C4 F7 N／CO2 混合氣體中絕緣子表面電荷積聚特征

倪艷榮，李承斌，郭永亮，高俊國

（1.河南工學(xué)院a.電纜工程學(xué)院；b.河南省線纜結(jié)構(gòu)與材料重點實驗室；c.理學(xué)部，河南新鄉(xiāng) 453003；2.哈爾濱理工大學(xué)a.電氣與電子工程學(xué)院；b.工程電介質(zhì)及其應(yīng)用教育部重點實驗室；c.黑龍江省電介質(zhì)工程重點實驗室，哈爾濱 150080）

0 引言

高壓直流輸電（High-Voltage Direct Current，HVDC）具有低功率損耗和高穩(wěn)定性的特征，能夠滿足非同步大容量電力傳輸?shù)男枨?。同時，隨著城市化和新能源一體化，氣體絕緣輸電線路（Gas-Insulated Transmission Lines，GIL）因其結(jié)構(gòu)緊湊、環(huán)境影響小和長距離傳輸容量大而成為傳統(tǒng)高壓直流輸電架空線路和電纜的替代方向［1-2］。然而，高壓直流輸電GIL 的發(fā)展面臨著一些問題，即GIL 和其他氣體絕緣設(shè)備的主要絕緣介質(zhì)SF6是一種極強(qiáng)的溫室氣體，相對于CO2，其全球變暖潛能值為23 500［3-4］。因此，尋找SF6替代氣體已成為目前亟需解決的問題。

到目前為止，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)在這一領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究［5-6］，其中C4F7N具有低毒性、高擊穿場強(qiáng)的特點，被認(rèn)為是一種具有廣泛應(yīng)用前景的SF6替代氣體［7］，且其全球變暖潛能值在1 490 和3 646 之間。

表面電荷積聚現(xiàn)象是影響氣體絕緣設(shè)備內(nèi)部絕緣子沿面閃絡(luò)性能的重要因素，但尚未深入研究C4F7N／CO2混合氣體中的表面電荷積聚問題及缺乏準(zhǔn)確的解釋不同氣體氛圍中的表面電荷特性的差異。為此，本文主要研究C4F7N／CO2混合氣體和SF6中直流電壓下GIL模型絕緣子表面的電荷積聚特性。通過對比實驗來研究混合氣體的絕緣性能、不同氣體環(huán)境下的表面電荷積聚機(jī)理等，為C4F7N／CO2混合氣體在GIL中的應(yīng)用提供理論和實驗參考。

1 C4F7N／CO2 混合氣體的基本絕緣性能

本文研究的基本思路是：①測試C4F7N／CO2混合氣體和SF6在均勻電場下的直流擊穿強(qiáng)度；②分別進(jìn)行C4F7N／CO2混合氣體和SF6氛圍下絕緣子表面電荷的測量實驗，擬取得不同氣體氛圍和氣體濃度條件下的絕緣子表面電荷積聚特征；③開展局部放電測量、絕緣子表面電荷積聚的主要因素研究分析。

為了解C4F7N／CO2混合氣體中基本絕緣特性的擊穿場強(qiáng)，本文采用球-球電極測量C4F7N／CO2混合氣體和SF6的擊穿電壓。2 個球電極由不銹鋼制成，直徑為φ25 mm，表面粗糙度小于2 μm。試驗過程中保持電極間距d≤1 mm，以確保球隙電場為準(zhǔn)均勻電場，對每組氣體的擊穿電壓重復(fù)測量10 次，獲得擊穿電壓的平均值。

純C4F7N、CO2和SF6的實測擊穿電壓，如圖1 所示，是電極間距和氣體壓力乘積（pd）的函數(shù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，可得出3 種氣體單位氣壓（MPa）下的擊穿場強(qiáng)。純C4F7N 的單位氣壓下?lián)舸﹫鰪?qiáng)約為205.99 kV／（MPa·mm），是純SF6的2 倍多；CO2的擊穿場強(qiáng)僅有32.85 kV／（MPa·mm），大約是SF6的37.4%。同時，還測試了不同混合比例的C4F7N／CO2混合氣體的擊穿場強(qiáng)，并與SF6進(jìn)行了比較，由圖2 可知，在CO2 中只添加5%的C4F7N，其擊穿場強(qiáng)就增加了1 倍。隨著C4F7N濃度的增加，C4F7N／CO2混合氣體的擊穿場強(qiáng)近似線性增加。當(dāng)C4F7N 的濃度在15%～20%左右時，其擊穿場強(qiáng)大致與SF6相當(dāng)。總的來說，上述結(jié)果與文獻(xiàn)［8-10］中結(jié)果一致。

