環(huán)保絕緣氣體C4F7N研究及應(yīng)用進(jìn)展Ⅱ：相容性、安全性及設(shè)備研發(fā)

李 祎 張曉星 傅明利 肖 淞 唐 炬 田雙雙

環(huán)保絕緣氣體C4F7N研究及應(yīng)用進(jìn)展Ⅱ：相容性、安全性及設(shè)備研發(fā)

李 祎1張曉星2傅明利3肖 淞1唐 炬1田雙雙2

（1. 武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院 武漢 430072 2. 新能源及電網(wǎng)裝備安全監(jiān)測(cè)湖北省工程研究中心湖北工業(yè)大學(xué) 武漢 400068 3. 南方電網(wǎng)公司科學(xué)研究院 廣州 510080）

研發(fā)新一代環(huán)保型氣體絕緣設(shè)備以推進(jìn)輸配電裝備制造業(yè)綠色升級(jí)，符合構(gòu)建清潔低碳能源體系的戰(zhàn)略需求。該文在環(huán)保絕緣氣體全氟異丁腈（C4F7N）研究及應(yīng)用進(jìn)展Ⅰ的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注與C4F7N應(yīng)用層面相關(guān)特性的研究進(jìn)展。首先，總結(jié)了目前針對(duì)C4F7N與金屬、非金屬材料相容性的研究進(jìn)展，評(píng)估C4F7N氣體-固體材料界面穩(wěn)定性；其次，分析C4F7N及其混合氣體生物安全性參數(shù)，提出應(yīng)用安全防護(hù)建議；最后，綜述目前國(guó)內(nèi)外C4F7N混合氣體絕緣輸配電設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用情況，展望了環(huán)保絕緣氣體目前存在的主要問(wèn)題以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

環(huán)保絕緣氣體 C4F7N混合氣體 材料相容性 生物安全性 設(shè)備研發(fā)

0 引言

SF6氣體絕緣輸配電設(shè)備憑借占地面積小、可靠性高、運(yùn)維周期長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)在電力系統(tǒng)各個(gè)電壓等級(jí)得到了廣泛應(yīng)用，尤其在110kV以上高壓、特高壓氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear, GIS）、氣體絕緣輸電管道（Gas Insulated Transmission Lines, GIL）中占據(jù)絕對(duì)壟斷地位[1-2]。然而，隨著以SF6為代表的溫室氣體排放所引發(fā)的全球溫升問(wèn)題日益嚴(yán)峻以及“2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和”目標(biāo)的提出，研發(fā)新一代環(huán)保型氣體絕緣輸配電設(shè)備以逐步減少?gòu)?qiáng)溫室氣體SF6的使用成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[3-5]，相關(guān)研究既符合綠色發(fā)展理念，也是構(gòu)建清潔低碳的現(xiàn)代能源體系和推進(jìn)輸配電裝備制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的戰(zhàn)略需求。

本系列文章綜述了近年來(lái)國(guó)內(nèi)外有關(guān)環(huán)保絕緣氣體全氟異丁腈（C4F7N）的研究及應(yīng)用進(jìn)展，分為Ⅰ、Ⅱ兩個(gè)部分，其中綜述Ⅰ主要總結(jié)了常見(jiàn)環(huán)保絕緣氣體的基礎(chǔ)參數(shù)，并對(duì)C4F7N混合氣體的絕緣和滅弧性能、電熱穩(wěn)定性及分解特性研究進(jìn)展進(jìn)行了總結(jié)。

本文在其基礎(chǔ)上，重點(diǎn)關(guān)注與環(huán)保絕緣氣體C4F7N工程應(yīng)用及運(yùn)維相關(guān)的特性，首先綜述了C4F7N與設(shè)備內(nèi)常用金屬、非金屬材料的相容性研究進(jìn)展，評(píng)估了C4F7N氣體-固體材料界面穩(wěn)定性。同時(shí)，討論了C4F7N及其混合氣體的生物安全性，并提出了針對(duì)科研及設(shè)備運(yùn)維人員的安全防護(hù)建議。最后，介紹了現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)外有關(guān)C4F7N氣體絕緣輸配電設(shè)備的研發(fā)及應(yīng)用情況，并展望了環(huán)保絕緣氣體目前存在的主要問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 C4F7N與設(shè)備內(nèi)常用材料相容性

氣體絕緣輸配電設(shè)備由多種結(jié)構(gòu)及功能性材料構(gòu)成。西門子公司Kessler等指出，應(yīng)用于GIS、GIL的上百種材料可以歸為五類：①金屬和合金；②絕緣體，熱塑性塑料和硬質(zhì)合金；③潤(rùn)滑劑；④彈性體；⑤干燥劑和吸附劑[6]。由于封閉式氣體絕緣設(shè)備一般具有30年以上的服役壽命，且設(shè)備運(yùn)行維護(hù)周期較長(zhǎng)，同時(shí)氣體絕緣介質(zhì)本身與設(shè)備內(nèi)部的各類材料長(zhǎng)期接觸，因此要求氣體絕緣介質(zhì)與各類固體材料具備良好的相容性。另外，設(shè)備內(nèi)由于電流熱效應(yīng)引起的固有溫升使得設(shè)備金屬母線等長(zhǎng)期工作溫度約在90～120℃，而故障條件下部分區(qū)域溫度將達(dá)到200～300℃，因此對(duì)應(yīng)用于設(shè)備內(nèi)部的各類材料開(kāi)展氣體絕緣介質(zhì)環(huán)境下的長(zhǎng)期電、熱聯(lián)合老化測(cè)試以評(píng)估其氣固界面穩(wěn)定性是考察環(huán)保絕緣氣體應(yīng)用可靠性的重要組成部分。

1.1 C4F7N與金屬材料相容性

氣體絕緣設(shè)備常用金屬主要有銅、鋁、鍍銀件及合金等。一方面，金屬材料的反應(yīng)活性較高，其相對(duì)非金屬材料更易被腐蝕。另一方面，由于電流熱效應(yīng)引發(fā)的溫升也會(huì)導(dǎo)致金屬載流母線等長(zhǎng)期工作在90～120℃溫度環(huán)境，加之C4F7N的分子結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且存在CN等反應(yīng)活性較高的官能團(tuán)，因此針對(duì)C4F7N與金屬界面相容性的評(píng)估十分必要。

針對(duì)C4F7N與金屬材料相容性的理論分析方法主要是基于密度泛函理論（Density Functional Theory, DFT）和過(guò)渡態(tài)理論（Transition State Theory, TST），通過(guò)構(gòu)建氣體與金屬界面的相互模型，弛豫計(jì)算后求解氣體-金屬相互作用能、電荷轉(zhuǎn)移、電子態(tài)密度、差分電荷密度等微觀熱力學(xué)和電子結(jié)構(gòu)參數(shù)，并進(jìn)一步分析相互作用-解離過(guò)程的焓值、活化能等，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣固界面穩(wěn)定性及相互作用-解離機(jī)理的研究。

