不均勻電場下CF3SO2F混合氣體的工頻擊穿特性

胡世卓， 周文俊， 羅 赟， 黃宇婧， 邱 睿

（1.南寧職業(yè)技術學院 智能制造學院，廣西 南寧 530008；2.武漢大學 電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072）

0 引 言

SF6具有良好的絕緣、滅弧特性，在氣體絕緣電氣設備中得到了大規(guī)模應用。但SF6的全球變暖潛能值（global warming potential，GWP）為24 600[1]，是已知GWP 值最高的氣體。為踐行綠色低碳發(fā)展和助力實現“雙碳”目標，亟需研發(fā)新環(huán)保絕緣氣體[2-4]，逐步減少使用、取代電氣設備中的SF6，直至實現SF6零應用。

三氟甲基磺酰氟（CF3SO2F）是具有應用前景的潛在SF6替代氣體，國內外學者對CF3SO2F及其混合氣體的特性已開展了部分研究。早在1980年代，就有少量關于CF3SO2F氣體介電性能試驗研究和液化溫度的報道。A W BAUER 等[5]和R E WOOTON等[6]的研究結果顯示，CF3SO2F 的絕緣強度是SF6的1.41～1.49 倍，而且在CCl2中添加相同含量的CF3SO2F 和CF3NO2時，CF3SO2F 抑制碳元素生成的效果更好[7]。YU X J 等[8]建立了單一氣體的絕緣強度構效關系模型，通過雜化方法設計了一系列絕緣強度高于或與SF6相當且液化溫度和GWP 均較低的分子結構，提出沸點為-22℃、GWP 預測值為3 678的CF3SO2F具備應用潛力。WANG Y等[9]在實驗室合成了CF3SO2F 氣體并開展了工頻擊穿試驗，研究發(fā)現純CF3SO2F氣體在均勻電場下的工頻擊穿電壓為SF6的1.38 倍。ZHANG L 等[10]對CF3SO2F 氣體進行4 h急性吸入毒性測試，結果表明CF3SO2F的半致死濃度（LC50）值為3 400～4 000 mg/m3，屬低毒氣體，在暴露程度較高的場合需要使用自吸過濾式全面罩防毒面具，但CF3SO2F占比小于68%時，其與N2、CO2等的混合氣體屬無毒氣體[11]。LONG Y X等[12]通過穩(wěn)態(tài)湯遜實驗獲得了CF3SO2F 的放電參數，結果表明CF3SO2F的臨界擊穿場強約為SF6的1.6倍。HU S Z 等[13]在稍不均勻電場下研究了CF3SO2F 混合氣體的工頻擊穿特性，指出40%CF3SO2F/60%N2和45%CF3SO2F/55%CO2混合氣體的工頻擊穿電壓與SF6相當，CF3SO2F/N2混合氣體的協(xié)同效應更顯著。鄭宇等[14]采用穩(wěn)態(tài)湯遜法分別測量了CF3SO2F 占比為10%、20%、30%、40%、100%CF3SO2F/N2混合氣體的有效電離系數，研究發(fā)現40%CF3SO2F/60%N2混合氣體的臨界約化場強約為SF6的1.01 倍。除低氣壓下的電離特性外，他們還研究了CF3SO2F/N2混合氣體分別與3A、4A、5A、13X 分子篩和活性氧化鋁等5 種常用吸附劑的相容性，結果表明CF3SO2F/N2混合氣體與上述5 種吸附劑不發(fā)生化學反應、不產生吸附，相容性良好[15]。萬旭昊等[16]研究了CF3SO2F 與銅、氧化銅、氧化鋁和環(huán)氧樹脂等常見電工設備表面的氣固相容特性，計算模擬和實驗結果顯示，CF3SO2F 氣體與金屬鋁表面的相容性較差，與其他電工設備表面的相容性良好。

