李 祎 張曉星 傅明利 肖 淞 唐 炬 田雙雙

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

0 引言

氣體絕緣輸配電設(shè)備（Gas Insulated Equipment,GIE）具有占地面積小、可靠性高、維度周期長等優(yōu)勢，在各電壓等級的輸配電系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。氣體絕緣輸配電設(shè)備主要包括氣體絕緣開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear, GIS）、氣體絕緣輸電管道（Gas Insulated Line, GIL）、氣體絕緣變壓器 （Gas Insulated Transformer, GIT）和氣體絕緣環(huán)網(wǎng)柜（Gas Insulated Cabinet, GIC）等，其內(nèi)部多充以高氣壓（0.13~0.6MPa）的六氟化硫（SF6）氣體作為絕緣或滅弧介質(zhì)[1]。然而，SF6是一種極強的溫室氣體，其溫室效應潛在值（Global Warming Potential, GWP）是CO2的23 500倍，大氣壽命長達3 200年[2]。1997年，《京都議定書》將SF6列為六大類溫室氣體之一[3]。據(jù)監(jiān)測，全球大氣環(huán)境中的SF6含量已由1994年的3.67×10-7%增加到2020年的10.41×10-7%，增長了265%，僅過去五年SF6的全球大氣環(huán)境含量增加了16.3%，由SF6引起的全球溫升達到了0.004℃，且呈現(xiàn)上升趨勢[4-5]。

目前，全球電力行業(yè)SF6的使用量占其年產(chǎn)量的80%[5]。根據(jù)2019年發(fā)布的《電力行業(yè)六氟化硫替代技術(shù)調(diào)研報告》，2018年我國僅GIS設(shè)備SF6氣體的使用量接近7 000t，相當于1.65億t CO2[6]。為限制SF6的使用和排放帶來的氣候問題，部分國家已經(jīng)出臺了一系列政策法規(guī)和征稅措施。例如，歐盟成員國中目前已有西班牙、瑞典、波蘭、丹麥、挪威、斯洛文尼亞開始針對包括SF6在內(nèi)的氫氟碳化物（Hydrofluorocarbons, HFCs）氣體征收排放稅，稅額按照每噸（等當量CO2）15~50歐元（1歐元=7.87人民幣）收取[7]；法國政府對新安裝的含氟氣體設(shè)備強制征收6.52歐元/kg的排放稅，并對每噸（等當量CO2） HFCs氣體征收30.5歐元的排放稅；另外，美國《清潔空氣法》第202（a）條款將SF6列為“對當代和后代的健康和福利造成威脅的溫室氣體”[5]。然而，世界主要國家和地區(qū)的SF6排放量仍呈增長趨勢，其中我國SF6年排放量由2000年的523t增加到了2010年的2 573t（增長了391%）。國務院《控制溫室氣體排放工作方案》明確指出要進一步加大SF6等非CO2溫室氣體控排力度。習近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會一般性辯論上提出了我國應對氣候變化新的國家自主貢獻目標和長期愿景，即“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。”綜上所述，尋找環(huán)保型氣體絕緣介質(zhì)應用于電氣設(shè)備符合綠色、低碳的發(fā)展理念，也是解決輸配電裝備制造業(yè)對強溫室氣體SF6依賴使用的根本之策。

本系列文章綜述了近五年來國內(nèi)外有關(guān)環(huán)保絕緣氣體全氟異丁腈（C4F7N）的主要研究成果，分為Ⅰ、Ⅱ兩個部分。其中，本文Ⅰ首先簡述了環(huán)保絕緣氣體的研究歷史，對比分析了近年來受關(guān)注度較高的幾類環(huán)保型氣體絕緣介質(zhì)基本特性；其次，綜述了現(xiàn)階段針對C4F7N混合氣體絕緣及滅弧性能研究進展；最后，總結(jié)了有關(guān)C4F7N混合氣體電、熱穩(wěn)定性及分解特性的最新研究成果，展望了未來針對C4F7N絕緣及電、熱分解特性的研究趨勢。

1 常見環(huán)保型氣體絕緣介質(zhì)

20世紀70年代，SF6被成功合成并作為絕緣和滅弧介質(zhì)應用于GIS設(shè)備[8]。早期針對SF6替代氣體的探索主要為解決SF6液化溫度較高的問題。1980年，通用電氣J. C. Devins等對35種潛在絕緣氣體的性能進行了測試，并結(jié)合飽和蒸氣壓特性分析了應用可行性，指出0.2MPa氣壓下應用時CF3-C≡C-CF3、C2F5Cl、C2F5CN、C4F7N的性能優(yōu)于SF6；其他氣體只有在更高設(shè)備運行溫度下才具備替代SF6的潛力，綜合來看SF6仍是最為理想的氣體絕緣介質(zhì)[9]。1997年簽署的《京都議定書》將SF6列為六大溫室氣體目錄后，國內(nèi)外學者針對環(huán)保絕緣氣體的研究逐步展開。

環(huán)保絕緣氣體根據(jù)研究對象主要分為三類：一是傳統(tǒng)氣體，包括CO2、N2及干燥空氣；二是SF6混合氣體，包括SF6-N2、SF6-CO2、SF6-CF4等；三是氟碳類強電子親和性氣體，包括HFCs、全氟化碳（Perfluorinated Compounds, PFCs）、CF3I、全氟化腈（Perfluornitriles, PFNs）、全氟化酮（Perfluorinated Ketone, PFK）等[10-11]。表1給出了目前關(guān)注度較高的環(huán)保絕緣氣體基礎(chǔ)理化參數(shù)。

表1 SF6及環(huán)保絕緣氣體的基礎(chǔ)參數(shù)Tab.1 Basic parameters of SF6 and eco-friendly gas insulating medium

傳統(tǒng)氣體在環(huán)保特性、液化溫度、安全性方面表現(xiàn)優(yōu)異，但其絕緣性能僅為SF6的30%~38%，因此常作為緩沖氣體與SF6或強電子親和性氣體混合使用。針對SF6混合氣體的研究一方面是為了解決SF6液化溫度較高無法在高寒地區(qū)使用的問題，另一方面也能夠有效減少SF6使用量。2001年，西門子公司推出了世界首條以SF6-N2混合氣體為絕緣介質(zhì)的GIL，并在瑞士日內(nèi)瓦國際機場示范運行[12]。2018年，華東首條30%SF6-70%N2混合氣體母線在安徽蕪湖220kV普慶變電站成功投運。國家電網(wǎng)公司研發(fā)的1 100kV特高壓SF6-N2混合氣體GIL樣機也在武漢特高壓交流試驗基地通過一年帶電考核[13]。隨著“雙碳”目標的提出，國家電網(wǎng)公司也決定自2021年起開展SF6混合氣體母線、隔離及接地開關(guān)試點應用，并從2023起全面推進混合氣體的使用，新建站全部采用混合氣體GIS設(shè)備，并逐步開展舊站改造，力爭2030年SF6使用達峰。然而，SF6混合氣體方案對SF6的使用量仍在30%左右，并不能從根本上解決輸配電設(shè)備對SF6的依賴及SF6使用所帶來的溫室效應問題。