2018年，武漢大學(xué)張曉星團(tuán)隊(duì)首次揭示了C4F7N與銅、鋁、銀的相互作用及解離機(jī)理[7-8]，如圖1所示。由圖1可知，C4F7N與Cu(1 1 1)界面的相互作用能和總電荷轉(zhuǎn)移量均高于Al(1 1 1)和Ag(1 1 1)，即C4F7N與銅的相互作用強(qiáng)于鋁和銀。C4F7N與金屬界面相互作用過(guò)程中氣體分子得到電子，金屬界面失去電子，且C4F7N分子中CN基團(tuán)與Cu、Al相互作用過(guò)程存在電子軌道重疊和電荷轉(zhuǎn)移，氣固界面之間形成了化學(xué)鍵，但相互作用后C4F7N進(jìn)一步解離為CN和C3F7的過(guò)程均需要克服1eV以上的能壘。C4F7N與Ag(1 1 1)界面的相互作用能均在0.6eV以下，兩者間的相互作用機(jī)理屬于物理吸附，范德華力占主要作用。

圖1 C4F7N與Cu(1 1 1)、Al(1 1 1)、Ag (1 1 1)界面相互作用能及電荷轉(zhuǎn)移

西安交通大學(xué)李興文團(tuán)隊(duì)采用類似方法分析了C4F7N與ZnO及Zn界面的相容性機(jī)理，指出C4F7N分子中的CN基團(tuán)與Zn、ZnO(1 0 1 0)晶面之間存在較強(qiáng)的相互作用，但C4F7N的相互作用-解離過(guò)程所需的活化能高于Cu和Al。綜合來(lái)看，Zn更適宜于作為防腐蝕金屬材料應(yīng)用于C4F7N混合氣體絕緣設(shè)備。

需要指出的是，目前基于密度泛函理論的氣體-金屬相容性機(jī)理分析均未考慮電場(chǎng)作用，同時(shí)由于算力及時(shí)間成本的限制，針對(duì)溫度等因素對(duì)相互作用機(jī)理的影響、氣體-金屬界面反應(yīng)速率及平衡常數(shù)等也缺乏相關(guān)報(bào)道，未來(lái)值得進(jìn)一步深入探索。

試驗(yàn)層面，武漢大學(xué)張曉星團(tuán)隊(duì)測(cè)試了10%C4F7N-90%CO2混合氣體與純銅、鋁及鍍銀純銅在120～220℃溫度范圍內(nèi)的相容性[10-11]。研究發(fā)現(xiàn)120℃條件下與混合氣體與純銅相互作用40h后，銅片顏色與未處理的樣品無(wú)明顯差異。隨著金屬界面溫度的升高，相互作用后的銅片顏色明顯加深，呈現(xiàn)由銅紅色至紫紅色（紫色）轉(zhuǎn)變，且顏色分布不再均勻（金色、紫紅色等顏色交叉出現(xiàn)），即銅表面發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕（如圖2所示）。微觀層面，120℃下相互作用后的銅片表面出現(xiàn)了少量顆粒狀腐蝕物，且腐蝕物隨機(jī)分布于表面，銅片整體結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化。隨著溫度的升高，顆粒狀腐蝕物的分布區(qū)域及分布密度明顯增加甚至出現(xiàn)層狀堆積，銅片結(jié)構(gòu)被嚴(yán)重破壞。另外，相互作用后銅片表面出現(xiàn)F元素積聚，且C4F7N與溫度高于170℃的純銅相互作用會(huì)分解產(chǎn)生C3F6。

圖2 C4F7N-CO2與不同溫度銅界面相互作用后形貌

另外，西門子公司F. Kessler等[12]進(jìn)一步解析了C4F7N與純銅相互作用后產(chǎn)生的腐蝕晶體結(jié)構(gòu)如圖3所示，通過(guò)質(zhì)譜、能譜等測(cè)試分析確定了該析出物為N-嘧啶（N-acylamidine），其生成機(jī)理如圖4所示。該紫色晶體產(chǎn)生后從銅樣品的表面升華，并在高壓釜的較冷部分緩慢結(jié)晶為固體。

圖3 高壓釜中和收集后的紫色晶體和紫色晶體配合物的顯微鏡照片[12]

Fig 3 Photograph of violet crystals in the autoclave and after collection and Microscope photograph of violet crystals of complex[12]

圖4 C4F7N與Cu相互作用產(chǎn)生金屬絡(luò)合物的機(jī)制[12]

針對(duì)C4F7N與鋁的相容性測(cè)試發(fā)現(xiàn)兩者相容性良好，相互作用后鋁表面顏色未發(fā)生明顯變化，其紋理清晰且金屬光澤保留完好，僅有少量F元素沉積，但混合氣體在220℃條件下開(kāi)始出現(xiàn)分解并產(chǎn)生了微量C3F6[10]。另外，對(duì)純銅表面鍍銀處理能夠有效解決其與C4F7N-CO2混合氣體相容性較差的問(wèn)題。測(cè)試發(fā)現(xiàn)鍍銀銅片在相互作用后未發(fā)生腐蝕或變色，當(dāng)溫度達(dá)到220℃時(shí)混合氣體會(huì)分解產(chǎn)生少量的C3F6?？紤]電流的趨膚效應(yīng)，對(duì)純銅表面進(jìn)行鍍銀處理也能夠滿足設(shè)備應(yīng)用需求。

整體上，目前針對(duì)C4F7N與金屬材料相容性研究取得了一定成果，證實(shí)了混合氣體與設(shè)備內(nèi)常用金屬（銅、鋁、銀、鋅等）在120℃溫度下相容性良好。盡管當(dāng)故障溫度高于220℃時(shí)C4F7N與純銅相互作用會(huì)產(chǎn)生少量C3F6，但通過(guò)對(duì)純銅表面的鍍銀等防腐蝕處理能夠避免這一問(wèn)題。未來(lái)，需要進(jìn)一步考察實(shí)際設(shè)備運(yùn)行工況下金屬部件如鍍錫銅、硅鋼等與C4F7N混合氣體的相容性，同時(shí)評(píng)估氣體-金屬相互作用過(guò)程對(duì)金屬導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性等造成的影響，并考核金屬防腐蝕鍍層的使用壽命等。

1.2 C4F7N與非金屬材料相容性

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)C4F7N與設(shè)備內(nèi)非金屬材料相容性的研究也取得了一定進(jìn)展，主要對(duì)常用密封材料（如三元乙丙橡膠）、環(huán)氧樹(shù)脂等固體絕緣材料、吸附劑等功能性材料開(kāi)展了測(cè)試評(píng)估。評(píng)估方法上，主要采用將待測(cè)材料置于C4F7N混合氣體環(huán)境并開(kāi)展一定溫度和時(shí)間的熱老化，結(jié)合力學(xué)性能、微觀形貌、元素分析等評(píng)估氣-固材料的相容性。

1.2.1 橡膠等密封材料

西門子公司F. Kessler等[6]對(duì)C4F7N-CO2混合氣體與設(shè)備內(nèi)常用材料的穩(wěn)定性開(kāi)展了75～220℃溫度下的熱老化測(cè)試，發(fā)現(xiàn)彈性體與混合氣體相互作用會(huì)產(chǎn)生C3F7H，而干燥劑與混合氣體相互作用會(huì)產(chǎn)生C3F7H、C3F6。武漢大學(xué)周文俊團(tuán)隊(duì)[13]測(cè)試了純C4F7N氣體與三元乙丙橡膠（Ethylene Propylene Diene Monomer, EPDM）的相容性，并分析了試驗(yàn)后混合氣體的組分、EPDM的形貌、元素組成及力學(xué)性能，指出C4F7N氣體與EPDM反應(yīng)（溫度130℃，老化周期42天）會(huì)產(chǎn)生CO2、C3F6、C2H4和C2H6等分解產(chǎn)物。熱老化后EPDM力學(xué)性能下降明顯，且微觀形貌出現(xiàn)多層斷面裂痕并析出了亞硫酸鹽晶體。

