缺陷下CF3I/N2混合氣體的工頻擊穿絕緣特性。而氣體絕緣設(shè)備中固定金屬突出物大小不一，表面通常比較尖銳，容易在缺陷頭部形成高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)，實(shí)驗(yàn)室可以用針-板電極模型模擬不同電場(chǎng)均勻度的金屬突出物缺陷[17]。本文所用針電極與板電極如圖3所示，其中，針電極直徑為3mm，長(zhǎng)為17mm，針尖部分長(zhǎng)為7mm，曲率半徑為0.3mm，材料選用導(dǎo)電性優(yōu)良的黃銅。板電極厚度為8mm，平板部分直徑為92mm，材料也選用黃銅。由于黃銅熔點(diǎn)較低，擊穿試驗(yàn)易造成針電極尖端燒熔損壞，電場(chǎng)均勻度改變，試驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確，在進(jìn)行擊穿試驗(yàn)時(shí)，必須定期更換針電極。

圖3 針電極與板電極

1.2 試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)記錄

用干凈的絲綢布沾無(wú)水酒精擦拭氣體絕緣性能試驗(yàn)裝置內(nèi)罐內(nèi)部及電極，減小固體顆粒物、水分等雜質(zhì)對(duì)工頻擊穿試驗(yàn)的影響，確保擊穿試驗(yàn)處在潔凈、干燥的環(huán)境中，待風(fēng)干后對(duì)試驗(yàn)裝置的氣密性進(jìn)行檢查。

向內(nèi)罐充入試驗(yàn)氣體進(jìn)行洗氣，洗氣過(guò)程重復(fù)2～3次，減少裝置中的氣體雜質(zhì)和水分，然后向內(nèi)罐中充入一定氣壓和混合比的試驗(yàn)氣體，質(zhì)量大且含量少的SF6氣體或CF3I氣體先充，N2氣體后充，并靜置10min，保證混合氣體混合均勻。

采用逐步升壓法進(jìn)行工頻擊穿性能試驗(yàn)，并重復(fù)測(cè)量5次取平均值，考慮到每次擊穿造成的針-板電極溫度升高對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響及絕緣氣體的自恢復(fù)性能，每?jī)纱螕舸┑臅r(shí)間間隔為5min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)對(duì)象為SF6/N2及CF3I/N2混合氣體，混合氣體壓力取為0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa和0.30MPa（文中提到的氣壓都為絕對(duì)氣壓），混合比取0、10%、20%、30%、50%、80%和100%，針-板電極距離取5mm和10mm，分別對(duì)應(yīng)不同的電場(chǎng)均勻度。

2.1 純CF3I氣體的工頻擊穿特性

圖4為不同電場(chǎng)均勻度下純N2、SF6和CF3I氣體的工頻擊穿電壓與氣壓的關(guān)系。純N2的工頻擊穿電壓隨氣壓增加呈線性增長(zhǎng)，純CF3I氣體在不同電場(chǎng)均勻度下的工頻擊穿電壓隨氣壓的增長(zhǎng)呈現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。電極間距5mm時(shí)，CF3I工頻擊穿電壓隨氣壓的增加呈線性增長(zhǎng)，而電極間距10mm時(shí)，工頻擊穿電壓先減后增，最小值出現(xiàn)在0.15MPa附近。不均勻電場(chǎng)下，純SF6氣體的工頻擊穿電壓隨氣壓增加先增后減，曲線的非線性特性明顯。SF6工頻擊穿電壓對(duì)氣壓的敏感程度較高，針-板距離越近，電場(chǎng)均勻度越大，曲線非線性越明顯，SF6對(duì)氣壓的敏感程度越高；而純N2對(duì)氣壓的敏感度較低。三種氣體不均勻電場(chǎng)下對(duì)氣壓的敏感程度從大到小依次為SF6、CF3I、N2。