隨后，性能優(yōu)異的氟碳類強電子親和性氣體被廣泛關(guān)注。針對全氟碳氣體的研究主要集中在C2F6、C3F8、c-C4F10三種，其中C2F6、C3F8由于其較高的GWP（11 100和8 900）和大氣壽命（10 000年和8 900年）并不適宜作為環(huán)保絕緣氣體應用[14]；c-C4F10的絕緣性能達到了SF6的1.27倍，但其液化溫度高達-6℃，且GWP和大氣壽命分別為8 700年和3 200年，相對SF6混合氣體這一方案并未顯現(xiàn)出優(yōu)勢；另外，c-C4F10混合氣體在放電分解時存在固體碳析出的情況，會導致氣固界面絕緣性能的降低[15-17]。CF3I的GWP僅為0.4，且絕緣性能達到了SF6的1.2倍，但CF3I被列為致癌、致突變和生殖毒性（Carcinogenic, Mutagenic and Reprotoxic, CMR）三類誘變劑，其作為氣體絕緣介質(zhì)應用存在安全隱患[18]。同時，由于CF3I分子結(jié)構(gòu)中的C-I鍵強度較弱，導致混合氣體在放電條件下會發(fā)生分解，析出碘單質(zhì)并沉積于設(shè)備內(nèi)部，引發(fā)氣體絕緣性能降低的同時造成設(shè)備嚴重腐蝕，影響設(shè)備的可靠性及使用壽命[19-21]。因此，全氟化碳和CF3I存在液化溫度高、環(huán)保性能不好、安全性差、固體析出嚴重等缺點，不能作為環(huán)保型氣體絕緣介質(zhì)獲得工程應用。

2015年起，國內(nèi)外學者將研究目光聚焦在絕緣性能遠高于SF6且環(huán)保特性優(yōu)異的全氟化酮、全氟化腈兩類物質(zhì)上。全氟化酮以C5F10O和C6F12O為代表，其絕緣性能達到了純SF6的1.4和2倍以上，且GWP僅為1[22]。由于C5F10O和C6F12O的液化溫度高達26.9℃和49℃（常溫常壓下為液態(tài)），為保證設(shè)備最低-25℃或-10℃運行溫度不液化，以CO2或干燥空氣作為緩沖氣體應用時混合氣體中C5F10O、C6F12O含量需小于8%[23]。因此，C5F10O和C6F12O在高壓氣體絕緣設(shè)備中的應用潛力弱于中低壓氣體絕緣設(shè)備。另外，部分學者及設(shè)備廠商也對HFC-1234ze（E）（液化溫度-19.2℃, GWP＜1）這一氣體開展了基礎(chǔ)絕緣性能測試，分析了其作為環(huán)保絕緣氣體應用于中、低壓設(shè)備的潛力[24-26]。

針對全氟化腈的研究主要圍繞C4F7N開展，該氣體2016年由明尼蘇達礦業(yè)及制造公司（Minnesota Mining and Manufacturing Company, 3M）推出，其GWP為2 090，大氣壽命為22年，且絕緣性能達到了SF6的兩倍以上[27]。由于C4F7N常溫常壓下的液化溫度為-4.7℃，因此仍需要與CO2、N2、O2等常規(guī)氣體混合使用以滿足設(shè)備最低運行溫度的要求[28]。其中，C4F7N含量為18%~20%的C4F7N-CO2混合氣體的絕緣性能與純SF6相當，而C4F7N含量為6%、10%的混合氣體能夠滿足-25℃、-10℃不液化（0.6MPa），且GWP值僅為462和690，相對SF6降低了97%以上[27]。綜合來看，C4F7N相對C5F10O、C6F12O在液化溫度上更具優(yōu)勢，具備應用于中、高壓氣體絕緣設(shè)備的潛力。

近年來，國內(nèi)外學者針對C4F7N混合氣體絕緣性能、滅弧特性、電熱穩(wěn)定性、分解特性、材料相容性及生物安全性等方面開展了大量的理論及試驗研究，評估了其綜合性能及應用潛力。同時，諸多電氣設(shè)備生產(chǎn)廠家也推出了以C4F7N混合氣體為絕緣介質(zhì)的環(huán)保型設(shè)備，并開展了示范運行及推廣工作。本文主要對C4F7N混合氣體的絕緣性能、滅弧性能及電、熱分解特性的研究現(xiàn)狀進行綜述。

2 C4F7N混合氣體的絕緣及滅弧性能

目前，國內(nèi)外對C4F7N及其混合氣體絕緣性能宏觀層面的研究主要圍繞其工頻及直流擊穿特性、局部放電特性、雷電沖擊特性、沿面閃絡特性等方面展開，微觀層面的研究則重點關(guān)注C4F7N及其混合氣體的電子輸運參數(shù)、臨界擊穿場強（E/N）crit等方面。

2.1 工頻及直流擊穿特性

準均勻電場絕緣耐受特性方面，通用電氣J. G.Owens等于2016年首次報道了C4F7N混合氣體的工頻擊穿特性[29]。研究發(fā)現(xiàn)，C4F7N-CO2、C4F7N-N2和C4F7N-空氣混合氣體的工頻擊穿電壓隨氣壓和C4F7N含量的增加呈增長趨勢；當C4F7N含量達到20%時，三類混合氣體的絕緣性能均接近相同條件下純SF6。針對高壓氣體絕緣設(shè)備（氣壓高于0.3MPa）應用場景，武漢大學周文俊團隊測試發(fā)現(xiàn)0.3~0.7MPa氣壓條件下C4F7N含量為5%~20%的C4F7N-N2混合氣體的工頻擊穿電壓低于相同條件下的C4F7N-CO2及C4F7N-空氣混合氣體，且多次擊穿后電極表面出現(xiàn)固體物質(zhì)析出；考慮混合氣體-15℃不液化這一條件，0.7MPa下8%C4F7N-92%CO2混合氣體、5.8% C4F7N-94.2%空氣混合氣體的絕緣強度能夠達到0.5MPa下純SF6的水平；CO2與C4F7N的協(xié)同效應優(yōu)于N2，C4F7N-CO2混合氣體相對C4F7N-N2更具應用潛力[30-31]。H. E. Nechmi等測試了3.7%C4F7N-96.3%CO2混合氣體的工頻擊穿電壓，指出0.64MPa、0.76MPa下混合氣體的絕緣性能能夠達到0.55MPa、0.65MPa下SF6的水平[32]。在中低壓設(shè)備應用方面，西安交通大學張博雅等指出0.1~0.2MPa下C4F7N含量為15%、20%的C4F7N-CO2混合氣體絕緣性能與SF6相當，臨界擊穿場強分別為85.29kV·mm-1·MPa和90.25kV·mm-1·MPa（SF6為86.3kV·mm-1·MPa）[33]。華北電力大學屠幼萍團隊對負極性直流準均勻電場條件下C4F7N-CO2混合氣體的絕緣性能開展了系統(tǒng)研究，分析了氣壓、混合比、擊穿次數(shù)對混合氣體擊穿電壓的影響情況，指出0.7MPa下C4F7N含量為4%和8%的C4F7N-CO2混合氣體的負極性直流擊穿電壓能夠達到0.5MPa下SF6的81.21%和96.48%，80次擊穿測試后發(fā)現(xiàn)混合氣體的絕緣性能未出現(xiàn)明顯下降[34-35]。A. Hopf等指出C4F7N含量為7.8%的混合氣體在0.4MPa下的直流擊穿電壓能夠達到SF6的70%[36]。整體上，C4F7N-CO2較C4F7N-N2、C4F7N-空氣混合氣體更具應用潛力。盡管C4F7N的絕緣性能達到了SF6的2倍以上，但考慮設(shè)備最低運行溫度限制下的高壓設(shè)備應用場景，C4F7N-CO2混合氣體絕緣性能仍不能達到相同條件下純SF6的水平，需要在滿足最低液化溫度C4F7N分壓的前提下進一步增加緩沖氣體以提升混合氣體的絕緣性能。對于中、低壓應用場景，混合氣體中C4F7N的含量能夠達到15%以上時，其相對SF6的絕緣性能也更為優(yōu)異，應用前景較好。