另外，武漢大學(xué)張曉星團(tuán)隊(duì)[14]測(cè)試了10%C4F7N-90%CO2混合氣體與EPDM的相容性，發(fā)現(xiàn)混合氣體在80℃(90h)條件下與EPDM相互作用會(huì)導(dǎo)致C4F7N分解產(chǎn)生C3F6、CF3H、C2F5H等產(chǎn)物，EPDM表面則析出大量顆粒狀晶體如圖5所示，并伴有氟元素沉積。同時(shí)，計(jì)算分析指出C4F7N與EPDM缺陷之間的相互作用會(huì)引發(fā)C4F7N的吸附和解離，C4F7N分子CN基團(tuán)中的N原子傾向于與EPDM形成化學(xué)鍵。此外，連接到C4F7N中心C原子的F原子可與EPDM反應(yīng)生成C4F6N并與EPDM形成新的F-C鍵。廣東供電公司張亞茹等[15]測(cè)試了丁腈橡膠（Nitrile Butadiene Rubber, NBR）與C4F7N-CO2混合氣體的相容性（120℃, 72h），發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)后NBR橡膠的斷裂伸長(zhǎng)率下降了10.15%，抗拉強(qiáng)度下降了37%，物理性能嚴(yán)重劣化，這與NBR分子鏈中包含不飽和丁二烯有關(guān)。

圖5 C4F7N-CO2與EPDM相互作用后形貌（80℃, 90h)[14]

Fig 5 Morphology of EPDM after interaction with C4F7N-CO2(80℃, 90h)[14]

需要指出的是，考慮C4F7N混合氣體主要成分為CO2等緩沖氣體，因此確保密封材料對(duì)小分子氣體組分的密封性尤為關(guān)鍵，但現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)相關(guān)研究均未考慮這一因素的影響。Y. Kieffel等[16]指出目前在汽車工業(yè)界大量使用的丁基橡膠對(duì)小分子氣體（例如CO2、N2等）具有良好的密封性。丁基橡膠是一種異丁烯-異戊二烯共聚物，含有低百分比的異戊二烯（0.5％～3％）。但由于異戊二烯鏈中含有不飽和雙鍵，導(dǎo)致丁基橡膠對(duì)臭氧等較為敏感，限制了其在高壓氣體絕緣設(shè)備中的使用。為解決這一問(wèn)題，可以考慮使用在主分子鏈上沒(méi)有雙鍵且對(duì)臭氧不敏感的鹵化丁基橡膠作為C4F7N混合氣體設(shè)備的密封材料。該團(tuán)隊(duì)測(cè)試發(fā)現(xiàn)鹵化丁基（CIIR-BIIR）、EPDM對(duì)C4F7N-CO2混合氣體滲透率（20℃）分別為10-9cm2·bar-1·s-1和2×10-8cm2·bar-1·s-1（1bar= 105Pa），即CIIR-BIIR的密封性優(yōu)于EPDM，能夠滿足電氣設(shè)備密封性的相關(guān)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。

整體上，目前在SF6設(shè)備中廣泛使用的EPDM、NBR橡膠與C4F7N混合氣體存在相容性較差的問(wèn)題，相互作用過(guò)程會(huì)導(dǎo)致氣體分解和橡膠力學(xué)性能劣化。同時(shí)，現(xiàn)有的研究多采用熱老化方案并分析形貌、拉伸性能，并未開(kāi)展工況溫度下橡膠密封、壓縮性能測(cè)試，尤其缺乏橡膠材料對(duì)C4F7N混合氣體滲透率的評(píng)估。實(shí)際工程應(yīng)用中密封圈也需要涂覆硅脂，而考慮硅脂下的密封材料相容性研究也鮮有報(bào)道。另外，目前的橡膠材料相容性測(cè)試多采用設(shè)備廠商等渠道提供的已有產(chǎn)品，本領(lǐng)域人員由于缺乏高分子材料、橡膠改性及合成技術(shù)等專業(yè)知識(shí)，無(wú)法基于C4F7N混合氣體特性及密封需求開(kāi)展新型密封材料的研發(fā)，后期可考慮與高分子科學(xué)領(lǐng)域團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)展相關(guān)研究，以解決目前發(fā)現(xiàn)的相容性較差的問(wèn)題。同時(shí)，針對(duì)C4F7N混合氣體與橡膠材料相容性機(jī)理的研究較少，后期可采用分子動(dòng)力學(xué)模擬等開(kāi)展相關(guān)探索。

1.2.2 環(huán)氧樹(shù)脂等固體絕緣材料

環(huán)氧樹(shù)脂作為固體絕緣材料廣泛用于各類氣體絕緣設(shè)備，針對(duì)其與C4F7N混合氣體相容性的研究也取得了一定進(jìn)展。

武漢大學(xué)周文俊團(tuán)隊(duì)[17-18]測(cè)試了環(huán)氧樹(shù)脂與C4F7N-CO2混合氣體的相容性，發(fā)現(xiàn)環(huán)氧樹(shù)脂的直流電導(dǎo)率隨老化溫度升高而降低，交流電導(dǎo)率隨老化溫度升高而增加。90～160℃熱老化測(cè)試后環(huán)氧樹(shù)脂的沿面閃絡(luò)電壓未出現(xiàn)明顯降低，且試驗(yàn)后環(huán)氧樹(shù)脂表面未發(fā)現(xiàn)晶體析出或斷層斷面，但部分Al2O3填料更接近環(huán)氧樹(shù)脂表面。當(dāng)溫度達(dá)到160℃時(shí)，9%C4F7N-91%CO2混合氣體有少量分解并產(chǎn)生了C3F6和2,4,6-三（七氟丙基)-1,3,5-三嗪（C12F21N3）兩種組分，C4F7N-CO2混合氣體整體上與環(huán)氧樹(shù)脂相容性較好。華北電力大學(xué)屠幼萍團(tuán)隊(duì)[19]探究了5%C4F7N-95%CO2混合氣體在環(huán)氧樹(shù)脂沿面局部放電缺陷下的分解特性，檢測(cè)到了CF4、C3F8、C6F14、C3F6、C4F6、C4F8、CF3CN、C12F7H17O2等分解組分，其中C12F7H17O2是C4F7N與環(huán)氧樹(shù)脂反應(yīng)生成的一類產(chǎn)物。

另外，西安交通大學(xué)李興文團(tuán)隊(duì)[20]分析了α-Al2O3與C4F7N的相互作用機(jī)理，指出C4F7N與α-Al2O3存在明顯的化學(xué)吸附，CN和CF基團(tuán)在相互作用中表現(xiàn)出較強(qiáng)的活性。針對(duì)兩者的熱穩(wěn)定性測(cè)試發(fā)現(xiàn)α-Al2O3與C4F7N在170℃下相互作用不會(huì)引起絕緣氣體的分解和α-Al2O3的解離，α-Al2O3作為添加劑的固體絕緣材料與C4F7N之間相容性較好。