圖4 純氣的工頻擊穿電壓與氣壓的關(guān)系

為了更好地說(shuō)明CF3I氣體的工頻擊穿絕緣性能，定義相對(duì)工頻擊穿強(qiáng)度為

圖5 純CF3I和N2的相對(duì)工頻擊穿強(qiáng)度

2.2 CF3I/N2混合氣體的工頻擊穿特性

不同混合比、不同電極間距的SF6/N2和CF3I/N2混合氣體工頻擊穿電壓與氣壓的關(guān)系如圖6所示。當(dāng)混合比＜30%時(shí)，CF3I/N2的工頻擊穿電壓隨氣壓呈線性增長(zhǎng)。當(dāng)混合比＞30%時(shí)，隨氣壓增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。電極間距為5mm時(shí)的SF6/N2隨氣壓變化趨勢(shì)與CF3I/N2接近，但電極間距10mm的情況稍有不同，當(dāng)＞10%時(shí)，SF6/N2隨氣壓增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩。SF6和CF3I氣體的少量加入極大提高了混合氣體的工頻擊穿強(qiáng)度，隨著的不斷增加，工頻擊穿電壓的提升效果明顯下降。N2改善了不均勻電場(chǎng)下SF6氣體對(duì)氣壓的敏感度，高氣壓下SF6/N2混合氣體的工頻擊穿電壓出現(xiàn)高于純SF6的情況。對(duì)CF3I氣體而言，N2使CF3I/N2混合氣體的工頻擊穿電壓有了質(zhì)的提高，CF3I/N2混合氣體的工頻擊穿電壓出現(xiàn)明顯高于純CF3I的情況，這種現(xiàn)象在電極間距10 mm時(shí)（見(jiàn)圖6d）尤為明顯，CF3I/N2混合氣體比純CF3I更適合用于用作絕緣氣體。

圖7a和圖7b分別為電極間距5mm、10mm，不同混合比的CF3I/N2混合氣體的相對(duì)工頻擊穿強(qiáng)度，由式（1）得到。CF3I/N2混合氣體的相對(duì)工頻擊穿電壓隨氣壓的增加先減后增，并且，增加的趨勢(shì)逐漸增強(qiáng)，的極小值出現(xiàn)在0.15MPa附近。當(dāng)=30%時(shí)，CF3I/N2混合氣體的工頻擊穿強(qiáng)度整體達(dá)到純SF6的0.6倍以上，此時(shí)，若氣壓增加到0.3MPa，電極間距5mm時(shí)CF3I/N2的相對(duì)工頻擊穿強(qiáng)度增加到0.9，電極間距為10mm時(shí)增加到0.85。當(dāng)=50%，氣壓為0.3MPa，電極間距為5mm時(shí)，CF3I/N2的工頻擊穿強(qiáng)度與純SF6相當(dāng)。隨著電場(chǎng)均勻度的提高，氣壓較高時(shí)CF3I/N2的相對(duì)工頻擊穿強(qiáng)度總體增強(qiáng)?？傊?，氣壓較高時(shí)，CF3I/N2混合氣體展現(xiàn)出良好的工頻擊穿特性，有更大的應(yīng)用潛力。

（a）5mm SF6/N2

（b）5mm CF3I/N2

（c）10mm SF6/N2

（d）10mm CF3I/N2

圖6 SF6/N2和CF3I/N2混合氣體工頻擊穿電壓與氣壓的關(guān)系

Fig.6 Power frequency puncture voltage of SF6/N2 and CF3I/N2 gas mixtures as a function of gas pressure

（a）5mm

（b）10mm

圖7 CF3I/N2混合氣體的相對(duì)工頻擊穿強(qiáng)度

Fig.7 Relative power frequency puncture voltage of CF3I/N2 gas mixture

2.3 CF3I/N2混合氣體的協(xié)同效應(yīng)

不同氣壓、不同電極間距的SF6/N2和CF3I/N2混合氣體工頻擊穿電壓與的關(guān)系如圖8所示。兩種混合氣體的工頻擊穿電壓均隨著混合比的增加而呈非線性增大，且隨著氣壓的增加，非線性逐漸增強(qiáng)。CF3I/N2混合氣體工頻擊穿電壓隨混合比增加的非線性要強(qiáng)于SF6/N2混合氣體，這也是CF3I/N2混合氣體作為絕緣氣體的優(yōu)勢(shì)。SF6/N2混合氣體僅在氣壓較高時(shí)，工頻擊穿電壓隨混合比的變化出現(xiàn)明顯駝峰，而CF3I/N2混合氣體的工頻擊穿電壓在氣壓不低于0.15MPa時(shí)都出現(xiàn)明顯駝峰，而且，隨著氣壓的增加，駝峰的峰值逐漸移向混合比減小的方向。實(shí)際上，非線性度的大小可以用協(xié)同效應(yīng)的明顯程度來(lái)表示，兩種氣體（至少一種是電負(fù)性氣體）混合后，混合氣體的絕緣性能隨電負(fù)性氣體含量的增加而呈現(xiàn)出四種不同的變化形式為負(fù)協(xié)同效應(yīng)、線性關(guān)系、協(xié)同效應(yīng)和正協(xié)同效應(yīng)[18]，分別對(duì)應(yīng)圖9中的曲線1～曲線5。曲線1、曲線2的情況都?xì)w為負(fù)協(xié)同效應(yīng)，呈負(fù)協(xié)同效應(yīng)型的混合氣體極少，文獻(xiàn)[18]中指出僅有CBrClF2/SF6混合氣體滿足圖9曲線1的負(fù)協(xié)同效應(yīng)型。