針對C4F7N混合氣體在稍不均勻電場、極不均勻電場環(huán)境下絕緣性能的評估也取得了一定進展。湖北工業(yè)大學張曉星團隊利用球電極模擬稍不均勻電場，測試了不同氣壓、混合比條件下C4F7N-CO2混合氣體的工頻擊穿特性如圖1所示。由圖1發(fā)現(xiàn)10%C4F7N-90%CO2、20%C4F7N-80%CO2混合氣體的工頻擊穿電壓能夠達到相同條件下SF6的80%和95%?？紤]液化溫度限制，C4F7N含量在4%~12%的混合氣體可應用于各類中、高壓氣體絕緣設(shè)備[37-40]。該團隊還探究了O2對C4F7N-N2、C4F7N-CO2混合氣體絕緣性能的影響情況。對于C4F7N含量為6%的C4F7N-N2混合氣體，2%~10%O2的加入能夠?qū)⒒旌蠚怏w的工頻擊穿電壓提升5%~15%，同時降低工頻擊穿電壓的分散性，提升混合氣體的絕緣自恢復性能[41-42]。另外，O2對C4F7N-CO2混合氣體絕緣性能也有一定的提升作用，15% C4F7N-79% CO2-6% O2混合氣體稍不均勻電場下的工頻擊穿電壓比15%C4F7N-85% CO2混合氣體高7.7%[43-44]。

圖1 C4F7N-CO2混合氣體的工頻擊穿特性（稍不均勻電場）[39]Fig.1 AC breakdown characteristics of C4F7N-CO2 gas mixture(slightly non-uniform electric field)[39]

極不均勻電場條件下，湖北工業(yè)大學張曉星團隊測試發(fā)現(xiàn)C4F7N含量為2%~8%的C4F7N-CO2、C4F7N-N2混合氣體的工頻擊穿特性隨氣壓、混合比呈飽和增長趨勢，但相對SF6的絕緣強度在氣壓大于0.2MPa時呈現(xiàn)下降趨勢；混合氣體在極不均勻電場（電場不均勻度4.76）下相對SF6的絕緣性能弱于稍不均勻電場[37,45]。武漢大學周文俊團隊發(fā)現(xiàn)C4F7N-CO2混合氣體的擊穿電壓在電場不均勻度增加的過程中隨氣壓出現(xiàn)了先增加后減小再增加的“N”型曲線特性。極不均勻電場下（電場不均勻度大于13.8）混合氣體相對SF6的絕緣性能在0.2MPa附近存在極小值，工程應用中應避免設(shè)備氣壓在該區(qū)間內(nèi)[46-47]。另外，中國電力科學研究院顏湘蓮等測試了C4F7N-CO2混合氣體對不均勻電場分布的敏感性，指出C4F7N含量為4%~20%的混合氣體的優(yōu)異值隨C4F7N含量的增加而增大，混合氣體對電極表面粗糙度的敏感性與SF6類似[48]。華北電力大學屠幼萍團隊測試了極不均勻電場下C4F7N-CO2混合氣體的直流擊穿特性，發(fā)現(xiàn)混合氣體的負極性直流擊穿電壓高于正極性。0.5MPa下C4F7N含量為8%的混合氣體負極性擊穿電壓高于4% C4F7N混合氣體，而正極性擊穿電壓低于4% C4F7N混合氣體，表明極不均勻電場下C4F7N-CO2混合氣體的直流擊穿特性存在明顯的極性效應[34]。華北電力大學李慶民團隊還研究了自由金屬微粒對C4F7N-CO2及SF6-N2混合氣體直流擊穿電壓的影響情況，發(fā)現(xiàn)自由金屬微粒存在時，4%C4F7N-96%CO2混合氣體的微粒放電敏感度低于30%SF6-70%N2混合氣體，且擊穿電流呈現(xiàn)雙峰特性[49]。

綜合來看，目前針對不同電場環(huán)境下C4F7N混合氣體工頻及直流擊穿特性相關(guān)研究證實了其優(yōu)異的絕緣耐受性能。現(xiàn)有的大量基礎(chǔ)絕緣特性數(shù)據(jù)能夠為后期設(shè)備設(shè)計、優(yōu)化提供重要參考。面向高壓氣體絕緣設(shè)備的應用場景，未來需要考慮提升設(shè)備運行氣壓、增大設(shè)備體積（提升絕緣閾度）、降低設(shè)計運行溫度（提升C4F7N含量）等方式以滿足相關(guān)絕緣型式試驗要求。同時，考慮C4F7N混合氣體在極不均勻電場高氣壓環(huán)境下相對絕緣性能降低的情況，后期在設(shè)備設(shè)計、制造等過程中應當注意避免引入不均勻電場環(huán)境，以免給設(shè)備運行可靠性帶來負面影響。

2.2 局部放電特性

局部放電（Partial Discharge, PD）特性是表征氣體絕緣介質(zhì)介電性能的重要參數(shù)，反映了氣體絕緣介質(zhì)在缺陷環(huán)境下的絕緣耐受能力。目前，針對C4F7N混合氣體局部放電特性的評估也取得了一定進展。

西安交通大學張博雅等測試了0.1~0.2MPa下C4F7N-CO2混合氣體的局部放電起始電壓（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）及局部放電相位分布（Phase-Resolved Partial Discharge, PRPD）特性如圖2所示。研究發(fā)現(xiàn)，20%C4F7N-80%CO2混合氣體的PDIV能夠達到SF6水平，兩種氣體單位時間的局部放電脈沖數(shù)量隨施加電壓的增加而增大，且C4F7N混合氣體呈現(xiàn)飽和增長趨勢。SF6的PD平均放電量隨施加電壓呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，而C4F7N混合氣體的PD平均放電量則隨施加電壓的增加而增加。隨著混合比的增加，C4F7N混合氣體對局部放電的抑制效果增強，這與C4F7N的強電子親和性有關(guān)[33]。

圖2 20%C4F7N-80%CO2混合氣體與SF6局部放電特性對比（0.2MPa）[33]Fig 2 Partial discharge characteristics of 20%C4F7N-80%CO2 and SF6(0.2MPa)[33]

湖北工業(yè)大學張曉星團隊分析了氣壓、混合比對C4F7N混合氣體PDIV的影響情況，發(fā)現(xiàn)C4F7N含量為2%~8%C4F7N-CO2混合氣體的PDIV隨氣壓、混合比呈線性飽和增長趨勢，0.3MPa下6%C4F7N-94%CO2混合氣體的PDIV與0.17MPa SF6相當[37]。整體上，C4F7N-N2混合氣體的PDIV隨氣壓的增長速率低于SF6，0.1MPa下12%C4F7N-88%N2混合氣體的PDIV能夠達到SF6的85%，而0.6MPa下為SF6的70%。因此，高氣壓下混合氣體的局部放電耐受特性弱于低氣壓[45]。

華北電力大學屠幼萍團隊針對直流條件下C4F7N-CO2混合氣體PDIV的測試發(fā)現(xiàn)其負極性直流下的PDIV均高于正極性；8%C4F7N-92%CO2混合氣體負極性直流下的PDIV高于4%C4F7N-96%CO2混合氣體，而正極性直流下的PDIV低于4%C4F7N-96%CO2混合氣體[35]。極不均勻電場下C4F7N-CO2混合氣體的PDIV存在“駝峰效應”，且混合氣體對負極性局部放電的抑制能力優(yōu)于SF6-N2混合氣體[50]。法國超級電網(wǎng)研究所的C. Toigo等測試并分析了C4F7N-CO2混合氣體在直流條件下的PDIV及PRPD，指出混合氣體在正極性直流下表現(xiàn)出更高的PD幅值，而SF6在負極性直流下觀察到了較高的PD幅值。另外，C4F7N-CO2混合氣體的PD重復頻率高于SF6氣體，這與緩沖氣體的含量較高有關(guān)[51]。