綜合來(lái)看，C4F7N混合氣體與固體絕緣材料的相容性較好，但考慮到C4F7N在長(zhǎng)期局部放電、火花放電及滅弧等條件下存在固體物質(zhì)析出問(wèn)題，后期還需要進(jìn)一步探索強(qiáng)電磁能及熱聯(lián)合作用下C4F7N解離的各類粒子與固體絕緣材料相互作用機(jī)制，厘清氣-固界面固體分解產(chǎn)物的析出特性。

1.2.3 吸附劑等功能材料

為保障氣體絕緣設(shè)備內(nèi)部水分等雜質(zhì)達(dá)標(biāo)，實(shí)際運(yùn)行中需要在設(shè)備內(nèi)部預(yù)置一定量的吸附劑/干燥劑等[21-22]功能性材料。針對(duì)C4F7N混合氣體，武漢大學(xué)肖淞等研究了目前SF6設(shè)備中廣泛應(yīng)用的γ-Al2O3與C4F7N-N2混合氣體及其分解產(chǎn)物的相容性，發(fā)現(xiàn)盡管γ-Al2O3能夠?qū)旌蠚怏w分解產(chǎn)生的CF3CN、C3F6、C2F5CN、CF4、C2F6有吸附效果，但也導(dǎo)致主絕緣氣體C4F7N含量大幅下降，這與CN基團(tuán)的強(qiáng)反應(yīng)活性有關(guān)。因此，γ-Al2O3不適宜用作C4F7N-N2混合氣體絕緣設(shè)備的吸附劑或干燥劑。

中國(guó)電力科學(xué)研究院顏湘蓮等[23]分析了C4F7N-CO2混合氣體及其分解產(chǎn)物在Na-4A分子篩中的吸附特性，計(jì)算了吸附等溫線、飽和吸附量、自由能、擴(kuò)散系數(shù)等微觀參數(shù)，指出分子篩對(duì)全氟化物的吸附能力較弱，對(duì)HF、COF2、C2N2、CF3CN、C2F5CN等分解產(chǎn)物表現(xiàn)出較好的吸附特性。中國(guó)科學(xué)院電工研究所張國(guó)強(qiáng)團(tuán)隊(duì)[24]測(cè)試了γ-Al2O3和分子篩（3A、4A和5A）對(duì)C4F7N-CO2及其混合氣體分解產(chǎn)物的吸附特性，發(fā)現(xiàn)四類吸附劑對(duì)全氟化碳類產(chǎn)物（CF4、C2F6、C3F8等）、CO2和CO的吸附效果較弱，對(duì)C2N2均能有效吸附，但3A和4A分子篩對(duì)CF3CN的吸附效果較差，C2F5CN則僅能由γ-Al2O3吸附。由于γ-Al2O3對(duì)C4F7N表現(xiàn)出強(qiáng)吸附作用，因此不適合作為C4F7N混合氣體設(shè)備吸附劑使用，而5A分子篩相較于3A、4A表現(xiàn)出更優(yōu)異的吸附性能，因此具備應(yīng)用潛力。

整體上，目前SF6設(shè)備中的γ-Al2O3等吸附劑與C4F7N混合氣體相容性較差，主要表現(xiàn)在對(duì)主絕緣氣體C4F7N的吸附作用。早期工程應(yīng)用中，建議盡量避免使用吸附劑/干燥劑等材料，確?；旌蠚怏w絕緣性能的穩(wěn)定。針對(duì)新型吸附劑、干燥劑的研究也需要同應(yīng)用化學(xué)等領(lǐng)域團(tuán)隊(duì)合作，基于C4F7N及其分解產(chǎn)物的分子結(jié)構(gòu)特性開(kāi)發(fā)具有選擇性的功能性材料。另外，由于C4F7N混合氣體在各類故障下的分解產(chǎn)物隨故障嚴(yán)重程度和持續(xù)時(shí)間呈類線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，C4F7N處于不斷消耗中且部分分解產(chǎn)物具有毒性和腐蝕性，因此需要開(kāi)發(fā)C4F7N混合氣體分解組分的有效濾除裝置，為設(shè)備運(yùn)維提供支持。

2 C4F7N及主要分解產(chǎn)物生物安全性

優(yōu)良的氣體絕緣介質(zhì)應(yīng)當(dāng)具有良好的生物安全性，即無(wú)毒或毒性足夠低。一方面，設(shè)備運(yùn)維人員在安裝、檢修、運(yùn)維等環(huán)節(jié)不可避免地需要接觸設(shè)備內(nèi)氣體及其分解產(chǎn)物；另一方面，氣體絕緣介質(zhì)的生物安全性也決定了其應(yīng)用可行性、廢氣處理及排放規(guī)程等問(wèn)題，因此對(duì)C4F7N混合氣體及其分解產(chǎn)物安全性評(píng)估十分重要。

2.1 C4F7N及其混合氣體生物安全性

明尼蘇達(dá)礦業(yè)及制造公司（Minnesota Mining and Manufacturing, 3M）有關(guān)C4F7N的材料安全數(shù)據(jù)冊(cè)（Material Safety Data Sheet, MSDS）報(bào)告指出C4F7N的4h半數(shù)致死濃度（Lethal Concentration 50, LC50）在10 000～15 000μL/L范圍內(nèi)?；诜蟽?yōu)良實(shí)驗(yàn)室規(guī)范的經(jīng)濟(jì)合作與發(fā)展組織412亞急性吸入毒性28天研究發(fā)現(xiàn)C4F7N的職業(yè)接觸限值（Occupational Exposure Limits, OEL）為65μL/L (SF6為1 000μL/L），未觀察毒副作用的劑量（No Observed Adverse Effect Level, NOAEL）為500μL/L[16]。另外，Y. Kieffel等[25]測(cè)試指出4%C4F7N-96%CO2混合氣體的LC50（大鼠, 4h）在16%～21.1%范圍內(nèi)，10%C4F7N-90%CO2混合氣體的LC50（大鼠, 4h）則在9.55%～10%范圍內(nèi)。因此，C4F7N混合氣體的急性吸入毒性顯著低于純C4F7N氣體?？紤]實(shí)際工程應(yīng)用中C4F7N占混合氣體的含量一般在4%～10%，根據(jù)國(guó)際相關(guān)毒性分類標(biāo)準(zhǔn)，該條件下C4F7N混合氣體是無(wú)毒的[16]。

另外，武漢大學(xué)張曉星團(tuán)隊(duì)聯(lián)合武漢大學(xué)中南醫(yī)院對(duì)大鼠接觸C4F7N后的生命體征變化及靶器官毒性開(kāi)展了初步研究[26-27]。相關(guān)測(cè)試參考《六氟化硫氣體毒性生物試驗(yàn)方法》（DL/T921—2005）和《全球化學(xué)品統(tǒng)一分類和標(biāo)簽制度》（Globally Harmonized System, GHS）進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)C4F7N對(duì)大鼠呼吸粘膜有一定刺激性，大鼠長(zhǎng)期暴露于1.5%C4F7N環(huán)境會(huì)出現(xiàn)精神欠佳，同時(shí)伴有呼吸困難、心律不齊等癥狀。針對(duì)靶器官的切片分析發(fā)現(xiàn)1.5% C4F7N不會(huì)對(duì)大鼠的眼、皮膚、心臟、肝、腦組織不會(huì)構(gòu)成損害，但對(duì)腎、腸等組織會(huì)造成嚴(yán)重?fù)p害[27]。