（a）5mm SF6/N2

（b）5mm CF3I/N2

（c）10mm SF6/N2

（d）10mm CF3I/N2

圖8 SF6/N2和CF3I/N2混合氣體工頻擊穿電壓與k的關(guān)系

Fig.8 Power frequency puncture voltage of SF6/N2 and CF3I/N2 gas mixtures as a function of k

文獻(xiàn)[6,19]描述了SF6/N2、c-C4F8/N2等混合氣體擊穿電壓的協(xié)同效應(yīng)，協(xié)同效應(yīng)的大小可以用協(xié)同效應(yīng)指數(shù)表示。與氣壓及混合比的關(guān)系為

式中，1和2為純氣體的擊穿電壓；m為混合氣體的擊穿電壓。

根據(jù)式（2）計(jì)算，得到SF6/N2混合氣體的協(xié)同效應(yīng)值見(jiàn)表2，以及CF3I/N2混合氣體的協(xié)同效應(yīng)值見(jiàn)表3。SF6/N2及CF3I/N2混合氣體的協(xié)同效應(yīng)都出現(xiàn)了負(fù)值，而文獻(xiàn)[6]僅對(duì)0≤＜1時(shí)的協(xié)同效應(yīng)做出解釋，只定義了協(xié)同效應(yīng)與線性關(guān)系兩種類型，因此有必要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)充和進(jìn)一步的闡釋，并提出通過(guò)混合氣體的大小判定協(xié)同效應(yīng)類型及協(xié)同效應(yīng)強(qiáng)弱的定量分析方法。

圖9 混合氣體基本的協(xié)同效應(yīng)關(guān)系類型

表2 SF6/N2混合氣體的協(xié)同效應(yīng)值

Tab.2 The synergistic effect C of SF6/N2 gas mixtures

表3 CF3I/N2混合氣體的協(xié)同效應(yīng)值

Tab.3 The synergistic effect C of CF3I/N2 gas mixtures

（1）＜，＜0∪≤＜1，＞1，其中0＜＜1，則混合氣體屬于負(fù)協(xié)同效應(yīng)型，越大，負(fù)協(xié)同效應(yīng)越明顯，對(duì)應(yīng)圖9中曲線1。

（2）＞1，則混合氣體屬于負(fù)協(xié)同效應(yīng)型，越大，負(fù)協(xié)同效應(yīng)越明顯，對(duì)應(yīng)圖9中曲線2。

（3）=1，則混合氣體屬于線性關(guān)系型，m隨著的增長(zhǎng)由2線性增長(zhǎng)到1，對(duì)應(yīng)圖9中曲線3。

（4）0＜＜1，則混合氣體屬于協(xié)同效應(yīng)型，且越接近0，協(xié)同效應(yīng)越明顯，對(duì)應(yīng)圖9中曲線4。

（5）＜，0＜＜1∪≤＜1，＜0，其中0＜＜1，則混合氣體屬于正協(xié)同效應(yīng)型，越小，正協(xié)同效應(yīng)越明顯，對(duì)應(yīng)圖9中曲線5。

由表2和表3可以看出，隨著氣壓升高，相同混合比的SF6/N2和CF3I/N2混合氣體的值總體呈下降趨勢(shì)。SF6/N2混合氣體值符合上述分析的第（4）條，呈現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)。值僅在氣壓達(dá)到0.25MPa以上時(shí)出現(xiàn)負(fù)值，隨著電壓升高，SF6/N2由協(xié)同效應(yīng)型逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎齾f(xié)同效應(yīng)型，氣壓越高，值越小，協(xié)同效應(yīng)越明顯。CF3I/N2混合氣體值在0.15MPa及以上氣壓出現(xiàn)大量負(fù)值，符合上述分析的第（5）條。CF3I/N2混合氣體屬于明顯的正協(xié)同效應(yīng)型，氣壓越高，值越小，正協(xié)同效應(yīng)越明顯。CF3I/N2混合氣體在電極間距10mm的值總體上小于電極間距5mm時(shí)的值，說(shuō)明隨著電場(chǎng)均勻度的減小，CF3I/N2混合氣體的正協(xié)同效應(yīng)明顯增強(qiáng)。