整體上，C4F7N混合氣體的PD特性與SF6存在差異，表現(xiàn)為絕緣性能相當?shù)幕旌蠚怏wPD放電重復率、平均放電量高于SF6；C4F7N混合氣體對負極性PD的抑制能力優(yōu)于正極性。另外，高氣壓下混合氣體相對SF6的PDIV低于低氣壓?？紤]C4F7N混合氣體中CO2等緩沖氣體的占比較高且絕緣性能較弱，因此其PD特性一定程度上與CO2具有相似性。未來，需要進一步對設(shè)備內(nèi)不同缺陷（如自由金屬微粒、絕緣子氣隙等）下C4F7N混合氣體的PD特性開展研究，以明確其與SF6的差異，進而指導設(shè)備設(shè)計制造及后期運維。另外，對于PD與分解特性之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系等也需要進一步探索。工程應用方面，則需要避免引入極不均勻電場，同時需要在運維中強化PD監(jiān)測分析。

2.3 雷電沖擊及沿面閃絡特性

針對C4F7N混合氣體雷電沖擊及沿面閃絡特性的研究也取得了一定進展。

H. E. Nechmi等測試了3.7%C4F7N-96.3%CO2混合氣體在不同電場環(huán)境下的雷電沖擊特性，指出C4F7N混合氣體U50隨氣壓的增長速率低于SF6。準均勻電場環(huán)境下氣壓為0.88MPa （液化溫度-30℃）、1.04MPa（液化溫度-25℃）的3.7%C4F7N-96.3%CO2混合氣體的雷電沖擊特性能夠達到0.55MPa和0.65MPa SF6水平，且負極性雷電沖擊下混合氣體的擊穿電壓隨氣壓增長速率大于正極性。極不均勻電場環(huán)境下（電場不均勻度大于5.56時），0.88MPa和1.04MPa下3.7%C4F7N-96.3%CO2混合氣體的負極性雷電沖擊電壓均不能達到0.55MPa和0.65MPa SF6水平[32]。另外，西電開關(guān)有限公司姜旭等測試發(fā)現(xiàn)，極不均勻電場下C4F7N混合氣體的雷電沖擊特性存在極性效應和極性反轉(zhuǎn)，負極性雷電沖擊耐受值高于正極性[52]。

西安交通大學張喬根團隊分析了電場不均勻度對C4F7N-CO2混合氣體雷電沖擊特性的影響情況，指出稍不均勻電場環(huán)境下混合氣體的雷電沖擊電壓隨混合比呈現(xiàn)飽和增長趨勢，隨氣壓呈現(xiàn)類線性增長趨勢。隨著電場不均勻度的增加，混合氣體的正、負雷電沖擊擊穿電壓均顯著降低，且正極性遠低于負極性，混合氣體對電場不均勻度表現(xiàn)出高敏感性[53-54]。北京交通大學李英楠等指出0.1~0.4MPa下10%C4F7N-90%CO2混合氣體的雷電沖擊擊穿電壓能夠達到SF6的80%[55]。

西安交通大學丁衛(wèi)東團隊測試了C4F7N-CO2混合氣體環(huán)氧樹脂絕緣子雷電沖擊下的沿面閃絡特性，指出混合氣體的沿面閃絡電壓隨氣壓和混合比呈現(xiàn)飽和增長趨勢，C4F7N含量為5%、9%、13%的混合氣體雷電沖擊沿面閃絡電壓能夠達到相同條件下SF6的70%、80%和90%[56]。另外，該團隊還測試了C4F7N-CO2混合氣體的工頻沿面閃絡特性及252kV盆式絕緣子沿面閃絡特性，指出混合氣體環(huán)境下絕緣子閃絡多發(fā)生于盆式絕緣子的凹面?zhèn)龋?.6MPa下9%C4F7N-91%CO2混合氣體的沿面閃絡電壓能夠達到0.5MPa純SF6的水平[57-58]。

現(xiàn)階段，針對真型GIS、GIL設(shè)備下的C4F7N混合氣體雷電沖擊、操作沖擊特性研究較少。從設(shè)備研發(fā)的角度，絕緣難點往往集中在沖擊耐受特性，未來需要基于實驗室和真型設(shè)備的測試結(jié)果對氣體組成、運行氣壓、設(shè)備結(jié)構(gòu)等進行優(yōu)化調(diào)整，以滿足相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。

2.4 電子輸運參數(shù)及臨界擊穿場強

對氣體絕緣介質(zhì)電子輸運參數(shù)及臨界擊穿場強的研究能夠從微觀層面評估氣體絕緣特性，揭示氣體絕緣耐受機理。目前，針對電子輸運參數(shù)的獲取方法主要有穩(wěn)態(tài)湯遜法和暫態(tài)湯遜法兩種，其中穩(wěn)態(tài)湯遜法能夠獲取電離、附著速率，暫態(tài)湯遜法則可以進一步揭示電子漂移速度、電子擴散系數(shù)、離子轉(zhuǎn)化速率等參量，能更為全面地反映氣體放電的微觀過程。

H. E. Nechmi等基于穩(wěn)態(tài)湯遜法研究了C4F7NCO2混合氣體的有效電離系數(shù)及臨界擊穿場強，發(fā)現(xiàn)C4F7N-CO2混合氣體的電子附著系數(shù)及臨界擊穿場強隨C4F7N含量的增加而增大，C4F7N含量為6.7%、20%的混合氣體臨界擊穿約化場強能夠達到SF6的77%和100%[59]。武漢大學周文俊團隊也基于穩(wěn)態(tài)湯遜法對C4F7N-N2混合氣體的電離系數(shù)及臨界擊穿場強進行了測試，指出C4F7N含量8%、20%的C4F7N-N2混合氣體的臨界擊穿場強達到了305.93Td和407.43Td，分別為SF6的85%和115%[60]。西北工業(yè)大學趙虎等基于安托萬方程（Antoine Equation）計算了C4F7N-CO2混合氣體的飽和蒸氣壓特性，并分析了混合氣體的臨界擊穿場強及應用潛力[61-62]。

蘇黎世聯(lián)邦理工大學C. M. Franck等利用脈沖湯遜裝置（暫態(tài)湯遜法）測試了C4F7N、C4F7N-CO2、C4F7N-N2混合氣體的電離、附著系數(shù)、總電子附著截面及臨界擊穿場強，指出C4F7N與N2、CO2之間均存在協(xié)同效應，18.5%C4F7N-81.5%CO2混合氣體的臨界擊穿場強與SF6相當?；旌蠚怏w的有效電離系數(shù)隨E/N的降低迅速降低，這與C4F7N的強電子附著能力有關(guān)[63]。該團隊在后續(xù)研究中發(fā)現(xiàn)離子動力學過程在C4F7N電離過程中扮演著重要角色，指出C4F7N放電過程中存在三種重要的負離子參與，并提出了表征C4F7N電離、附著等過程的動力學模型。另外，研究發(fā)現(xiàn)極不均勻電場高電場強度下C4F7N放電過程中陰離子組成會發(fā)生變化，電子附著過程也將更強烈地影響放電過程，導致混合氣體在極不均勻電場環(huán)境下的相對絕緣性能降低[64]。