綜合來(lái)看，現(xiàn)階段針對(duì)C4F7N生物安全性的研究較少，相關(guān)成果初步證實(shí)了C4F7N混合氣體生物安全性良好，其LC50值根據(jù)通用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)屬于無(wú)毒物質(zhì)。但針對(duì)C4F7N生殖毒性、遺傳毒性、致突變毒性、靶器官長(zhǎng)期影響等毒理學(xué)參數(shù)評(píng)估仍較為缺乏。隨著C4F7N使用量的進(jìn)一步增加及后續(xù)示范應(yīng)用設(shè)備的進(jìn)一步推廣，氣體生產(chǎn)、設(shè)備運(yùn)營(yíng)、科研院所等機(jī)構(gòu)有必要強(qiáng)化與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域團(tuán)隊(duì)的合作，進(jìn)一步深入研究并驗(yàn)證C4F7N的安全性。目前，對(duì)于有可能接觸高濃度C4F7N的人員應(yīng)當(dāng)做好相關(guān)安全防護(hù)，避免吸入純C4F7N氣體或接觸液態(tài)C4F7N。

2.2 C4F7N主要分解產(chǎn)物生物安全性

考慮C4F7N-CO2混合氣體各類分解產(chǎn)物的安全性，表1給出了相關(guān)毒理學(xué)數(shù)據(jù)。緩沖氣體CO2的職業(yè)接觸極限值為5 000μL/L，且高濃度的CO2具有窒息性，會(huì)對(duì)呼吸系統(tǒng)和心血管系統(tǒng)構(gòu)成影響。氟碳類產(chǎn)物中，放電分解產(chǎn)量較高的CF4無(wú)毒，僅高濃度具有窒息性，由于設(shè)備實(shí)際分解產(chǎn)生的CF4一般在μL/L級(jí)別，其產(chǎn)生對(duì)運(yùn)維人員構(gòu)成的威脅可以忽略。C2F6、C3F8兩類特征分解產(chǎn)物的LC50分別為50%和9%，且兩者僅在高濃度具有窒息性。C3F6的LC50（大鼠，4h）為3 060μL/L，是所有氟碳類產(chǎn)物中毒性最高的。同時(shí)，C3F6會(huì)對(duì)皮膚和眼部造成刺激，可能引起呼吸道刺激、嗜睡或頭暈等癥狀。

表1 C4F7N及其分解產(chǎn)物毒理學(xué)特性

Tab.1 Toxicological properties of C4F7N and its decomposition products

含CN基團(tuán)類產(chǎn)物的毒性普遍較高，其中CF3CN的LC50(大鼠，4h)僅為250μL/L，C2F5CN的LC50(大鼠，4h)為2 730μL/L，均遠(yuǎn)低于C4F7N；C2N2的LC50(大鼠，4h)為175μL/L，屬于劇毒類氣體，其容易還原為氰化物從而使細(xì)胞色素C氧化酶復(fù)合物中毒，引發(fā)線粒體電子轉(zhuǎn)移鏈斷裂。另外，C2N2對(duì)眼睛和呼吸系統(tǒng)有刺激性，吸入可能導(dǎo)致頭痛、脈搏加快、惡心、嘔吐、意識(shí)喪失、抽搐甚至死亡。由于目前尚無(wú)上述三類氣體的標(biāo)準(zhǔn)氣體，無(wú)法對(duì)分解或運(yùn)行工況下的C4F7N混合氣體開(kāi)展CF3CN、C2F5CN和C2N2定量分析研究，因此建議須在科研或運(yùn)維各個(gè)環(huán)節(jié)避免接觸分解后的C4F7N混合氣體。

含O類產(chǎn)物中，CO的生成量較高，其LC50（大鼠, 4h）為1 880μL/L，非立即危害生命或健康暴露濃度為1 200μL/L，同時(shí)CO會(huì)對(duì)心血管系統(tǒng)、肺、血液、中樞神經(jīng)系統(tǒng)構(gòu)成損害。COF2的LC50（大鼠，4h）為180μL/L，暴露危害主要表現(xiàn)為對(duì)眼睛、皮膚、呼吸系統(tǒng)的刺激以及對(duì)胃腸道、骨骼的影響。

另外，Kieffel等針對(duì)C4F7N含量為4%、6%的C4F7N-CO2-O2作為滅弧介質(zhì)開(kāi)斷負(fù)荷電流后的急性吸入毒性進(jìn)行了評(píng)估見(jiàn)表2，指出滅弧后含4%C4F7N氣體的LC50（大鼠，4h）值大于64 000μL/L，含6%C4F7N氣體的LC50（大鼠，4h）值大于38 000μL/L，略高于SF6的74 000μL/L。因此，C4F7N混合氣體在開(kāi)斷工況下的毒性與SF6相當(dāng)，仍具有應(yīng)用安全性。

表2 SF6與C4F7N-CO2-O2電弧開(kāi)斷后毒性對(duì)比

綜合來(lái)看，C4F7N各類分解產(chǎn)物中含CN基團(tuán)的CF3CN、C2F5CN、C2N2及CO、C3F6、COF2、HF等具有較強(qiáng)的毒性、腐蝕性，會(huì)對(duì)運(yùn)維人員健康或設(shè)備安全帶來(lái)威脅。同時(shí)，考慮氣體絕緣設(shè)備內(nèi)各類分解組分的含量一般在幾十至幾百μL/L級(jí)別且混合氣體中C4F7N的含量在10%以下（中壓設(shè)備低于15%），且現(xiàn)階段大規(guī)模應(yīng)用的SF6設(shè)備內(nèi)分解產(chǎn)物如SO2、SOF2、SO2F2、H2S等也為劇毒物質(zhì)，因此C4F7N-CO2混合氣體在作為絕緣介質(zhì)的場(chǎng)景下仍具備應(yīng)用可行性。作為滅弧介質(zhì)使用時(shí)，由于高能電弧引發(fā)的C4F7N分解更為劇烈，各類分解產(chǎn)物含量較高，因此需要做好相關(guān)安全防護(hù)。另外，現(xiàn)階段由于缺乏部分分解產(chǎn)物的標(biāo)準(zhǔn)氣體，對(duì)于運(yùn)行工況或故障條件下C4F7N混合氣體生物安全性的研究較少，無(wú)法建立放電參量（如局部放電強(qiáng)度、火花放電次數(shù)、開(kāi)斷次數(shù)）與氣體急性吸入毒性間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。針對(duì)示范運(yùn)行設(shè)備，目前也缺乏氣室內(nèi)氣體組分及生物安全性的相關(guān)報(bào)道，后期需要開(kāi)發(fā)能夠?yàn)V除強(qiáng)毒性分解產(chǎn)物的吸附劑或干燥劑以進(jìn)一步提升C4F7N混合氣體設(shè)備的應(yīng)用安全性。

2.3 C4F7N應(yīng)用防護(hù)建議

考慮C4F7N-CO2混合氣體及其部分分解產(chǎn)物存在一定急性生物毒性，同時(shí)現(xiàn)階段針對(duì)C4F7N及其分解物的毒理學(xué)機(jī)理（遺傳毒性、致癌、致突變等）尚不完全明確，因此對(duì)有可能接觸C4F7N-CO2混合氣體的運(yùn)維人員有必要采取如下的防護(hù)措施：