2.4 CF3I氣體的自恢復(fù)絕緣性能

在絕緣擊穿后，當(dāng)導(dǎo)致?lián)舸┑脑蛳r(shí)，能恢復(fù)其原來(lái)絕緣性能的絕緣介質(zhì)稱為自恢復(fù)絕緣。在電極間距分別為5mm、10mm時(shí)，每隔1min進(jìn)行一次工頻擊穿試驗(yàn)，將工頻擊穿電壓與擊穿次數(shù)按照式（3）進(jìn)行擬合，所得CF3I氣體的自恢復(fù)絕緣性能如圖10所示。隨著擊穿次數(shù)的增加，工頻擊穿電壓呈現(xiàn)出極緩慢的下降趨勢(shì)，在一定程度上可以忽略不計(jì)。文獻(xiàn)[14]指出經(jīng)過(guò)1 300次沖擊閃絡(luò)放電，CF3I氣體的閃絡(luò)電壓下降僅為11%，說(shuō)明CF3I氣體具有優(yōu)異的自恢復(fù)絕緣性能。

式中，b為工頻擊穿電壓；為擊穿次數(shù)；和為擬合參數(shù)。

圖10 CF3I氣體的自恢復(fù)絕緣性能

3 CF3I替代SF6的可行性分析

3.1 CF3I氣體的工頻擊穿特性分析

不均勻電場(chǎng)下，不同混合比的CF3I/N2混合氣體相對(duì)SF6的絕緣強(qiáng)度隨氣壓增加先減后增，純CF3I氣體在常壓下工頻擊穿性能可達(dá)SF6氣體的80%以上，在氣壓0.3MPa時(shí)也達(dá)到69%以上。對(duì)于CF3I/N2混合氣體，當(dāng)氣壓超過(guò)0.2MPa時(shí)，其相對(duì)工頻擊穿強(qiáng)度急劇升高。當(dāng)氣壓為0.3MPa時(shí)，=20%的值達(dá)到0.8以上，隨著的增加，值繼續(xù)增加。在=50%，氣壓為0.3MPa，電極間距為5mm時(shí)，=1。在氣壓相對(duì)較高時(shí)，CF3I/N2混合氣體比純CF3I相對(duì)絕緣強(qiáng)度高。從工頻擊穿性能的角度，氣壓超過(guò)0.2MPa，＞20%的CF3I/N2混合氣體具有更大的應(yīng)用價(jià)值。

3.2 液化溫度

絕緣氣體的液化溫度是影響其應(yīng)用的一個(gè)重要因素，CF3I氣體常壓下的液化溫度為-22.3℃，高于SF6氣體的-63.9℃，這是CF3I氣體作為絕緣氣體的劣勢(shì)。常壓下N2的液化溫度為-196℃遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于CF3I。若將CF3I和N2都當(dāng)作理想氣體，則CF3I/N2混合氣體相應(yīng)分壓下的CF3I的液化溫度可作為混合氣體的液化溫度，這從一定程度上改善了純CF3I氣體液化溫度高的劣勢(shì)?；旌蠚怏w中CF3I氣體對(duì)應(yīng)的分壓與混合氣體液化溫度之間的關(guān)系[20]為

式中，m為CF3I氣體在混合氣體中對(duì)應(yīng)的分壓（MPa）；c為臨界氣壓（MPa）；為混合氣體液化溫度（K）；c為臨界溫度（K）；=1-/c。c= 3.86MPa，c=390.05K，1=-7.190 45，2=-1.348 29，3=-1.580 35，4=-5.466 80。

根據(jù)式（4）可以計(jì)算出CF3I混合氣體在不同氣壓、值時(shí)的液化溫度，混合氣體的液化溫度與之間的關(guān)系如圖11所示?；旌蠚怏w的液化溫度隨值增長(zhǎng)逐漸變緩，若要求CF3I/N2混合氣體在-10℃左右（例如中國(guó)南方部分地區(qū)）不液化，0.5MPa的CF3I/N2混合氣體不能超過(guò)32%，0.4MPa時(shí)不能超過(guò)40%，0.3MPa時(shí)不能超過(guò)53%。從液化溫度的角度來(lái)說(shuō)，不超過(guò)50%的CF3I/N2混合氣體都具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