目前針對C4F7N混合氣體臨界擊穿場強的計算多基于電子動力學和電子崩空間發(fā)展模型，未來需要進一步考慮離子動力學過程及電子崩時-空變化的影響，進一步完善絕緣強度的分析。另外，基于穩(wěn)態(tài)湯遜法和暫態(tài)湯遜法獲取的C4F7N混合氣體電離、附著等參數(shù)能夠揭示低氣壓環(huán)境下混合氣體的放電特性，而高氣壓、長間隙下混合氣體的流注放電過程與低氣壓存在差異。高氣壓下由于空間電荷的參與、陰極效應減弱、光電離等復雜電離模式的出現(xiàn)等因素影響，對C4F7N混合氣體放電過程中所存在的復雜的微觀物理化學過程還需要更深層次的研究與探討。

綜合來看，現(xiàn)階段國內(nèi)外針對C4F7N混合氣體絕緣性能的研究從交、直流擊穿特性、局部放電特性、雷電沖擊特性、沿面閃絡特性等多個維度均證實了其較為優(yōu)異的絕緣性能。工程應用方面，通過對氣壓、混合比、設(shè)備結(jié)構(gòu)等參數(shù)進行合理的選擇及優(yōu)化，C4F7N含量為6%~15%的C4F7N-CO2混合氣體具備應用于各類中、高壓氣體絕緣輸配電設(shè)備的潛力。

2.5 滅弧性能

目前，各類開關(guān)設(shè)備如斷路器、負荷開關(guān)中主要以SF6為滅弧介質(zhì)，這與其優(yōu)異的電子親和性和復原特性密切相關(guān)。同時，針對環(huán)保型氣體C4F7N電弧開斷性能的研究也取得了一定進展。

2016年，Y. Kieffel等將4%C4F7N-96%CO2混合氣體充入額定電壓為420kV的SF6隔離開關(guān)內(nèi)（0.55MPa），并開展了1 000次C/O測試（1 600A，20V），4%C4F7N-96%CO2混合氣體與SF6C/O操作燃弧時間對比如圖3所示。試驗發(fā)現(xiàn)C4F7N混合氣體的電弧放電時間在100次操作中較為穩(wěn)定，平均電弧放電時間約為12ms （SF6的典型值為15ms），且電弧觸點的電磨損與SF6相似[65]。西安交通大學王小華團隊測試了0.8MPa和0.6MPa下C4F7N分壓為20kPa的C4F7N-CO2混合氣體電流開斷性能，發(fā)現(xiàn)0.8MPa下混合氣體能夠成功開斷約2 000A電流，達到了SF6的69.9%[66]。

圖3 4%C4F7N-96%CO2混合氣體與SF6C/O操作燃弧時間對比（420kV 隔離開關(guān)）[65]Fig 3 Arcing time versus C/O operation number on a 420kV disconnector for 4%C4F7N-96%CO2 mixture and SF6[65]

B. Lutz等基于IEC62271—102標準測試了0.65MPa下5%C4F7N-95%CO2混合氣體的開斷性能（測試平臺為245kV GIS設(shè)備），指出混合氣體能夠?qū)崿F(xiàn)帶有隔離開關(guān)的母線傳輸電流（Bus Transfer Current, BTC）開斷，開斷時間在2~8ms之間。但對試驗后混合氣體的工頻擊穿及雷電閃絡電壓測試發(fā)現(xiàn)其耐受性能下降了20%以上，同時GIS內(nèi)絕緣子表面出現(xiàn)大量固體物質(zhì)析出，5%C4F7N-95%CO2氣體BTC試驗后絕緣子上的表面閃絡和煙塵斑點軌跡如圖4所示。另外，試驗后混合氣體中C4F7N的含量下降至3.6%，即C4F7N在開斷過程中被消耗[67]。

圖4 5%C4F7N-95%CO2氣體BTC試驗后絕緣子上的表面閃絡和煙塵斑點軌跡[67]Fig.4 Tracks of surface flashover and soot spots on an insulator after BTC tests for 5%C4F7N-95%CO2[67]

為解決C4F7N-CO2混合氣體開斷過程中出現(xiàn)的固體析出問題，部分學者提出可以通過加入少量O2作為以抑制混合氣體中C4F7N的分解和碳析出。B.Radisavljevic等測試了9.5%C4F7N-9.5%O2- 81%CO2混合氣體的開斷性能，發(fā)現(xiàn)混合氣體的di/dt為9A/μs，與92%CO2-8%O2混合氣體相同。另外，試驗結(jié)束后氣室內(nèi)氣壓增加了150kPa（溫升效應影響約為40kPa），這與C4F7N發(fā)生分解產(chǎn)生多種組分有關(guān)[68]。V. Hermosillo等在145kV GIS和高壓罐式斷路器中充入0.8MPa的C4F7N-CO2-O2混合氣體并測試了開斷性能，研究發(fā)現(xiàn)混合氣體能夠成功開斷出線故障（Terminal fault, TF）、近區(qū)故障（Short-Line Fault,SLF）所產(chǎn)生的63kA短路電流，且斷路器設(shè)計壽命內(nèi)的耐電性可以達到450kA2?s[69]。

需要指出的是，由于C4F7N相對分子質(zhì)量大且分子結(jié)構(gòu)較為復雜，其作為滅弧介質(zhì)使用時性能與純SF6存在較大差異。另外，高能電弧瞬態(tài)能量會導致C4F7N在開斷中被持續(xù)分解消耗，大量解離的粒子無法完全復合為C4F7N，產(chǎn)生諸多絕緣性能較低的小分子產(chǎn)物的同時也會引發(fā)固體碳氟分解物析出，因此針對C4F7N混合氣體作為滅弧介質(zhì)的應用研究還需要深入探索，未來需要重點關(guān)注滅弧場景下的氣體組分的最優(yōu)配方、氣體分解物和固體析出物抑制方案等，同時需要對斷路器結(jié)構(gòu)、觸頭材料、輔助滅弧手段等進行優(yōu)化或改進，以滿足相關(guān)技術(shù)標準及使用壽命要求。

3 C4F7N混合氣體的電、熱分解特性

優(yōu)良的氣體絕緣介質(zhì)不僅需要絕緣或滅弧特性優(yōu)異，也應具備良好的電、熱穩(wěn)定性，以保障設(shè)備長達數(shù)十年的運行服役周期或檢修周期內(nèi)氣體絕緣介質(zhì)組成不會發(fā)生大的變化，設(shè)備絕緣水平、運行穩(wěn)定性及可靠性能夠滿足要求。因此，對環(huán)保絕緣氣體電、熱穩(wěn)定性及分解特性的考察是評估其應用可行性的重要組成部分。

3.1 C4F7N混合氣體放電分解特性

氣體絕緣介質(zhì)在強電磁環(huán)境下的放電分解主要由碰撞電離、光電離和熱電離等因素引發(fā)，電離過程將產(chǎn)生諸多帶電或中性粒子。同時，帶電粒子或中性粒子間將發(fā)生復合反應，形成各類分解組分，部分粒子也可能逃逸或擴散到非放電區(qū)域（如氣室壁等），不再參與放電過程。因此，氣體絕緣介質(zhì)放電穩(wěn)定性及分解過程與放電過程中的電離、復合及擴散等過程密切相關(guān)。