圖1 球-球電極下C4F7N、CO2 和SF6 的擊穿電壓

圖2 C4F7N／CO2 混合氣體與SF6 擊穿場強(qiáng)的比值

2 試驗?zāi)Ｐ秃蜏y量方法

2.1 GIL單元模型

本文采用的絕緣子模型由微米級α-氧化鋁填充的工業(yè)用環(huán)氧樹脂真空澆注而成，外徑φ100 mm，內(nèi)徑φ12 mm，厚度17.5 mm。絕緣子模型安裝在接地的空心外殼和中央導(dǎo)桿之間，形成1 個縮比GIL單元，如圖3 所示。

圖3 GIL單元縮比模型

2.2 測量平臺

圖4 為表面電荷測量平臺的示意圖，該平臺采用自動表面電位掃描系統(tǒng)實現(xiàn)絕緣子的表面電位測量。中心導(dǎo)桿通過1 MΩ的保護(hù)電阻與直流高壓相連。整個測量裝置放置在密封室內(nèi)，密封室內(nèi)相對濕度控制在5%以內(nèi)，實驗在室溫下進(jìn)行。

圖4 表面電荷測量平臺

每次測量前：①將絕緣子模型在70 ℃下干燥至少24 h；②將絕緣子模型安裝在GIL 模型中后，用異丙醇仔細(xì)清潔絕緣子去除殘余電荷，并將密封室抽真空30 min；③用壓縮二氧化碳填充密封室后再次抽真空，重復(fù)這一步驟3 次，以清除其他氣體；④根據(jù)氣體分壓將C4F7N和CO2按一定的混合比填充到密封室中，密封室內(nèi)氣壓維持在0.1 MPa左右。

該系統(tǒng)采用開爾文探針和靜電電壓表測量絕緣子的表面電位，測量過程由四軸運(yùn)動控制器自動完成。測量前將高壓電源關(guān)閉，利用控制器控制探針沿著絕緣子的半徑方向平移，同時控制旋轉(zhuǎn)臺帶動絕緣子勻速旋轉(zhuǎn)，從而以螺旋軌跡掃描絕緣子的整個表面。旋轉(zhuǎn)方向和徑向方向的取樣步長分別為1°和1 mm，因此絕緣子表面被劃分為N＝360 ×44 個單元。探頭的輸出信號由12 位示波器直接采集和存儲。

2.3 表面電荷計算方法

由于1 個元件上測得的表面電勢實際上由被測表面上的所有電荷決定，因此，表面電勢向量φ對應(yīng)于所有表面電荷σ的效應(yīng)的線性疊加，可以表示為

式中，H為N×N的矩陣，矩陣中元素hij是點j處的單位電荷在點i處產(chǎn)生的測量電勢，V／pC。

為了得到表面電荷密度分布，需根據(jù)式（1）進(jìn)行反演計算。同時，為了消除反演計算中的不適定問題，采用Tikhonov正則化方法［11］計算表面電荷密度分布：

式中：I是單位矩陣，α是正則化參數(shù)。

3 表面電荷分布特征

3.1 CO2 中絕緣子表面電荷分布

由圖5 所示的CO2在不同持續(xù)時間的+20 kV直流電壓作用下的絕緣子表面電荷分布圖可知：表面電荷密度達(dá)μC／m2數(shù)量級，即pC／mm2。絕緣子表面既有正電荷，也有負(fù)電荷，且正電荷占主導(dǎo)地位；大多數(shù)電荷分布區(qū)域位于外部法蘭附近，并且其密度隨著時間的增加而顯著增加；施加電壓120 min后，最大電荷密度達(dá)25 pC／mm2。