綜上所述，研究人員從不同方面評估了CF3SO2F 及其混合氣體的特性，取得了不少成果。但目前仍未有CF3SO2F混合氣體在極不均勻電場下擊穿特性的報道，而電力設備在制造、運輸、安裝以及運行過程中，難以避免尖端、毛刺和導電微粒等的產生，此時局部電場將發(fā)生畸變，形成極不均勻電場。新型CF3SO2F混合氣體在缺陷條件下是否會造成絕緣水平的大幅下降，需要通過試驗進一步確認。因此本文用尖-板電極模擬電氣設備中可能出現的局部電場集中的場景，研究CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合氣體在極不均勻電場下的工頻擊穿特性，并與稍不均勻電場下的放電特性進行對比，研究結果可為CF3SO2F 混合氣體的工程配置與應用提供參考。

1 氣體間隙工頻擊穿試驗研究平臺與方法

1.1 工頻擊穿試驗平臺

氣體間隙工頻擊穿試驗回路如圖1所示。其中無局放試驗變壓器額定容量為10 kVA，額定輸入電壓為220 V，最高輸出電壓為100 kV，保護電阻為50 kΩ，C1、C2分壓比為1 000∶1。

圖1 工頻擊穿試驗回路圖Fig.1 Power frequency breakdown test circuit

試驗腔體如圖2所示。腔體設計最高充氣壓力為0.5 MPa。采用螺旋測微儀進行電極間距調節(jié)，調節(jié)精度為±0.01 mm。高、低壓電極均為非固定結構，可拆卸更換。試驗電極材料為鎢銅合金，所用尖電極和球電極尺寸參數如圖3所示。電場不均勻度由有限元仿真獲得，當尖-板電極間距分別為5 mm、10 mm 時，電場不均勻度f分別為11.2、18.4，屬極不均勻電場；當球-球電極間距分別為2.5、5、7.5、10 mm 時，電場不均勻度f分別為1.21、1.30、1.36、1.46，屬稍不均勻電場。

圖2 試驗腔體示意圖Fig.2 Schematic diagram of test chamber

圖3 尖電極和球電極尺寸參數Fig.3 Size parameters of needle and sphere electrode

1.2 試驗預處理與試驗方法

試驗前準備及充配氣和靜置：采用5 000 目砂紙對電極表面進行處理，打磨完成后，用無水酒精對電極進行擦拭、清潔，然后將電極安裝到腔體上，同時避免對電極及腔體造成二次污染。試驗腔體、電極置于無塵、干燥環(huán)境下自然風干后，進行正、負壓氣密性檢查驗證。對氣密性合格的放電腔體進行3 次洗氣處理，然后采用道爾頓分壓定律配置CF3SO2F 混合氣體，為了確保任一比例混合氣體都混合均勻，充配氣完成后靜置3 h。

試驗方法與流程：氣體間隙的工頻擊穿試驗按照GB/T 16927.1—2011“附錄A.1.3 第三類 連續(xù)放電試驗”方法[17]開展。采用快速升壓法進行5 次擊穿試驗，取5 組有效數據的算術平均值作為工頻擊穿電壓（本試驗獲得的擊穿電壓值均為有效值）。為確保氣隙擊穿后絕緣強度得到充分恢復，兩次擊穿間隔5 min。

2 試驗結果與分析

2.1 稍不均勻電場下CF3SO2F 混合氣體的工頻擊穿特性

2.1.1 氣壓的影響

稍不均勻電場下CF3SO2F/N2、CF3SO2F/CO2混合氣體及SF6的工頻擊穿電壓與氣壓的關系如圖4所示，其中k為CF3SO2F 在混合氣體中的占比。從圖4可以看出，CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合氣體的工頻擊穿電壓均隨氣壓增大呈線性增大，CF3SO2F/N2混合氣體工頻擊穿電壓的上升率高于CF3SO2F/CO2混 合氣體。在0.10～0.40 MPa 范圍內，向N2中加入5%的CF3SO2F 后，混合氣體的工頻擊穿電壓相對于N2的提升量為42%～70%，相對于CO2的提升量為39%～69%。相比于CF3SO2F/CO2混合氣體，CF3SO2F/N2各比例混合氣體的工頻擊穿電壓曲線較“密集”，差異較小，即在較低的CF3SO2F占比下也可以獲得較高的絕緣強度，相同CF3SO2F占比下CF3SO2F/N2混合氣體的絕緣強度優(yōu)于CF3SO2F/CO2混合氣體。