目前針對C4F7N混合氣體放電分解特性的研究也取得了一定進展。局部放電分解方面，ABB公司P. Simka等利用針-板電極作為局部放電源并基于氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS）、傅里葉紅外光譜儀（Fourier Transform-Infrared Spectroscopy, FTIR）分 析 了4%C4F7N-96%CO2混合氣體（0.1MPa）長期局部放電下（23天）的分解產(chǎn)物，發(fā)現(xiàn)混合氣體PD分解產(chǎn)生了CF4、C2F6、C3F8、C3F6、CO、COF2、C2F4O、CF3H、CF3CN、C2F5CN、C4F6、C4F10、2-C4F8等[70]。中國科學院電工技術(shù)研究所張國強團隊基于針-板電極模型測試了C4F7N與CO2、N2、空氣三類緩沖氣體構(gòu)成的二元混合氣體的PD分解特性，指出混合氣體分解主要產(chǎn)生了CO、CO2、CF4、C2F6、C2F4、C3F8、C3F6、C4F10、CF3CN、C2N2和C2F5CN等產(chǎn)物，且C4F7N-CO2混合氣體分解產(chǎn)生CO的含量高于C4F7N-N2及空氣[71-72]；C4F7N-空氣混合氣體PD放電分解還產(chǎn)生了CF3CF=CFCF3、CF3C≡CCF、C2F6O3和CF3H等產(chǎn)物，產(chǎn)物中全氟化碳和CF3CN的生成量隨PD施加電壓的增加而持續(xù)增大，隨C4F7N含量增加呈飽和增長趨勢[73]。該團隊還探究了微量水分對C4F7N-N2混合氣體PD分解特性的影響情況，發(fā)現(xiàn)分解產(chǎn)物中CO2的含量最高，CF4次之；隨著氣室內(nèi)微量水分的增加，CO2的生成量呈飽和增長趨勢，而CF4、C2F6、C3F8、C3F6的含量則呈先降低后增加趨勢。另外，PD放電后電極表面出現(xiàn)了淡黃色固體析出，主要元素組成包括C、N、F等[74]。華北電力大學屠幼萍團隊構(gòu)建了懸浮電位PD模型并探究了C4F7N-CO2混合氣體的PD分解特性，指出CF4、C2F6、C3F8、CF3CN是主要生成物，且CF4、C3F8的生成量隨PD持續(xù)時間呈非線性增長趨勢[75]。

另外，湖北工業(yè)大學張曉星團隊利用針板電極模擬金屬突出物缺陷對15%C4F7N-85%CO2混合氣體開展了96h局部放電分解試驗，檢測到了CO、CF4、C2F6、CF3CN、C2N2、C3F8、C3F6、C2F5CN、COF2等特征分解產(chǎn)物，其中CO、CF4、C2F6、CF3CN、C2N2的含量較高，同時試驗后板電極中心外圍區(qū)域出現(xiàn)了明顯的顏色變化，中心區(qū)域呈灰金色且外圍為環(huán)狀紅褐色區(qū)域，15%C4F7N-85%CO2氣體96h PD試驗后板電極形貌及元素分布如圖5所示。這一現(xiàn)象表明局部放電條件下C4F7N-CO2混合氣體解離產(chǎn)生的部分產(chǎn)物/粒子對板電極構(gòu)成了腐蝕，產(chǎn)生大量片狀類晶體物質(zhì)且片與片之間存在明顯裂痕，腐蝕區(qū)域表面銅元素分布不再均勻，部分區(qū)域Cu的含量明顯降低（見圖5c Cu-EDS 暗光區(qū)域）而F的含量明顯較高（見圖5d F-EDS高光區(qū)域），表明腐蝕析出物主要為氟化物。

圖5 15%C4F7N-85%CO2氣體96h PD試驗后板電極形貌及元素分布Fig.5 Electrode morphology and element distribution of the plate electrode after 96h PD test with 15%C4F7N-85%CO2

工頻擊穿（火花放電）分解特性方面，西安交通大學李興文團隊測試了C4F7N-CO2混合氣體在2000次工頻擊穿過程中的分解情況，檢測到了CO、CF4、C2F4、C2F6、C3F6、C3F8、C4F6、C4F10、CF3CN、C2N2、C2F5CN、HCN、C2F3CN和HF等產(chǎn)物，指出混合氣體的絕緣性能在多次擊穿后有所降低；四種可定量分析的產(chǎn)物中，CO、CF4、C2F6和C3F6的含量隨擊穿次數(shù)呈近似線性增長趨勢，其中2 000次擊穿后CO含量最高（0.42%），CF4、C2F6、C3F8次之。另外，試驗后氣室及電極表面出現(xiàn)黃色固體析出，主要元素組成為Cu、F、N、Si[76-77]。湖北工業(yè)大學張曉星團隊測試發(fā)現(xiàn)C4F7N-N2混合氣體工頻擊穿后產(chǎn)生的CF4、C2F6和CF3CN等小分子產(chǎn)物含量較高[78]。西門子公司J.Wiener等指出C4F7N-N2混合氣體在擊穿測試后在電極表面析出黃褐色固體物質(zhì)，而C4F7N-CO2混合氣體未出現(xiàn)固體物質(zhì)析出[79]。另外，湖北工業(yè)大學張曉星團隊針對O2對C4F7NN2、C4F7N-CO2混合氣體放電分解特性的研究發(fā)現(xiàn)，4%~6%O2的加入能夠多次放電后電極表面固體物質(zhì)析出（C4F7N-N2效果更為明顯），同時特征分解產(chǎn)物CF4、C2N2、CF3CN的含量相對二元混合氣體有所減少，但COF2的含量有所增加[41-42,44]。

電弧放電分解方面，ABB公司B. Radisavljevic等對9.5%C4F7N-9.5%O2-81%CO2混合氣體的電弧開斷特性（0.5MPa）及分解情況進行了測試，指出C4F7N混合氣體燃弧過程會引發(fā)氣室氣壓增加30%，這與C4F7N的分解有關(guān)。另外，混合氣體電弧放電分解主要產(chǎn)生了CO、CF4、C2F4、C2F6、C3F6、C3F8、CF3CN、C2F5CN和C2N2等產(chǎn)物，C4F7N在電弧放電分解產(chǎn)生的粒子并不能復原[68]。通用電氣F.Meyer等基于145kV GIS樣機開展了6%C4F7N-4.9%O2-89.1%CO2混合氣體開斷試驗，指出試驗后C4F7N含量降低了0.48%；各類分解產(chǎn)物中CO含量最高（1.91%），CF4、C2F6、C3F8的總含量為0.22%，COF2、CF3CN含量分別為0.012 %、0.017%，其他組分的含量均在0.004%以下[80]。

整體而言，目前針對C4F7N混合氣體放電分解特性的試驗研究表明C4F7N在電子碰撞電離主導的局部放電以及碰撞電離、高溫熱電離共同主導的火花、電弧放電條件下均會發(fā)生分解，產(chǎn)生CO、全氟化碳、氟化腈、COF2等諸多小分子分解產(chǎn)物，且C4F7N在放電分解后并不能完全復原。另外，高能放電下C4F7N-N2相對于C4F7N-CO2混合氣體更易析出固體物質(zhì)，O2的加入能夠在一定程度上抑制固體析出物及部分氣體分解產(chǎn)物的生成，提升混合氣體應用的可靠性。同時，考慮到各類型放電引發(fā)的C4F7N分解隨放電次數(shù)、強度等呈線性增長趨勢，即混合氣體中的C4F7N處于不斷被消耗的狀態(tài)，因此工程應用中需要關(guān)注混合氣體中C4F7N的含量，以避免C4F7N持續(xù)消耗引發(fā)的絕緣劣化給設(shè)備運行可靠性帶來的影響。未來，需要進一步構(gòu)建放電能量與分解產(chǎn)物間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，同時探索放電分解產(chǎn)物的抑制方案，進一步提升混合氣體的放電穩(wěn)定性。

