C3F7CN/CO2混合氣體在極不均勻場下的局部放電特性

曾 煉，黃青丹，王 勇，劉 靜，張亞茹

（廣州供電局有限公司，廣東 廣州 510600）

0 引言

SF6因其優(yōu)良的絕緣和滅弧性能被廣泛用于各種中壓（MV）和高壓（HV）電氣設備中，如氣體絕緣開關設備（gas insulated switchgears，GIS）、氣體絕緣金屬封閉輸電線路（gas insulated line，GIL）和氣體絕緣變壓器（gas insulated transformer，GIT）[1]。然而，SF6是一種強溫室氣體，其溫室效應潛能值（GWP）高達23 500，在大氣中的壽命長達3200年[2]。

聯合國氣候變化公約締約方在1997年簽訂的《京都議定書》中，將SF6列為6種限制性使用的溫室氣體之一，并要求限制SF6的使用[3]。據統(tǒng)計，到目前為止，SF6氣體占溫室氣體總排量已經超過15%，全球約有80%的SF6用于電力工業(yè)，由SF6引起的氣候升溫約為0.004℃[4]。2015年簽署的《巴黎協(xié)議》旨在將本世紀的全球平均氣溫上升幅度控制在2℃以內[5]。為實現電力工業(yè)的綠色可持續(xù)發(fā)展，迫切需要尋找一種環(huán)保型氣體絕緣介質[2]。

七氟異丁腈（C3F7CN）被認為是最新一代絕緣氣體之一。表1是C3F7CN和SF6的基本性質對比[4,6-8]。從表1可以看出，C3F7CN的絕緣性能達到了SF6的兩倍以上，GWP值僅為2 090，無色、不易燃，熱穩(wěn)定性良好。但C3F7CN的液化溫度較高，因此需要與CO2、N2或干燥空氣混合使用。研究表明，含18%～20%C3F7CN的氣體混合物電氣強度能夠達到純 SF6的水平[7]。

表1 C3F7CN與SF6的基本性質Tab.1 The basic characteristics of SF6and C3F7CN

目前針對C3F7CN/CO2混合氣體絕緣性能的研究取得了一定成果[9-15]，但鮮有針對混合氣體局部放電（PD）特性的報道。氣體絕緣設備在長期運行過程中產生的各類絕緣缺陷會引發(fā)不同程度的局部放電。當氣體絕緣設備內部產生較強的PD時，會伴隨電磁輻射、噪聲及化學效應等物理現象。局部放電產生的強電磁陡脈沖一方面會損傷絕緣材料，使其絕緣性能下降，形成惡性循環(huán)并可能導致擊穿；另一方面，局部放電將引發(fā)氣體絕緣介質發(fā)生分解生成諸多分解產物，如目前廣泛應用的SF6氣體在局部放電條件下會分解產生SOF2、SO2F2等諸多有毒產物[16]。局部放電既是加速絕緣劣化的最主要原因，也是表征絕緣狀態(tài)最有效的特征量。因此，對C3F7CN混合氣體局部放電特性的研究具有重要意義。

本研究采用氣體絕緣性能測試平臺，探究氣壓、C3F7CN體積分數對C3F7CN/CO2混合氣體局部放電特性的影響，獲取C3F7CN/CO2混合氣體的局部放電波形、局部放電起始電壓，并與SF6氣體進行對比，在此基礎上分析混合氣體的協(xié)同效應。

1 實驗方法

氣體絕緣性能測試平臺主要由工頻試驗變壓器、保護電阻、分壓電容、耦合電容及氣室組成[17]，實驗電路如圖1所示。工頻試驗變壓器輸入電壓為380 V，輸出最大電壓為100 kV，額定容量為50 kVA；保護電阻阻值為5 kΩ，用于防止擊穿瞬間試驗變壓器過流；分壓電容（100 kV/500 pF）用于測量氣室中放電缺陷兩端所施加的實際電壓；耦合電容用于給局部放電產生的脈沖電流提供高頻低阻通道；經無感檢測阻抗（阻值為50 Ω）轉換為電壓信號，由示波器顯示與存儲。試驗氣室為容積為60 L的法蘭連接做成的密閉容器，其中金屬材料為不銹鋼，絕緣材料為耐腐蝕特性優(yōu)異的聚四氟乙烯。