首先，建議在C4F7N-CO2設(shè)備運(yùn)行區(qū)域、實(shí)施C4F7N分裝、混合氣體配置、混合氣體回收處理、科研試驗(yàn)的相關(guān)工作區(qū)域安裝C4F7N泄漏預(yù)警系統(tǒng)，以監(jiān)測(cè)可能存在的C4F7N泄漏風(fēng)險(xiǎn)。

其次，對(duì)于參與C4F7N-CO2運(yùn)維、試驗(yàn)、分裝等長(zhǎng)期崗位操作人員，在潛在暴露量高于65μL/L的情況下，建議使用間接通氣護(hù)目鏡對(duì)眼睛和面部進(jìn)行防護(hù)，使用丁腈手套對(duì)手部進(jìn)行防護(hù)，使用供氣式半面罩或全面罩呼吸器進(jìn)行呼吸防護(hù)，以避免吸入或接觸C4F7N及其分解產(chǎn)物對(duì)自身安全帶來(lái)隱患和危害[26]。

最后，對(duì)于已使用或試驗(yàn)后的C4F7N-CO2氣體，應(yīng)當(dāng)集中回收處理并杜絕其直接排放，避免混合氣體中毒性分解物如CF3CN、C2N2、COF2等氣體泄漏對(duì)設(shè)備或試驗(yàn)區(qū)域生態(tài)環(huán)境及他人健康帶來(lái)的影響。

3 C4F7N氣體絕緣設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用

3.1 C4F7N氣體絕緣設(shè)備及配套裝置研發(fā)

3.1.1 C4F7N氣體絕緣設(shè)備研發(fā)

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)以C4F7N混合氣體為絕緣介質(zhì)的環(huán)保型中、高壓輸配電設(shè)備研發(fā)也取得了一定進(jìn)展。

2016年，通用電氣（General Electric, GE）聯(lián)合3M公司推出了國(guó)際首臺(tái)420kV/63kA環(huán)保型氣體絕緣輸電管道，該GIL采用4%C4F7N-96%CO2混合氣體作為絕緣介質(zhì)，工作氣壓為1.06MPa（絕對(duì)氣壓），運(yùn)行溫度為-25～40℃[37]。該GIL通過(guò)了650kV/min的工頻耐壓、1 425kV雷電沖擊耐壓以及1 050kV的操作沖擊耐壓測(cè)試[38]。溫升方面，該GIL在不同負(fù)載電流下的溫升曲線與SF6設(shè)備非常相似，但設(shè)備整體溫升值略高于SF6設(shè)備。額定電流4 000A條件下，設(shè)備溫升（觸點(diǎn)40K，外殼15K）低于IEC62271—1規(guī)定的限值（觸點(diǎn)溫升為65K，外殼溫升40 K）（如圖6所示）[38]。首臺(tái)該型GIL安裝于倫敦南部的Sellindge變電站中。自2017年3月以來(lái)，兩個(gè)長(zhǎng)度約300m的回路已投入運(yùn)行，運(yùn)行至今未發(fā)現(xiàn)異常，蘇格蘭電力公司的第二臺(tái)該型GIL設(shè)備也于2018年5月投入運(yùn)行。

圖6 420kV C4F7N-CO2混合氣體與SF6設(shè)備GIL溫升測(cè)試結(jié)果[38]

另外，通用電氣還推出了包含斷路器的145kV GIS，該型GIS以6%C4F7N-89%CO2-5%O2為絕緣介質(zhì)，充氣壓力為0.85MPa，運(yùn)行溫度為-25～40℃，額定電流為3 150A/40kA[39-40]。該型GIS通過(guò)了IEC 62271—203標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫升、絕緣測(cè)試以及涉及斷路器的出線故障（Terminal Fault, TF）、近區(qū)L75和L90故障（Short-Line Fault, SLF）、電容開(kāi)斷測(cè)試等，驗(yàn)證了C4F7N混合氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)的應(yīng)用潛力。需要指出的是，該型GIS與SF6設(shè)備共用了80%以上的零部件[37]。具體差異主要有以下幾點(diǎn)：①更換了對(duì)CO2密封性較差的EPDM密封圈；②使用了適合于C4F7N的密度計(jì)和泄壓裝置；③對(duì)斷路器單元的彈簧機(jī)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)[40]。由于C4F7N混合氣體的質(zhì)量密度低于SF6，導(dǎo)致空載操作以及大電流電弧熄滅期間氣吹速度和壓力構(gòu)建受到影響，因此需要調(diào)整斷路器腔室的體積及通道直徑和長(zhǎng)度，以滿足燃弧需求。2017年，首臺(tái)該型145kV/40kA GIS安裝于瑞士的Etzel變電站中，其中三相密封開(kāi)關(guān)設(shè)備安裝在室內(nèi)，而用于變壓器連接的母線和套管安裝在室外，初期采用降壓方式運(yùn)行（123kV）[41]。2018年，法國(guó)格里莫變電站安裝了同類型的GIS，運(yùn)行電壓為72.5kV，維護(hù)策略遵循SF6相關(guān)規(guī)程并要求每年年初對(duì)設(shè)備內(nèi)氣體的混合比進(jìn)行檢測(cè)。

同時(shí)，通用電氣還探索了C4F7N混合氣體應(yīng)用于高壓電流互感器（Current Transformer, CT）的可能性，推出了245kV氣體絕緣CT。該型CT通過(guò)了IEC 61869標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工頻耐壓、局部放電、沖擊、溫升、電容及介電常數(shù)等測(cè)試[37]。

國(guó)內(nèi)針對(duì)C4F7N混合氣體絕緣設(shè)備的研發(fā)尚處于起步階段。國(guó)家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司于2016年聯(lián)合中國(guó)電力科學(xué)研究院、中國(guó)科學(xué)院電工技術(shù)研究所、武漢大學(xué)、西安交通大學(xué)、清華大學(xué)、華北電力大學(xué)等科研院校及平高集團(tuán)、許繼集團(tuán)等設(shè)備生產(chǎn)廠家開(kāi)展了C4F7N應(yīng)用可行性研究及設(shè)備研發(fā)。2019年1月，國(guó)內(nèi)首臺(tái)以C4F7N-CO2混合氣體為絕緣介質(zhì)的12kV環(huán)網(wǎng)開(kāi)關(guān)柜研制成功，該型設(shè)備通過(guò)了1.2倍絕緣裕度和1 000A有功負(fù)載電流開(kāi)合試驗(yàn)[42]。2019年12月，云南電網(wǎng)公司昭通威信供電局率先實(shí)現(xiàn)了C4F7N混合氣體10kV柱上負(fù)荷開(kāi)關(guān)、10kV柱上斷路器和10kV環(huán)網(wǎng)柜的入網(wǎng)運(yùn)行[43]。目前，以C4F7N混合氣體為絕緣介質(zhì)的110kV GIS母線及隔離/接地開(kāi)關(guān)、220kV GIS母線、1 100kV環(huán)保GIL也正在研發(fā)中[43-45]。

整體上，目前國(guó)內(nèi)針對(duì)C4F7N混合氣體中、低壓輸配電裝備的研發(fā)取得了突破，但高電壓、超高壓等級(jí)下仍處于起步階段。低電壓等級(jí)設(shè)備的投運(yùn)能夠積累現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和相關(guān)運(yùn)維經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步評(píng)估C4F7N的應(yīng)用可靠性。針對(duì)高電壓等級(jí)設(shè)備的研發(fā)，需要考慮通過(guò)提升設(shè)備運(yùn)行氣壓、工作溫度等方式來(lái)滿足絕緣需求，對(duì)于滅弧場(chǎng)景還需要考慮斷路器結(jié)構(gòu)調(diào)整等，仍需要科研院所、高校與設(shè)備企業(yè)的合作研制。