3.2 C4F7N混合氣體局部過熱分解特性

針對C4F7N及其混合氣體熱穩(wěn)定性的研究主要考察其熱分解溫度、產(chǎn)物類型及含量等。

2016年，通用電氣Y. Kieffel等采用管式爐對C4F7N-CO2混合氣體的熱穩(wěn)定行進行了測試，發(fā)現(xiàn)熱分解起始溫度約為650℃，880℃時混合氣體中的C4F7N完全分解。CO是650℃時最先檢測到的分解產(chǎn)物，且在775℃以上溫度下大量產(chǎn)生；700℃時開始產(chǎn)生了C2F6、HF，而COF2、CF3CN、C2F5CN三類分解產(chǎn)物在800℃以上溫度下被檢測到。另外，在120℃下對C4F7N開展了200天的長期熱老化試驗也證實了其熱穩(wěn)定性良好，C4F7N及C4F7N-CO2混合氣體的熱穩(wěn)定與熱分解特性測試結(jié)果如圖6所示[27]。需要指出的是，Y. Kieffel等試驗采用流動通氣方案且C4F7N含量約為0.05%，并基于FTIR實時檢測不同溫度下的分解產(chǎn)物，與實際設(shè)備運行工況下的混合比、氣壓等存在較大差異。

圖6 C4F7N及C4F7N-CO2混合氣體的熱穩(wěn)定與熱分解特性測試結(jié)果[27]Fig 6 Thermal stability and thermal decomposition test results of C4F7N and C4F7N-CO2 gas mixture[27]

西安交通大學李興文團隊也基于管式爐平臺對10%C4F7N-90%CO2混合氣體的熱穩(wěn)定性進行了測試，發(fā)現(xiàn)混合氣體的起始熱分解溫度為500℃，主要產(chǎn)生了CF3CN、C3F6、C2F5CN和C4F10四類分解產(chǎn)物，當溫度繼續(xù)升高到700℃時，CO、C2F4、C2F6、C3F8、C2N2等產(chǎn)物被檢測到[81]。

湖北工業(yè)大學張曉星團隊模擬局部過熱性故障，研究了不同溫度、氣壓下C4F7N混合氣體的熱穩(wěn)定性及分解情況，發(fā)現(xiàn)C4F7N-CO2混合氣體的局部過熱（350~550℃）分解組分主要有C3F6、CO、CF3CN、C2N2、COF2、CF4和C3F8，而在試驗溫度區(qū)間內(nèi)未檢測到C2F5CN、C2F6?；旌蠚怏w在350℃分解率先產(chǎn)生C3F6，450℃以上時C3F6、C2N2的含量隨溫度增加開始降低，而CF4、C3F8則在550℃時開始大量生成；C4F7N在550℃時開始大量分解。另外，C4F7NCO2混合氣體各類分解產(chǎn)物的生成量隨氣壓的增加而降低，且大多數(shù)產(chǎn)物含量在0.3MPa時快速下降并趨于穩(wěn)定，這與C4F7N解離反應的速率常數(shù)隨氣壓的增長小于線性有關(guān)[82]。另外，中國科學院電工技術(shù)研究所張國強團隊對10%C4F7N-90%CO2混合氣體的熱分解特性測試發(fā)現(xiàn)700℃下試驗6h后，氣室內(nèi)壁有黃褐色固體物質(zhì)析出，主要成分為FeF2和FeF3[83]。

整體上，現(xiàn)有的研究證實了C4F7N-CO2混合氣體的熱分解起始溫度高于350℃且高氣壓條件下C4F7N的熱分解被抑制?？紤]設(shè)備正常運行時其內(nèi)部溫度一般不會超過120℃，C4F7N混合氣體具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性。未來，需要進一步探索微量雜質(zhì)、O2等對C4F7N混合氣體熱穩(wěn)定性和分解特性的影響情況，同時針對電、熱聯(lián)合作用下混合氣體的穩(wěn)定性還有待進一步研究。

3.3 C4F7N混合氣體電、熱分解機理

目前，針對氣體絕緣介質(zhì)放電分解機理的研究主要采用化學動力學模型，包括局部熱力學平衡態(tài)化學動力學模型及非平衡態(tài)化學動力學模型兩類。其中，局部熱力學平衡態(tài)計算基于吉布斯自由能最小化方法，結(jié)合粒子的速度分布函數(shù)、化學計量守恒、準電中性條件等求解粒子組分、統(tǒng)計熱力學參數(shù)和輸運系數(shù)，通常用于揭示電弧放電等離子體的組分及物性參數(shù)[84]。需要指出的是，由于電弧自由衰減階段電弧放電等離子體內(nèi)部粒子數(shù)降低，電子能量無法通過彈性碰撞有效傳遞給各類重粒子，使得體系中電子溫度高于重粒子，電弧等離子體偏離熱力學平衡態(tài)；同時，由于電弧熄滅過程中溫度迅速衰減，各類粒子組成的變化時間小于化學反應的平衡時間，即體系偏離化學平衡態(tài)，因此局部熱力學平衡化學動力學模型不能較好地揭示低溫電弧等離子體組分[85]。對于非平衡態(tài)化學動力學模型的求解，需要以化學反應及其反應速率為基礎(chǔ)，結(jié)合化學動力學計算方法，求解氣體絕緣介質(zhì)在不同溫度下的組分構(gòu)成，該方法在研究SF6氣體的放電分解機理中得到了廣泛應用[86-87]。由于C4F7N的分子結(jié)構(gòu)較為復雜，且針對其分解反應路徑微觀參數(shù)的相關(guān)試驗較為缺乏，因此在開展化學動力學分析前需要全面、系統(tǒng)地構(gòu)建C4F7N混合氣體的分解路徑，并計算獲取各反應路徑的熱力學參數(shù)（包括焓值、活化能等），以揭示其分解機理并為化學動力學模型提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。近年來，基于密度泛函理論（Density Functional Theory, DFT）的量子化學方法憑借計算精度高、參數(shù)廣泛等優(yōu)勢為求解以C4F7N為代表的環(huán)保絕緣氣體分解反應參數(shù)提供了新的思路。

湖北工業(yè)大學張曉星團隊計算了C4F7N的鍵級（Mayer Bond Orders, MBO），發(fā)現(xiàn)C4F7N分子中CF3基團的C-F鍵MBO值在0.981~1.003之間，高于分子中心碳原子的C-F鍵（0.964）。中心C原子與CN基團C原子形成的C-C鍵MBO為0.917，而與CF3基團中的C原子形成的C-C鍵MBO僅為0.78，是所有化學鍵中鍵級最小的。C4F7N分子的MBO鍵極如圖7所示。綜合來看，C4F7N分子中心C原子與CF3基團中的C原子之間的化學鍵強度最低，在電子碰撞、高溫等條件下可能最先發(fā)生解離。另外，C4F7N分子的親電區(qū)域集中在碳原子附近，而F原子和CN基團則為分子的電離位點[88]。

圖7 C4F7N分子的MBO鍵極Fig.7 Mayer bond orders of C4F7N molecule

基于C4F7N分子結(jié)構(gòu)特性，湖北工業(yè)大學張曉星團隊[89]，西安交通大學榮命哲、王小華、李興文團隊[76,90-91]，華北電力大學屠幼萍團隊[75]，中國電科院電工技術(shù)研究所張國強團隊[71-72]，西安理工大學付鈺偉[92-94]，武漢大學王寶山[95]等逐步全面、系統(tǒng)地構(gòu)建了各類條件下C4F7N的分解路徑及產(chǎn)物生成路徑，并基于DFT和計算了各路徑的焓值、自由能等熱力學參數(shù)，研究發(fā)現(xiàn)C4F7N分解產(chǎn)生CF3和C3F4N這一路徑的焓值是所有解離路徑中最低的（見圖8）。C4F7N解離產(chǎn)生的CF3、C3F7、CF2、F、CN等粒子更傾向于復合形成CF4、C2F6、C3F8、CF3CN、C2F5CN等小分子產(chǎn)物。另外，基于過渡態(tài)理論（Transition State Theory, TST）進一步對C4F7N混合氣體的分解、復合路徑活化能、反應速率等開展了大量研究，豐富和完善了C4F7N混合氣體的分解機理，為基于化學動力學模型的組分計算及物性參數(shù)分析提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐（相關(guān)參數(shù)可從文獻[87-93]中獲取）。