圖11 混合氣體的液化溫度與k之間的關(guān)系

4 結(jié)論

1）極不均勻電場(chǎng)下，氣體工頻擊穿特性對(duì)氣壓的敏感程度為SF6＞CF3I＞N2。CF3I氣體的工頻擊穿電壓隨氣壓和電極距離的增大呈逐漸增加趨勢(shì)，而且CF3I氣體具有優(yōu)良的自恢復(fù)絕緣性能。

2）從液化溫度角度定量分析了混合比的使用范圍，若要求環(huán)境溫度-10℃，則0.5MPa的CF3I/N2混合氣體不超過(guò)32%，0.4MPa時(shí)不超過(guò)40%，0.3MPa時(shí)不超過(guò)53%。

3）CF3I/N2混合氣體工頻擊穿電壓呈正協(xié)同效應(yīng)，當(dāng)=30%時(shí)，CF3I/N2混合氣體的工頻擊穿強(qiáng)度整體達(dá)到純SF6的60%以上。此時(shí)，當(dāng)氣壓增加到0.3MPa，相對(duì)工頻擊穿強(qiáng)度提高到0.85以上，氣壓較高時(shí)的CF3I/N2具有更大的應(yīng)用價(jià)值。

綜上所述，在特定場(chǎng)合，為20%～50%的CF3I/N2混合氣體有替代SF6氣體用作氣體絕緣設(shè)備的潛力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊志超, 范立新, 楊成順, 等. 基于GK模糊聚類和LS-SVC的GIS局部放電類型識(shí)別[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2014, 42(20): 38-45. Yang Zhichao, Fan Lixin, Yang Chenshun, et al. Identification of partial discharge in gas insulated switchgears based on GK fuzzy clustering & LS-SVC[J]. Power System Protection and Control, 2014, 42(20): 38-45.

[2] 唐炬, 裘吟君, 曾福平, 等. 局部放電下微水對(duì)SF6分解組分的形成及其影響規(guī)律[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2012, 27(10): 13-19.

Tang Ju, Qiu Yinjun, Zeng Fuping, et al. Formation mechanism and influence rules of trace levels H2O on SF6characteristic decomposition components under partial discharge[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2012, 27(10): 13-19.

[3] 汪沨, 李錳, 潘雄峰, 等. 基于FEM-FCT算法的SF6/N2混合氣體中棒-板間隙電暈放電特性的仿真研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(9): 261-267.

Wang Feng, Li Meng, Pan Xiongfeng, et al. Corona discharge simulations of rod-plate gap in SF6/N2gas mixtures using FEM-FCT method[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(9): 261- 267.

[4] 李睿, 李建基, 譚燕, 等. SF6氣體在中高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備中的安全使用[J]. 電氣應(yīng)用, 2009, 28(20): 16-20.

Li Rui, Li Jianji, Tan Yan, et al. Safety use of SF6gas in high-voltage switching devices[J]. Electrotechnical Application, 2009, 28(20): 16-20.

[5] Koch H, Hillers T. Second generation gas-insulated line[J]. Power Engineering Journal, 2002, 16(3): 111-116.

[6] Yamamoto O, Takuma T, Hamada S, et al. Applying a gas mixtures containing c-C4F8as an insulation medium[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2001, 8(6): 1075-1081.

[7] Okubo H, Yamada T, Hatta K, et al. Partial discharge and breakdown mechanisms in ultra-dilute SF6and PFC gases mixed with N2gas[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2002, 35(21): 2760-2765.

[8] Wu Biantao, Xiao Dengming, Liu Zhangsheng, et al. Analysis of insulation characteristics of c-C4F8and N2gas mixtures by Monte Carlo method[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 2006, 39(19): 4204- 4207.

[9] Nakayama N, Elizabeth E F, Denise R O, et al. Surface chemistry and radiation chemistry of CF3I on Mo(110)[J]. Journal of Physical Chemistry, 2004, 108(13): 4080-4085.

[10] Toyota H, Matsuoka S, Hidaka K. Measurement of sparkover voltage and time lag characteristics in CF3I-N2and CF3I-air gas mixtures by using steep- front square voltage[J]. Journal of Electrical Engin- eering in Japan, 2006, 157(2): 1-7.