3.1.2 C4F7N氣體絕緣設(shè)備配套運(yùn)維裝置研發(fā)

由于C4F7N與SF6理化特性差異較大，且實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景為混合氣體，因此現(xiàn)有的SF6配套運(yùn)維設(shè)備無(wú)法滿足C4F7N混合氣體應(yīng)用需求，針對(duì)C4F7N氣體絕緣設(shè)備配套運(yùn)維裝置的研發(fā)也取得了一定進(jìn)展。

武漢大學(xué)張曉星團(tuán)隊(duì)[46-47]探究了紫外光譜、紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于C4F7N混合比及其部分分解產(chǎn)物快速檢測(cè)分析的可行性?；诹鲃?dòng)氣體檢測(cè)方式的紫外光譜檢測(cè)平臺(tái)對(duì)C4F7N的紫外吸收特性進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)C4F7N氣體在185～200nm波段具有紫外吸收峰，此波段的吸收峰主要是由于電子從最高占據(jù)分子軌道（Highest Occupied Molecular Orbital, HUMO）躍遷至最低未占分子軌道（Lowest Unoccupied Molecular Orbital, LUMO）所致。通過(guò)選擇最優(yōu)的定量方法進(jìn)行濃度反演，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)C4F7N含量為4%～10%的C4F7N-CO2混合比快速檢測(cè)，檢測(cè)下限為0.37%，誤差低于5%。

另外，該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)C4F7N混合氣體的紅外光譜吸收波段在400～2 400cm-1之間，其中900～ 1 400cm-1波段的吸收較強(qiáng)。當(dāng)C4F7N混合氣體中C4F7N含量達(dá)到10%時(shí)，大部分紅外光譜波段會(huì)產(chǎn)生飽和，其中750～785cm-1波段適用于C4F7N-CO2混合氣體的混合比檢測(cè)。通過(guò)采用多尺度小波變換進(jìn)行重疊峰尋峰，并將峰數(shù)和峰位信息代入高斯函數(shù)中進(jìn)行曲線擬合，能夠?qū)崿F(xiàn)反演誤差僅為2.7%的C4F7N混合比快速檢測(cè)[48]。同時(shí)，利用差譜技術(shù)結(jié)合長(zhǎng)光程氣體池、紅外光譜儀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)C3F6、CO和COF2三種分解產(chǎn)物的快速檢測(cè)[48-49]。

設(shè)備層面，國(guó)內(nèi)日立信、泰普聯(lián)合等公司已成功研發(fā)了C4F7N混合氣體密度、混合比、濕度、泄漏檢測(cè)等運(yùn)維亟需裝置，針對(duì)C4F7N氣體絕緣設(shè)備配氣、充氣和廢氣回收處理等裝置研發(fā)也取得了進(jìn)展，為后續(xù)工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[42]。

3.2 C4F7N氣體絕緣設(shè)備工程應(yīng)用建議

綜合現(xiàn)階段有關(guān)C4F7N混合氣體絕緣、分解及材料相容性研究成果，對(duì)于C4F7N氣體絕緣輸配電設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)有如下建議：

首先，運(yùn)維中有必要對(duì)混合氣體中C4F7N的含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以判斷其含量是否處于允許范圍內(nèi)。不同于SF6氣體絕緣設(shè)備，C4F7N-CO2混合氣體中C4F7N的含量一般在4%～10%（低壓設(shè)備不超過(guò)15%），且C4F7N作為主絕緣氣體決定了混合氣體的絕緣水平。目前針對(duì)C4F7N混合氣體放電及過(guò)熱分解特性測(cè)試發(fā)現(xiàn)，混合氣體產(chǎn)生的各類產(chǎn)物含量隨故障持續(xù)時(shí)間/強(qiáng)度未呈現(xiàn)明顯的飽和增長(zhǎng)趨勢(shì)，即C4F7N處于不斷消耗中。由于設(shè)備檢修周期較長(zhǎng)，因此故障長(zhǎng)期存在下C4F7N可能會(huì)持續(xù)分解，引發(fā)故障區(qū)域絕緣性能的降低進(jìn)而加劇故障嚴(yán)重程度，最終形成惡性循環(huán)造成設(shè)備內(nèi)擊穿甚至停電。因此，需要對(duì)設(shè)備內(nèi)C4F7N的含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

其次，對(duì)于放電類故障，C4F7N混合氣體產(chǎn)生的可定量分析產(chǎn)物中CF4、CO含量最高，C2F6、C3F8含量相對(duì)較低。同時(shí)，考慮350℃以下過(guò)熱分解未檢測(cè)出C2F6、C3F8，因此CF4配合C2F6或C3F8可以作為C4F7N混合氣體放電性故障下的特征分解產(chǎn)物，以判斷設(shè)備在運(yùn)行期間是否發(fā)生了放電性故障。

對(duì)于局部過(guò)熱性故障或氣-固界面分解，C3F6是最早產(chǎn)生的分解產(chǎn)物，這與C4F7N同金屬、非金屬界面發(fā)生吸附-解離過(guò)程有關(guān)。同時(shí)，C3F6在放電性故障下的產(chǎn)量較低（C3F6分子中含有不飽和C=C鍵，穩(wěn)定性較差），因此C3F6可以作為設(shè)備內(nèi)早期過(guò)熱性故障或氣固界面分解故障的特征產(chǎn)物。另外，CF4、C3F8兩種分解產(chǎn)物的生成也在一定程度上反映了設(shè)備內(nèi)可能存在嚴(yán)重過(guò)熱性故障。

最后，在設(shè)備運(yùn)維或檢修中建議對(duì)設(shè)備內(nèi)金屬部件尤其是含銅結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查。一方面，需要檢測(cè)其表面結(jié)構(gòu)是否發(fā)生了腐蝕或固體物析出，并根據(jù)需要進(jìn)行防腐蝕處理；另一方面，需要對(duì)金屬結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱性、電導(dǎo)率/電阻進(jìn)行測(cè)量，以評(píng)估其工作性能，避免C4F7N混合氣體分解物析出或腐蝕對(duì)金屬結(jié)構(gòu)件可能帶來(lái)的負(fù)面影響。

4 結(jié)論

本文在環(huán)保絕緣氣體C4F7N研究及應(yīng)用進(jìn)展Ⅰ：絕緣及電、熱分解特性的基礎(chǔ)上，綜述了近五年有關(guān)環(huán)保絕緣氣體C4F7N材料相容性、生物安全性、C4F7N氣體絕緣設(shè)備及配套裝置的研究進(jìn)展，為C4F7N氣體絕緣輸配電裝備的研發(fā)及應(yīng)用提供了參考。同時(shí)，基于相關(guān)研究進(jìn)展對(duì)環(huán)保絕緣氣體C4F7N未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)展望如下：