圖4 球-球電極下CF3SO2F混合氣體工頻擊穿電壓與氣壓的關系Fig.4 Relationship between power frequency breakdown voltage and pressure of CF3SO2F mixtures under sphere-sphere electrode

2.1.2 間距的影響

0.1 MPa 下CF3SO2F/N2、CF3SO2F/CO2混合氣體及SF6的擊穿電壓與間距的關系如圖5所示。

圖5 球-球電極下CF3SO2F混合氣體工頻擊穿電壓與電極間距的關系Fig.5 Relationship between power frequency breakdown voltage and electrode spacing of CF3SO2F mixtures under sphere-sphere electrode

從圖5 可以看出，CF3SO2F/N2、CF3SO2F/CO2混合氣體和SF6的工頻擊穿電壓隨間距增大均出現了微弱的飽和現象，即擊穿電壓偏離了巴申曲線。CF3SO2F 占比越高，則CF3SO2F 混合氣體的擊穿電壓飽和趨勢越明顯。若要求絕緣強度與SF6相當，則CF3SO2F/N2混合氣體中CF3SO2F的占比在30%～40%；對于CF3SO2F/CO2混合氣體，CF3SO2F 占比則需要提高到40%左右。

2.2 極不均勻電場下CF3SO2F 混合氣體的工頻擊穿特性

2.2.1 氣壓的影響

CF3SO2F 的占比分別為30%、50%時CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合氣體及SF6在尖-板電極下的工頻擊穿電壓與氣壓的關系如圖6 所示。從圖6 可以看出，隨氣壓升高，CF3SO2F/N2、CF3SO2F/CO2混合氣體及SF6在極不均勻電場下的工頻擊穿電壓都呈現出“上升-下降-上升”的變化規(guī)律，因類似單駝峰，被稱為“駝峰”曲線。早在1983 年，就已經有學者發(fā)現了SF6的雷電沖擊放電電壓呈“駝峰”現象，并歸因于空間電荷的穩(wěn)定化作用[18]。

圖6 尖-板電極下CF3SO2F混合氣體工頻擊穿電壓與氣壓的關系Fig.6 Relationship between power frequency breakdown voltage and pressure of CF3SO2F mixtures under needle-plate electrode

CF3SO2F/N2混合氣體的“駝峰”曲線極大值對應的氣壓范圍在0.25～0.35 MPa；CF3SO2F/CO2混合氣體的極大值對應的氣壓范圍稍寬，為0.20～0.35 MPa；而SF6的極大值對應的氣壓范圍為0.20～0.25 MPa。CF3SO2F 混合氣體的極小值在0.40 MPa 及以上；SF6的極小值在0.35～0.40 MPa。

對于CF3SO2F 混合氣體，當CF3SO2F 占比增加時，“駝峰”峰值呈左移趨勢。在“駝峰”曲線極值點的左側區(qū)域，CF3SO2F 占比越大則絕緣強度越高，符合一般規(guī)律；但在“駝峰”曲線極值點右側，因不同比例CF3SO2F混合氣體極大值點對應的氣壓不完全相同，這一現象可能發(fā)生反轉，即CF3SO2F占比低反而擊穿電壓更高，表明試驗條件的變化會顯著影響氣體的擊穿特性。

由圖4 可知，在稍不均勻電場中，CF3SO2F 占比為50%的混合氣體絕緣強度已與SF6相當或者優(yōu)于SF6。但圖6 中極不均勻電場下的試驗結果顯示，在0.1～0.3 MPa范圍內，50%CF3SO2F混合氣體的擊穿電壓與SF6有較大差距，即電場不均勻度增大時，CF3SO2F混合氣體擊穿電壓的下降幅度大于SF6。