圖5 CO2 中絕緣子表面電荷分布

3.2 C4F7N／CO2 混合氣體中的表面電荷分布

由圖6 所示的具有不同混合比的C4F7N／CO2混合氣體中絕緣子的表面電荷分布圖可知：正極性表面電荷仍占主導(dǎo)地位，絕緣子表面電荷密度同樣是在pC／mm2數(shù)量級；緣子表面出現(xiàn)了隨機(jī)分布的電荷斑點，尤其是圖6 中（a）組中有明顯的電荷斑，即藍(lán)色和紅色斑點。這可能是由于絕緣子表面上的黏附微?；蛭⑷毕菰斐傻?。與純CO2中的結(jié)果相比，絕緣子表面電荷的聚集程度隨混合氣體中C4F7N 的比例的增大而有所降低。當(dāng)混合氣體中C4F7N的濃度較低，即占比約為5%～15%時，C4F7N 對表面電荷的抑制效果并不顯著，在外側(cè)法蘭附近區(qū)域仍存在相當(dāng)數(shù)量的表面電荷；當(dāng)C4F7N 的含量達(dá)到20%～25%時，絕緣子表面電荷密度顯著減小。

圖6 C4F7N／CO2 混合氣體中絕緣子表面電荷分布

由圖1 已知，混合氣體中C4F7N的占比為15%～20%時，其擊穿場強(qiáng)大致與SF6相當(dāng)。因此，需對C4F7N／CO2混合氣體中和SF6中絕緣子的表面電荷分布情況進(jìn)行比較。

3.3 SF6 中絕緣子表面電荷分布

由圖7 所示的SF6中+20 kV直流電壓下絕緣子的表面電荷分布圖可知：在相同的充電條件下，純SF6中的絕緣子表面電荷密度遠(yuǎn)小于C4F7N／CO2混合氣體中的表面電荷密度，且總的電荷分布非常均勻，特別是在外側(cè)法蘭附近，正負(fù)電荷斑點幾乎消失，這一現(xiàn)象進(jìn)一步得到了證實。

圖7 SF6 中絕緣子表面電荷分布

3.4 不同氣體中絕緣子表面充電水平的比較

圖8 所示為+20 kV 充電120 min 后不同氣體中絕緣子表面的徑向平均電勢分布的平均值，反映了不同氣體中絕緣子表面的總體充電水平。由圖8 可知：在所有氣體類型中，純CO2的總表面電位最高，最大表面電位約為2 kV；在純CO2中加入少量C4F7N可以略微降低表面電位，進(jìn)一步增加C4F7N的濃度可以較顯著地降低表面電位水平，但混合氣體中的絕緣子表面電位水平仍遠(yuǎn)高于SF6，SF6中的絕緣子表面電位峰值小于0.8 kV。

圖8 絕緣子表面的徑向平均電勢分布

圖9 為+20 kV充電120 min后CO2、C4F7N／CO2、SF6這3 類氣體中絕緣子表面10 mm≤R≤45 mm 范圍內(nèi)的正負(fù)電荷密度的統(tǒng)計結(jié)果，其中5%～25%編號表示C4F7N／CO2混合氣體中C4F7N的比例。由圖9可知：純CO2、5%和10% C4F7N／CO2中的平均正電荷密度幾乎相同，約為3.0～3.2 pC／mm2；隨著C4F7N濃度的進(jìn)一步增加，平均正電荷密度顯著降低，在25%C4F7N／CO2混合氣體中，平均正電荷密度降至2.2 pC／mm2，但仍遠(yuǎn)高于SF6中的正電荷密度（1.7 pC／mm2）；隨著C4F7N含量的增加，平均負(fù)電荷密度略有降低。SF6中的絕緣子表面平均負(fù)電荷密度遠(yuǎn)低于本文所研究的C4F7N／CO2混合氣體中的平均負(fù)電荷密度。

圖9 絕緣子表面的正負(fù)電荷密度

4 結(jié)果與分析

前述結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，盡管15%～20% C4F7N／CO2混合氣體在均勻電場下的擊穿場強(qiáng)與SF6相當(dāng)，但2種氣體中的絕緣子表面電荷累計特性卻顯著不同，即15%～20% C4F7N／CO2混合氣體中絕緣子表面電荷的積聚程度明顯大于SF6中的電荷積聚程度。從圖6中的表面電荷分布特征可知，法蘭附近的正負(fù)電荷積聚程度較高，其積聚的電荷可能來源“絕緣子-法蘭-空氣”三結(jié)合點處的局部放電［12］，因為該區(qū)域的局部電場相對較高，并且法蘭和絕緣子之間可能隱藏有氣隙。導(dǎo)體表面出現(xiàn)的微缺陷或局部突出群可能會增強(qiáng)氣體側(cè)的氣體電離［13］，并導(dǎo)致絕緣子表面的電荷積聚［14］。因此，可以合理地推斷，C4F7N／CO2混合氣體和SF6中絕緣子表面的電荷積聚特性與其局部放電特性密切相關(guān)。