1）材料相容性方面，目前針對(duì)C4F7N混合氣體與設(shè)備內(nèi)常用金屬材料的研究較為充分，發(fā)現(xiàn)C4F7N與金屬鋁、銀的相容性優(yōu)于銅。非金屬材料中，環(huán)氧樹(shù)脂與C4F7N相容性良好，但密封橡膠、吸附劑等存在與C4F7N相容性較差的問(wèn)題。未來(lái)，需要進(jìn)一步深入探究C4F7N與非金屬材料的相容性機(jī)理，針對(duì)不同類型的材料結(jié)合工程實(shí)際開(kāi)展對(duì)應(yīng)性能的表征和測(cè)試，聯(lián)合應(yīng)用化學(xué)領(lǐng)域相關(guān)團(tuán)隊(duì)針對(duì)不相容非金屬材料尋求替代產(chǎn)品或開(kāi)發(fā)有效的防腐蝕技術(shù)。同時(shí)，需要關(guān)注緩沖氣體、氧氣（臭氧）等對(duì)氣固界面穩(wěn)定性帶來(lái)的影響，并重點(diǎn)考察電、熱聯(lián)合作用下各類材料的可靠性。

2）生物安全性方面，現(xiàn)階段針對(duì)C4F7N生物安全性的研究尚不充分，僅對(duì)急性吸入毒性開(kāi)展了相關(guān)研究，證實(shí)了C4F7N-CO2混合氣體滿足應(yīng)用安全性要求。同時(shí)，缺乏針對(duì)C4F7N遺傳毒性、生殖毒性、致癌/致突變等安全性參數(shù)的考察與評(píng)估，實(shí)際運(yùn)行工況或故障分解后氣體毒性的相關(guān)報(bào)道也較少。本領(lǐng)域相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)理解C4F7N-CO2混合氣體的生物安全性顯著優(yōu)于純C4F7N且實(shí)際設(shè)備發(fā)生泄漏的可能性極低，同時(shí)目前廣泛使用的SF6氣體絕緣設(shè)備分解組分中也有諸多劇毒物質(zhì)，因此對(duì)待C4F7N-CO2混合氣體設(shè)備的應(yīng)用安全防護(hù)應(yīng)與SF6設(shè)備基本一致。未來(lái)，需要進(jìn)一步聯(lián)合生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)W者系統(tǒng)開(kāi)展C4F7N混合氣體及其故障分解后氣體的安全性評(píng)估，并與SF6故障分解后氣體毒性進(jìn)行對(duì)比，科學(xué)、客觀地評(píng)估其應(yīng)用安全性。

3）氣體絕緣裝備及配套裝置研發(fā)方面，目前國(guó)外已經(jīng)推出了C4F7N混合氣體GIL、GIS、CT等設(shè)備并實(shí)現(xiàn)了示范試運(yùn)行，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究也取得了一定進(jìn)展，但尚未實(shí)現(xiàn)10kV以上高電壓等級(jí)環(huán)保型設(shè)備的示范運(yùn)行。受限于液化溫度，高電壓等級(jí)下C4F7N混合氣體的絕緣性能無(wú)法達(dá)到純SF6的水平，因此需要考慮提升設(shè)備運(yùn)行氣壓、運(yùn)行溫度或增大設(shè)備體積等方式滿足絕緣要求。未來(lái)，需要進(jìn)一步聯(lián)合設(shè)備制造企業(yè)、電網(wǎng)公司、科研院所等開(kāi)展合作研發(fā)，解決研發(fā)過(guò)程中遇到的各類理論及技術(shù)問(wèn)題，推進(jìn)綠色環(huán)保輸配電裝備的自主化、國(guó)產(chǎn)化。

4）環(huán)保絕緣氣體的研究以絕緣及滅弧、穩(wěn)定性、分解特性、材料相容性、生物安全性等基礎(chǔ)特性評(píng)估為出發(fā)點(diǎn)，以設(shè)備樣機(jī)及配套裝備研發(fā)、示范應(yīng)用、運(yùn)維策略積累總結(jié)為落腳點(diǎn)，旨在逐步減少氣體絕緣輸配電設(shè)備對(duì)使用SF6的依賴，最終助力電力工業(yè)“2030年碳排放達(dá)峰，2060年碳中和”的減排目標(biāo)。盡管近年來(lái)針對(duì)環(huán)保絕緣氣體C4F7N的研究取得了諸多進(jìn)展，但仍有許多涉及材料相容性、生物安全性的技術(shù)瓶頸未能解決，本領(lǐng)域未來(lái)的發(fā)展需要電氣、化學(xué)、物理、材料、生物等多學(xué)科領(lǐng)域的交叉融合，逐步探索并實(shí)現(xiàn)環(huán)保絕緣氣體的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用。

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Zhang Xiaoxing, Zhang Yin, Fu Mingli, et al. Mixing ratio detection for C4F7N/CO2mixed gas based on ultraviolet spectroscopy[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(4): 1034-1039.

[48] Zhang Yin, Zhang Xiaoxing, Liu Chang, et al. Research on C4F7N gas mixture detection based on infrared spectroscopy[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2019, 294: 126-132.

[49] Zhang Xiaoxing, Zhang Yin, Huang Yi, et al. Detection of decomposition products of C4F7N-CO2gas mixture based on infrared spectroscopy[J]. Vibrational Spectroscopy, 2020, 110: 103114.

[50] Zhang Xiaoxing, Zhang Yin, Zhou Siyuan, et al. The detection and quantification of heptafluoroiso-butyronitrile (C4F7N) and its decomposition products by infrared spectroscopy and chemometrics[J]. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2020, 233: 118161.

Research and Application Progress of Eco-Friendly Gas Insulating Medium C4F7N, Part II: Material Compatibility, Safety and Equipment Development

Li Yi1Zhang Xiaoxing2Fu Mingli3Xiao Song1Tang Ju2Tian Shuangshuang2

（1. School of Electrical Engineering and Automation Wuhan University Wuhan 430072 China 2. Hubei Engineering Research Center for Safety Monitoring of New Energy and Power Grid Equipment Hubei University of Technology Wuhan 400068 China 3. Electric Power Research Institute China Southern Power Grid Guangzhou 510080 China）

The development of new generation eco-friendly gas insulating equipment to promote the green upgrade of power transmission and distribution equipment manufacturing industry meets the strategic needs of building a clean and low-carbon energy system. In this paper, based on the Review Part I, we focused on the research progress of perfluoroisobutyronitrile (C4F7N) performance at application level. Firstly, current studies on the compatibility of C4F7N with metal and non-metallic materials were summarized. The gas-solid interface stability of C4F7N was also evaluated. Secondly, the biological safety parameters of C4F7N and its gas mixture were analyzed, and relevant targeted application protection suggestions were proposed. Finally, the development of C4F7N based gas insulated power transmission and distribution equipment as well as their application status were reviewed. The main problems and future development trends of eco-friendly gas insulating medium were also prospected.

Eco-friendly gas, C4F7N gas mixture, material compatibility, biological safety, equipment development

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210057

TM835

國(guó)家自然科學(xué)基金（51977159）、中國(guó)博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃（BX2021224）和南方電網(wǎng)科研院科技項(xiàng)目（ZBKJXM20190087）資助。

2021-01-14

2021-03-29

李 祎 男，1994年生，博士（后），研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷、環(huán)保絕緣氣體、微能量提取技術(shù)等。E-mail：liyi_whuee@163.com

肖 淞 男，1988年生，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡姎庠O(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷、環(huán)保絕緣氣體、SF6無(wú)害化處理等。E-mail：xiaosongxs@gmail.com（通信作者）

（編輯 郭麗軍）