此外，在試驗時發(fā)現，因極不均勻電場下氣體間隙的擊穿電壓存在“駝峰”特性，為獲得較為準確的擊穿電壓曲線，應增加在極大值、極小值附近的試驗氣壓點數，不宜繼續(xù)采用較大間隔的等距氣壓點進行試驗。

2.2.2 間距和混合比例的影響

圖7 對比了不同間距和混合比例下CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合氣體的工頻擊穿電壓“駝峰”特性。從圖7 可以看出，當間隙距離從5 mm 增大到10 mm 時，CF3SO2F 混合氣體和SF6的“駝峰”區(qū)域面積均增大，且SF6的變化范圍較為明顯。此外，隨間距增大，CF3SO2F混合氣體和SF6的“駝峰”峰值也呈現出左移趨勢。當CF3SO2F在混合氣體中的占比由30%增加至50%時，“駝峰”峰值左側對CF3SO2F 混合氣體絕緣強度的提升效果大于“駝峰”峰值右側。

圖7 尖-板電極下間距和混合比例對CF3SO2F混合氣體工頻擊穿電壓的影響Fig.7 Influence of electrode spacing and mixing ratios on the power frequency breakdown voltage of CF3SO2F mixtures under needle-plate electrode

當氣壓大于0.3 MPa（“駝峰”峰值右側）且間距為5 mm 時，CF3SO2F 混合氣體的工頻擊穿電壓與SF6相當；間距為10 mm 時，CF3SO2F 混合氣體的工頻擊穿電壓均大于SF6。表明電場不均勻度增加時，較高氣壓下的CF3SO2F 混合氣體具有較好的絕緣性能。

2.2.3 間距和緩沖氣體類型的影響

進一步分析緩沖氣體類型對CF3SO2F混合氣體工頻擊穿特性的影響，結果如圖8 所示。從圖8 可以看出，在相同的混合比例和間距下，CF3SO2F/N2混合氣體的工頻擊穿電壓“駝峰”峰值及其對應氣壓均大于CF3SO2F/CO2混合氣體。在0.1～0.2 MPa 范圍內，不同CF3SO2F 占比下的混合氣體工頻擊穿電壓基本一致；隨氣壓繼續(xù)增大，CF3SO2F/CO2混合氣體先達到“駝峰”峰值，然后擊穿電壓開始下降并低于CF3SO2F/N2混合氣體；當氣壓繼續(xù)上升，CF3SO2F/N2混合氣體的擊穿電壓達到峰值點后開始下降；當氣壓大于CF3SO2F/CO2混合氣體擊穿電壓極小值點對應的氣壓后，CF3SO2F/CO2混合氣體的工頻擊穿電壓曲線率先上拐，并有可能大于CF3SO2F/N2混合氣體的工頻擊穿電壓。但CF3SO2F/N2的工頻擊穿電壓曲線積分大于CF3SO2F/CO2，可認為CF3SO2F/N2混合氣體的工頻絕緣表現總體優(yōu)于CF3SO2F/CO2混合氣體。

圖8 尖-板電極下間距和緩沖氣體類型對CF3SO2F混合氣體工頻擊穿電壓的影響Fig.8 Influence of electrode spacing and buffer gas on the power frequency breakdown voltage of CF3SO2F mixtures under needle-plate electrode

2.3 與SF6的對比

2.3.1 稍不均勻電場下相對SF6的絕緣強度

在球-球電極下，CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合氣體的工頻擊穿電壓與SF6的工頻擊穿電壓之比稱為相對于SF6的絕緣強度，如圖9 所示。從圖9 可以看出，50%CF3SO2F 混合氣體的絕緣強度優(yōu)于相同壓力下的SF6。在0.1～0.4 MPa 范圍內，CF3SO2F占比為5%～50%的CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合氣體相對于SF6的絕緣強度隨氣壓變化時波動不大，表明CF3SO2F 混合氣體隨氣壓變化的工頻擊穿特 性 與SF6相 似。CF3SO2F 占 比 為30%、50% 的CF3SO2F/N2混合氣體相對于SF6的絕緣強度平均值分別為0.89 和1.06，而CF3SO2F 占比為30%、50%的CF3SO2F/CO2混合氣體相對于SF6的絕緣強度平均值分別為0.84和1.03。表明CF3SO2F/N2混合氣體的工頻擊穿電壓高于CF3SO2F/CO2混合氣體，為優(yōu)選混合氣體。