[11] Taki M, Maekawa D, Odaka H, et al. Interruption capability of CF3I gas as a substitution candidate for SF6gas[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 2007, 14(2): 341-346.

[12] Katagiri H, Kasuya H, Mizoguchi H, et al. Investi- gation of the performance of CF3I gas as a possible substitute for SF6[J]. IEEE Transactions on Diele- ctrics and Electrical Insulation, 2008, 15(5): 1424- 1429.

[13] Nguyen N M, Denat A, Bonifaci N, et al. Electrical breakdown of CF3I and CF3I-N2gas mixtures[C]// 2009 Annual Report Conference on Electrical Insu- lation and Dielectric Phenomena, Virginia Beach, 2009: 557-560.

[14] 張曉星, 周君杰, 唐炬, 等. CF3I-CO2混合氣體在針板電極下局部放電絕緣特性實(shí)驗(yàn)研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2013, 28(1): 36-42.

Zhang Xiaoxing, Zhou Junjie, Tang Ju, et al. Experimental study of partial discharge insulating properties for CF3I-CO2mixtures under needle-plate electrode[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013, 28(1): 36-42.

[15] Jamil M K M, Ohtsuka S, Hikita M, et al. Gas by-products of CF3I under AC partial discharge[J]. Journal of Electrostatics, 2011, 69(6): 611-617.

[16] Katagiri H, Kasuya H, Mizoguchi H, et al. BTF interruption capability of CF3I-CO2mixture[C]//17th International Conference on Gas Discharges and Their Applications, Cardiff, 2008: 105-108.

[17] Prakash K S, Srivastava K D, Morcos M M, et al. Movement of particles in compressed SF6GIS with dielectric coated enclosure[J]. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 1997, 4(3): 344- 347.

[18] 李正瀛. 電負(fù)性混合氣體臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)與電子附著速率的探討[J]. 物理學(xué)報(bào), 1990, 39(9): 1400-1406.

Li Zhengying. A survey on the limiting breakdown strength and electron attachment rate constants in electronegative gas mixtures[J]. Acta Physica Sinica, 1990, 39(9): 1400-1406.

[19] Takuma T, Watanabe T, Kita K. Breakdown characteristics of compressed-gas mixtures in nearly uniform fields[J]. Proceedings of the Institution of Electrical Engineers, 1972, 119(7): 927-928.

[20] DuanYuanyuan, Zhu Mingshan, Han Lizhong, et al. Experimental vapor pressure data and a vapor pressure equation for trifluoroidomethane[J]. Fluid Phase Equilibria, 1996, 121(1): 227-234.

Experiment on Power Frequency Puncture of CF3I/N2Gas Mixtures in Non-Uniform Electric Fields

（School of Electrical Engineering Wuhan University Wuhan 430072 China）

The paper discussed the possibility of CF3I/N2gas mixtures an alternative to SF6used in gas-insulated equipment, from the point of the power frequency puncture voltage performance. The influence of gas pressure, mixing ratio and gap distance on power frequency puncture voltage of the CF3I/N2gas mixtures was studied through power frequency puncture tests. The power frequency puncture voltage of the CF3I/N2gas mixtures was comparatively analyzed with SF6/N2gas mixtures. The paper proposed a quantitative analysis method using thevalue to determine the type and strength of gas mixture synergism. The results show that power frequency puncture voltage performance of CF3I/N2gas mixtures is gradually approaching to SF6with the increase of the mixing ratio and gas pressure. CF3I/N2gas mixtures in relative high pressure have higher application potential. The power frequency puncture voltages of CF3I/N2gas mixtures presentpositive synergistic effect. Furthermore, CF3I gas has excellent insulating recovery property. Considering the power frequency puncture voltage performance, liquefaction temperature and environmental impacts, CF3I/N2(The content of CF3I is 20%～50%) gas mixtures may replace SF6gas for gas-insulated equipment in certain situations.

CF3I/N2gas mixture, power frequency puncture voltage, alternative gases, synergistic effect, liquefaction temperature

TM835

肖 淞 男，1988年生，博士，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷、SF6環(huán)保替代氣體。

E-mail: xiaosongxs@gmail.com（通信作者）

張曉星 男，1972年生，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷、絕緣狀態(tài)評(píng)估、新型傳感器技術(shù)。

E-mail: zhxx@cqu.edu.cn

2014-12-17 改稿日期 2015-06-28