圖1 實驗電路圖Fig.1 Experimental circuit diagram

試驗采用針-板電極模擬極不均勻電場，結構示意圖如圖2所示。其中針電極針尖部分長度為5 mm，曲率半徑為0.3 mm，板電極半徑為50 mm，針-板電極間隙為5 mm；電極材料為黃銅。采用電場利用系數f表征電場均勻度，相關關系如式（1）～（2）所示。

式（1）～（2）中：Emax是最大電場強度；Eav是平均電場強度；U和d表示電極之間的電壓和電極間隙的距離。對電極模型的電場分布情況進行計算，發(fā)現針-板電極的電場利用系數為0.21，滿足極不均勻電場條件[18]。

實驗前利用無水酒精對氣室內壁進行清理，待風干后對裝置氣密性進行檢測。隨后抽真空并充入CO2氣體（純度為99.999%）對氣室進行3次洗氣處理以去除雜質氣體，避免對測試結果帶來影響。最后充入固定體積分數C3F7CN的C3F7CN/CO2混合氣體進行實驗。文獻[19]指出在-15℃時，10%C3F7CN/90%CO2混合氣體的最高使用壓力約為0.58 MPa。為滿足實際工程中的要求，以及對C3F7CN不同體積分數條件下混合氣體的局部放電特性進行充分分析，試驗過程中C3F7CN的體積分數分別選定為0、2%、4%、6%、8%、10%、12%。

圖2 針-板電極的結構Fig.2 Needle-plate electrode structure

針-板電極下的局部放電屬于典型電暈放電。當電場極不均勻時，隨著間隙上施加電壓的升高，針電極附近范圍內的電場將會使得氣體分子發(fā)生電離；當外加電壓上升到氣體臨界擊穿場強時，在針電極附近將發(fā)生穩(wěn)定的電暈放電（局部放電）[18]。定義氣體絕緣介質發(fā)生穩(wěn)定局部放電時施加的電壓為局部放電起始電壓（partial discharge inception voltage，PDIV）。

本試驗中局部放電信號利用IEC 60270-2000推薦的脈沖電流法進行檢測[20]，檢測儀器為Tektronix公司生產的DPO7104型數字熒光示波器，其帶寬為1 GHz，最大采樣率為20 G/s。采用逐步升壓法，從0 kV開始勻速緩慢施加工頻高電壓，當電極間隙開始產生局部放電時，記錄分壓電容所顯示的電壓值作為該條件下的PDIV。每組實驗重復測量5次，結果取平均值，兩次測試的間隔時間為3 min。

2 結果與討論

2.1 PD信號的檢測和分析

實驗過程中，隨著施加電壓的提高，電極之間發(fā)生放電現象，當出現重復、明顯的放電信號時，記錄此時的電壓作為局部放電的起始電壓，此時的波形作為局部放電起始時的波形。圖3給出了相同電壓下測得的SF6、CO2及C3F7CN/CO2混合氣體的局部放電起始條件下的信號波形，其中C3F7CN的體積分數為8%。

圖3 SF6、CO2和C3F7CN/CO2混合氣體的PD信號波形Fig.3 PD signal waveform of SF6,CO2,and C3F7CN/CO2mixture

根據局放信號的波形來對3種電負性氣體進行比較分析。從圖3可以看出，3種氣體局部放電產生的PD信號波形表現出類似的特性。在相同外施電壓條件下，C3F7CN/CO2混合氣體、純SF6氣體、純CO2氣體的放電波形相似，放電幅值也基本相同。

2.2 混合比和壓力對C3F7CN/CO2混合氣體PDIV的影響

對于C3F7CN/CO2混合氣體，氣壓和混合比是影響其絕緣性能的兩個主要因素[17]。下面對混合比與氣壓對C3F7CN/CO2混合氣體在極不均勻電場下PDIV的影響情況進行分析。

2.2.1 氣壓對混合氣體PDIV的影響情況

圖4給出了SF6和C3F7CN/CO2混合氣體的PDIV隨氣壓的變化情況。

圖4 SF6和C3F7CN/CO2混合氣體在不同混合比下的PDIV與氣壓的關系Fig.4 The relationship between PDIV of SF6and C3F7CN/CO2mixture and gas pressure at different mixing ratio