圖9 球-球電極下CF3SO2F混合氣體相對SF6的絕緣強度Fig.9 Dielectric strength of CF3SO2F mixtures relative to SF6 under sphere-sphere electrode

2.3.2 極不均勻電場下相對SF6的絕緣強度

在尖-板電極下，CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合氣體相對于SF6的絕緣強度如圖10所示。從圖10可以看出，在0.1～0.3 MPa 范圍內，兩種CF3SO2F 混合氣體相對于SF6的絕緣強度均低于稍不均勻電場。但當氣壓大于0.3 MPa 時，30%、50% 的CF3SO2F/N2混合氣體的絕緣強度已與SF6相當或超過SF6，最高可達1.47 倍；相同占比下CF3SO2F/CO2混合氣體的絕緣強度則在SF6的80%及以上。

圖10 尖-板電極下CF3SO2F混合氣體相對SF6的絕緣強度Fig.10 Dielectric strength of CF3SO2F mixtures relative to SF6 under needle-plate electrode

當相對SF6絕緣強度曲線取得極大值時，認為對應的氣壓為CF3SO2F 混合氣體的優(yōu)化氣壓值。CF3SO2F 占比為30%、50%的CF3SO2F/N2混合氣體優(yōu)化氣壓值分別約為0.3 MPa 和0.35 MPa，在該氣壓下，無論是在稍不均勻電場還是極不均勻電場下（電場不均勻度f變化范圍為1.21～18.4），CF3SO2F/N2混合氣體相對于SF6的絕緣強度較高且相對穩(wěn)定。當氣壓大于0.3 MPa時，CF3SO2F占比為30%及以上的CF3SO2F/N2混合氣體絕緣強度在SF6的89%以上。

2.3.3 相對SF6的電場敏感性

為定量比較CF3SO2F 與SF6對電場不均勻度變化時的敏感程度，定義混合氣體相對SF6的電場敏感度Sr為式（1）。

式（1）中，Ers、Ere分別為稍不均勻、極不均勻電場下相對于SF6的絕緣強度。當Sr=0 時，表示混合氣體的電場敏感度與SF6相同；當Sr＞0 時，表示混合氣體對電場的敏感度高于SF6，且Sr值越大，相對敏感程度越高；當Sr＜0 時，表示混合氣體的電場敏感度低于SF6。

假設稍不均勻電場下，間隙距離在2.5～10 mm范圍內時，CF3SO2F混合氣體相對于SF6的絕緣強度基本不變，則CF3SO2F混合氣體相對SF6的電場敏感性Sr與氣壓的關系如圖11所示。從圖11可以看出，在0.1～0.3 MPa 范圍內，CF3SO2F 混合氣體相對于SF6表現出較高的電場敏感性，擊穿電壓受電場畸變影響下降的幅度較大。其原因可能是CF3SO2F是強電負性氣體，吸附截面大于SF6[13]，相同的尖電極表面場強下產生的穩(wěn)定化電暈半徑小于SF6，對尖電極附近畸變電場的均勻化作用較弱，導致CF3SO2F混合氣體的擊穿電壓較低。在0.35 MPa 附近CF3SO2F 混合氣體相對SF6的電場敏感度Sr最小，這是由于此時SF6在該氣壓下的擊穿電壓為“駝峰”極小值，放電形式可能已由流注轉化為先導，而CF3SO2F 混合氣體仍處于“駝峰”區(qū)間，為流注放電范疇[19]。