圖10 為采用“針-板”電極進(jìn)行局部放電試驗的平臺簡圖，利用工頻交流局部放電測量系統(tǒng)模擬測試在C4F7N／CO2混合氣體和SF6中絕緣子與法蘭表面的局部缺陷下放電特性。針和板的直徑分別為φ6 和φ60 mm，針尖部分為圓錐形，高度為10 mm，針尖的曲率半徑為0.25 mm。為了確定局部放電起始電壓，外施電壓從零逐漸增加，直到出現(xiàn)達(dá)20pC 閾值的明顯放電脈沖時，記錄此時的外施電壓為局放起始電壓。繼續(xù)升壓至20 kV，采集局放的PRPD 數(shù)據(jù)，每組PRPD 采樣時長為90 s。進(jìn)一步升壓到間隙擊穿，記錄擊穿電壓。

圖10 局部放電試驗平臺

圖11 為CO2、C4F7N／CO2、SF63 類氣體的局放起始電壓（PDIV）和擊穿電壓（UBD）測量統(tǒng)計，結(jié)果表明：純CO2的PDIV最低，僅為6.5 kV；隨著混合氣體中C4F7N 含量的進(jìn)一步增加，PDIV 相應(yīng)增加；當(dāng)C4F7N濃度高于15%時，PDIV 趨于飽和，SF6的PDIV介于C4F7N 占比20%和25%的混合氣體二者之間。擊穿電壓幾乎隨C4F7N／CO2混合氣體中C4F7N 的濃度線性增加，但25% C4F7N／CO2混合氣體的擊穿電壓仍然低于SF6，這與均勻電場下的擊穿電壓結(jié)果顯著不同。

圖11 不同氣體中針板電極的局放起始電壓和擊穿電壓

為進(jìn)一步研究不同氣體的局部放電特性，本文比較了15%～25% C4F7N／CO2混合氣體和純SF6中的PRPD譜圖，如圖12 所示。圖13 為不同放電量下的局放脈沖數(shù)目的統(tǒng)計結(jié)果，每20pC 劃分為一個區(qū)間，從圖可知，15、20 和25%的C4F7N／CO2混合氣體的放電量分布情況較為類似，而SF6放電量較低的局放脈沖數(shù)更多，放電量較高的脈沖數(shù)較少。此外，隨著C4F7N濃度的增加，C4F7N／CO2混合氣體中的局放脈沖數(shù)有所減少，這與表面電荷積聚程度的變化規(guī)律是相符的。

圖12 15%～25% C4F7N／CO2 和SF6 中的PRPD譜圖

圖13 不同放電量下的局部放電脈沖數(shù)目的統(tǒng)計分布

根據(jù)上述分析，C4F7N／CO2混合氣體和SF6中不同的局放特性應(yīng)該是其表面電荷積聚特征差異的原因。在同樣的外施電壓水平下，更多的高幅值脈沖放電會在氣體中產(chǎn)生更多的離子，這些離子漂移到絕緣子表面，導(dǎo)致絕緣子的表面電荷積聚程度更高。另一方面，根據(jù)表面電荷測量結(jié)果，在GIL 中使用C4F7N／CO2混合氣體時，應(yīng)特別注意氣固界面的絕緣強(qiáng)度，因為C4F7N／CO2混合氣體在直流應(yīng)力下的絕緣子表面電荷積聚程度可能顯著高于SF6。

5 結(jié)語

本文研究了C4F7N／CO2混合氣體和SF6中直流電壓下GIL模型絕緣子表面的電荷積聚特性，開展了混合氣體的局放和擊穿特性測試、不同氣體環(huán)境下的表面電位測量等對比實驗，結(jié)果表明：①純C4F7N 的擊穿場強(qiáng)是純SF6的2 倍多，15%～20% C4F7N／CO2混合氣體的擊穿場強(qiáng)大致與SF6相當(dāng)；②純CO2中絕緣子的表面電荷積聚程度最高，C4F7N／CO2混合氣體中的表面電荷積聚程度次之，純SF6中的電荷積聚程度最低；③不同氣體中絕緣子表面電荷積聚程度和其局放特性相關(guān)，相比于SF6，C4F7N／CO2混合氣體中高放電量的局放脈沖數(shù)目較多，因此更容易引起表面電荷的積聚。本文的結(jié)果可以為C4F7N／CO2混合氣體的應(yīng)用提供參考。