從圖4(a)可以看出，相同混合比條件下C3F7CN/CO2混合氣體的PDIV隨氣壓的增大而增大。C3F7CN體積分數為2%～12%的混合氣體在各個氣壓下的PDIV均低于SF6氣體。而文獻[21]指出，純SF6和C3F7CN體積分數為15%的C3F7CN/CO2混合氣體的PDIV幾乎處于同一水平。從圖4(b)可以看出，隨著氣壓的增大，C3F7CN/CO2混合氣體相對SF6的PDIV有所下降，并趨于穩(wěn)定。例如0.2、0.4、0.6MPa下C3F7CN體積分數為4%的混合氣體PDIV分別達到相同氣壓條件下純SF6的74%、64%、62%。C3F7CN體積分數為8%的混合氣體PDIV在0.2、0.4、0.6 MPa分別達到相同氣壓條件下純SF6的86%、68%、64%。

2.2.2 混合比對混合氣體PDIV的影響情況

圖5為純SF6和C3F7CN/CO2混合氣體在不同氣壓條件下的PDIV隨混合比的變化情況。

圖5 SF6和C3F7CN/CO2混合氣體在不同氣壓下的PDIV與混合比的關系Fig.5 The relationship between PDIV of SF6and C3F7CN/CO2mixture and mixing ratio at different gas pressure

從圖5可以看出，少量C3F7CN的加入能夠顯著提高純CO2氣體的PDIV，這一結果與文獻[22]中的結論相一致，例如0.3 MPa下含6%C3F7CN的C3F7CN/CO2混合氣體的PDIV是純CO2氣體的1.61倍。

當C3F7CN體積分數為2%～12%時，隨著C3F7CN體積分數的增加，混合氣體的PDIV先快速增長，到一定程度后，增長趨勢放緩，趨向于飽和狀態(tài)。當C3F7CN體積分數超過4%時，局部放電起始電壓的增加幅度比較微小。比如，0.4 MPa下C3F7CN體積分數為2%、4%、6%、8%、10%、12%的混合氣體PDIV分別達到相同氣壓條件下純SF6的49%、64%、66%、68%、69%、71%，在0.6 MPa時分別為50%、62%、63%、64%、66%、67%。

此外，混合氣體相對于純SF6氣體的PDIV值隨C3F7CN含量的增加同樣呈飽和增長趨勢，當C3F7CN的體積分數大于6%時，混合氣體相對于純SF6氣體的PDIV增長率很小。

2.3 C3F7CN/CO2混合氣體局部放電特性及其協(xié)同效應

電負性氣體與普通氣體混合后，混合氣體的絕緣性能通常不隨電負性氣體含量線性變化，稱這種非線性變化為電負性氣體與緩沖氣體的協(xié)同效應。文獻[23]定義了電負性氣體與緩沖氣體的協(xié)同效應表達式，如式（3）所示。

式（3）中：V1、V2分別定義為C3F7CN/CO2混合氣體中C3F7CN體積分數為12%、0時的PDIV值，V1＞V2；Vm為C3F7CN/CO2混合氣體中C3F7CN體積分數為2%、4%、6%、8%、10%的PDIV值；k為C3F7CN/CO2混合氣體中C3F7CN的體積分數；C為協(xié)同效應系數；K為本次實驗區(qū)間內的等效體積分數，等于PDIV值為Vm時的k值除以PDIV值為V1時的k值。當C=1時，Vm隨著k的增長由V2線性增長到V1；否則，Vm非線性地增長到V1。因此，可以用C的值來表示兩者非線性度即協(xié)同效應的大小，即C越小表示非線性度越大，協(xié)同效應越明顯。

根據實驗測得的混合氣體局部放電起始電壓數據，計算得到不同氣壓下的協(xié)同效應系數C的數值，如表2所示。

從表2可以看出，C3F7CN氣體與CO2氣體的局部放電協(xié)同效應系數C為0.004～0.311。不同混合比、不同氣壓條件下的C3F7CN/CO2混合氣體的協(xié)同效應系數C值都接近于0，說明C3F7CN/CO2混合氣體具有較強的協(xié)同效應，兩種氣體混合后適合應用于電氣設備中。