圖11 CF3SO2F混合氣體相對SF6的電場敏感度Sr與氣壓的關系Fig.11 Relationship between electric field sensitivity relative to SF6 Sr and pressure of CF3SO2F mixtures

2.4 電場不均勻度對CF3SO2F 混合氣體工頻擊穿特性的影響

0.1 MPa 下，電場不均勻度為1.46～18.4 時，CF3SO2F混合氣體的平均擊穿電壓變化情況如圖12所示。從圖12 可以看出，隨電場不均勻度的增加，CF3SO2F 混合氣體的平均擊穿電壓出現了飽和下降趨勢。該特性與文獻[20]中類似，在達到“臨界電場不均勻度”后，混合氣體相對SF6的擊穿電壓不再隨電場不均勻度的增加而降低，趨于穩(wěn)定。具體為：當電場不均勻度由1.46 增大到11.2 時，CF3SO2F 占比為30%、50%的CF3SO2F/N2混合氣體平均擊穿電壓下降程度分別為38%和34%，CF3SO2F 占比為30%、50%的CF3SO2F/CO2混合氣體平均擊穿電壓下降程度分別為32%和33%，稍好于CF3SO2F/N2混合氣體；由于空間電荷對尖電極附近電場的畸變作用，當電場不均勻度大于11.2 后，平均擊穿電壓基本不變。

圖12 CF3SO2F混合氣體擊穿電壓與電場不均勻度的關系Fig.12 Relationship between breakdown strength and electric field non-uniformity of CF3SO2F mixtures

2.5 CF3SO2F混合氣體的液化溫度-氣壓曲線

一個標準大氣壓下，CF3SO2F 的液化溫度為-22℃。基于Clausius-Claperyron 方程與Trouton 規(guī)則，混合氣體的液化溫度可以由式（2）估算[21]。

式（2）中：TMb為混合氣體的液化溫度，單位為K；k為CF3SO2F的占比；pv是氣體的蒸氣壓，單位為MPa；Tb是氣體的沸點（或液化溫度），單位為K；R是理想氣體常數，其值為8.314 J·mol-1·K-1；X代表Trouton 常數，通常為85～88 J·K，本文取X=85 J·K。CF3SO2F及其混合氣體的液化溫度-氣壓曲線計算結果如圖13 所示。從圖13 可以看出，在相同壓力下，隨著CF3SO2F 含量的增加，混合氣體液化溫度增長幅度變緩。在典型限制溫度-10℃下（參考GB 50545—2010[22]的要求），氣壓為0.3 MPa 時CF3SO2F 混合氣體中的CF3SO2F 占比可提升至50%，結合2.3 節(jié)，該比例下的CF3SO2F/N2混合氣體的絕緣強度優(yōu)于SF6。

圖13 CF3SO2F及其混合氣體的液化溫度-氣壓曲線Fig.13 Liquefaction temperature-pressure curve of CF3SO2F and its mixtures

3 結 論

（1）在球-球電極構成的稍不均勻電場下，CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合氣體的工頻擊穿電壓均隨氣壓增大呈線性變化，CF3SO2F/N2混合氣體的工頻擊穿電壓高于CF3SO2F/CO2混合氣體。CF3SO2F 占比分別為5%、10%、15%、20%、30%、40%、50%的CF3SO2F/N2混合氣體相對于SF6的絕緣強 度 分 別 約 為0.66、0.73、0.77、0.82、0.89、0.98、1.06倍。

（2）在尖-板電極構成的極不均勻電場下，CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合氣體的工頻擊穿電壓均隨氣壓增大呈“駝峰”曲線。CF3SO2F/N2混合氣體的“駝峰”曲線極大值對應的氣壓范圍在0.25～0.35 MPa，優(yōu)化氣壓值為0.30～0.35 MPa。

（3）綜合稍不均勻和極不均勻電場下的工頻擊穿特性，0.30 MPa 及以上的新環(huán)保絕緣混合氣體CF3SO2F/N2具有較大的應用潛力。