2.4 討論

根據前述結果，增加氣壓和混合比均可以提升C3F7CN/CO2混合氣體的PDIV。

隨著氣壓的增大，氣體中自由電子的平均自由行程會被壓縮，碰撞電離過程減弱，從而需要施加更大的電壓才能產生穩(wěn)定的電暈放電，即電暈起始電壓增加。隨著氣壓的進一步升高，氣體對電場的不均勻程度更加敏感，因此產生穩(wěn)定電暈放電時所需的外施電壓增長量沒有低氣壓時的大，即在典型針板缺陷模型下，SF6及C3F7CN/CO2混合氣體的PDIV值隨氣壓的增加呈飽和增長趨勢。

同樣，隨著C3F7CN/CO2混合氣體中C3F7CN體積分數的增加，電負性C3F7CN氣體分子吸收自由電子生成的負離子將阻礙放電過程的發(fā)展[18]。另外，C3F7CN分子本身的體積較大，由它解離形成的粒子遷移率較小，導致針電極附近的空間電荷較為密集，不容易形成能改善電極附近電場分布的均勻空間電荷層，因此隨著混合比的進一步增加，混合氣體的局部放電起始電壓將呈現飽和趨勢。

因此，通過增加氣壓或混合比能夠使混合氣體的PDIV值最終達到甚至超越部分條件下的純SF6氣體。圖6為0.5 MPa和0.6 MPa下混合氣體PDIV與0.1～0.3 MPa下純SF6氣體的PDIV對比。

圖6 高氣壓C3F7CN/CO2混合氣體與純SF6的PDIV對比Fig.6 PDIV comporison between high pressure C3F7CN/CO2mixture and pure SF6

從圖6可以看出，增加混合氣體的氣壓可以明顯使混合氣體的PDIV值高于低氣壓條件時的純SF6氣體，比如各混合比條件下0.5 MPa和0.6 MPa混合氣體的PDIV值遠高于0.1 MPa下的純SF6。此外，C3F7CN體積分數為2%的C3F7CN/CO2混合氣體在0.6 MPa下的PDIV相當于純SF6在0.2MPa下的PDIV，C3F7CN體積分數為12%的C3F7CN/CO2混合氣體在0.6 MPa下的PDIV相當于純SF6在0.3 MPa下的PDIV。

相同氣壓條件下，C3F7CN/CO2混合氣體中C3F7CN體積分數從2%上升至4%時，其PDIV明顯上升，而C3F7CN體積分數從4%增加到12%時，混合氣體的PDIV值變化不大?？紤]到氣體絕緣介質應用時的液化溫度限制，C3F7CN含量不宜過高。綜合上述實驗結果，C3F7CN體積分數為4%～6%的C3F7CN/CO2混合氣體更適用于各類電氣設備。

3 結論

本文對C3F7CN/CO2混合氣體與SF6氣體在極不均勻電場條件下的局部放電特性進行實驗對比研究，分析了不同混合比、氣壓條件對該環(huán)保型絕緣氣體局部放電特性的影響，得到如下主要結論：

（1）極不均勻電場下C3F7CN體積分數為2%～12%的C3F7CN/CO2混合氣體PDIV值隨C3F7CN體積分數和氣壓的增大呈飽和增長趨勢。

（2）C3F7CN體積分數為2%的混合氣體在0.6 MPa下的PDIV與0.2 MPa下純SF6的PDIV基本相同；C3F7CN含量為12%的混合氣體在0.6 MPa下的PDIV與0.3 MPa下純SF6的PDIV基本相同；

（3）C3F7CN和CO2氣體具有較強的協(xié)同效應，綜合考慮混合氣體的液化溫度及應用氣壓條件，C3F7CN體積分數為4%～6%的C3F7CN/CO2混合氣體適宜于替代純SF6應用于各類氣體絕緣設備。

（4）C3F7CN/CO2混合氣體對電場不均勻度的敏感度比較差，因此使用該混合氣體的電氣設備需進一步優(yōu)化設計，避免出現稍不均勻場、極不均勻場。