圖8 C4F7N解離各路徑焓值Fig.8 Enthalpy of C4F7N dissociation paths

化學動力學模型計算方面，西安交通大學榮命哲團隊利用局部熱力學平衡態(tài)化學動力學模型計算了C4F7N及C4F7N-CO2混合氣體在3 000~30 000K溫度區(qū)間內(nèi)的粒子組分及輸運系數(shù)（熱導率、電導率、黏性系數(shù)、擴散系數(shù)）[96]。西安交通大學李興文團隊考慮局部熱力學平衡及非化學平衡動力學模型分析了C4F7N放電分解的組分，指出局部熱力學平衡下C4F7N在600K時開始分解，700K時分解量達到50%且C2F3N這一組分的含量達到峰值；考慮非化學平衡態(tài)的計算結(jié)果顯示當電弧溫度低于1 000K時，反應能壘在決定組分構(gòu)成中起著重要作用[90]。東南大學仲琳琳等分析了緩沖氣體對C4F7N放電組分的影響，指出C4F7N-CO2混合氣體相對C4F7N-N2具有更為優(yōu)異的絕緣復原特性[97]。日本名古屋大學Y. Yokomizu等分析了C4F7N-CO2-O2混合氣體的300~20 000K溫度區(qū)間內(nèi)平衡態(tài)組分組成，并重點討論了放電過程中固體產(chǎn)物的析出機理[98]。

另外，湖北工業(yè)大學張曉星團隊提出了基于反應分子動力學模擬（ReaxFF Molecular dynamics,ReaxFF-MD）探究C4F7N等氣體絕緣介質(zhì)熱分解機理的新方法[88,99-101]。基于ReaxFF模擬獲取的C4F7N熱分解粒子產(chǎn)生過程（T=1 900K）如圖9所示。研究發(fā)現(xiàn)C4F7N-CO2混合氣體熱分解主要產(chǎn)生CF3、CF2、CF、CN、F、CNF、C3F7、C3NF4、C4NF6、CF4和C3F8等粒子，其中CF3的生成量是所有產(chǎn)物中最高的，CN、CF2、CF、CNF和F的生成量相近，C3F7、C3NF4和C4NF6的生成量較低；隨著溫度的升高，C4F7N的分解量、分解速率及產(chǎn)物粒子的生成量、生成速率均呈增加趨勢（圖9）[88]。

圖9 基于ReaxFF-MD模擬獲取的C4F7N熱分解粒子產(chǎn)生過程（T=1 900K）Fig.9 Thermal decomposition particle generation process obtained based on ReaxFF-MD（T=1 900K）

整體上，目前針對以C4F7N混合氣體為代表的環(huán)保絕緣氣體分解機理研究方法較為全面，通過密度泛函理論、過渡態(tài)理論結(jié)合反應分子動力學、化學平衡態(tài)模型能夠揭示氣體絕緣介質(zhì)的電、熱分解機理，包括反應路徑熱力學參數(shù)、輸運系數(shù)等。由于現(xiàn)有的計算多基于中性粒子，對電子、離子等參與下的分解路徑熱力學參數(shù)等還需要進一步豐富完善。同時，針對微量雜質(zhì)存在時的分解機理也有待進一步探索。另外，由于化學動力學模型多用于分析電弧放電分解過程的微觀粒子組分，針對火花放電、局部放電分解機理的研究還需要考慮電弧等離子體區(qū)和絕緣氣體區(qū)之間的離子飄移、擴散、復合等過程的影響，聯(lián)合數(shù)值模型和化學動力學模型進一步揭示其放電分解機理。

4 結(jié)論

本文綜述了近年來關(guān)注度較高的環(huán)保絕緣氣體C4F7N的絕緣性能、滅弧性能及電、熱分解特性研究現(xiàn)狀，分析了其應用于各類中、高壓氣體絕緣輸配電設(shè)備的可行性?；谙嚓P(guān)研究進展，針對環(huán)保絕緣氣體C4F7N基礎(chǔ)絕緣及分解特性做出如下展望：

1） 絕緣性能方面，目前針對C4F7N混合氣體工頻/直流擊穿、局部放電、沿面閃絡、雷電沖擊等特性的測試均證實了其優(yōu)異的絕緣性能，其中CO2相較于N2、空氣更適合作為緩沖氣體。C4F7N含量為6%~15%的C4F7N-CO2混合氣體具備應用于中、高壓氣體絕緣輸配電設(shè)備的潛力；受限于最低運行溫度（-25℃），高壓設(shè)備應用場景下混合氣體無法達到純SF6的絕緣水平，需要進一步增加緩沖氣體含量并提高設(shè)備運行氣壓以提升絕緣性能。未來需要進一步考慮設(shè)備絕緣結(jié)構(gòu)、氣壓及制造成本，開展真型設(shè)備中的絕緣性能測試及評估，確保其應用性能達標。理論層面，還需要進一步全面獲取氣體基礎(chǔ)放電參數(shù)如碰撞截面、電子輸運參數(shù)等，結(jié)合考慮離子動力學等過程評估其基礎(chǔ)絕緣性能和絕緣劣化機制。

2）滅弧性能方面，現(xiàn)有的研究證實了C4F7N-CO2混合氣體具有開斷母線傳輸電流（負荷電流）的潛力，但存在開斷后氣體絕緣性能下降明顯、固體物質(zhì)析出嚴重等問題，這與C4F7N分子結(jié)構(gòu)復雜、復原特性較差等密切相關(guān)。未來，需要進一步優(yōu)化C4F7N混合氣體作為開斷介質(zhì)的配方，同時對斷路器斷口結(jié)構(gòu)、輔助熄弧手段、斷路器絕緣材料等進行優(yōu)化，以提升開斷成功率和使用壽命，減少或抑制C4F7N氣體分解和固體產(chǎn)物析出，實現(xiàn)其滅弧場景的可靠應用。

3）熱穩(wěn)定性及分解特性方面，現(xiàn)有的研究證實C4F7N-CO2混合氣體具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，初始熱分解溫度高于350℃且高氣壓下（0.3MPa以上）混合氣體的熱穩(wěn)定性顯著優(yōu)于低氣壓（0.15MPa）條件。未來，需要進一步厘清微量雜質(zhì)、氧氣等對C4F7NCO2混合氣體的熱穩(wěn)定性及分解特性的影響情況，同時開展電、熱聯(lián)合作用下的分解特性研究，考察實際工況下混合氣體的熱穩(wěn)定性。

4）放電分解特性方面，現(xiàn)有的研究厘清了C4F7N-CO2混合氣體在火花、PD放電、電弧放電等條件下的放電分解產(chǎn)物類型及相對含量，發(fā)現(xiàn)混合氣體放電分解主要產(chǎn)生了CO、CF4、C2F6、CF3CN、C2N2、C3F8、C3F6、C2F5CN、COF2等特征分解產(chǎn)物，其中CO、CF4、C2F6、CF3CN、C2N2等小分子產(chǎn)物含量較高。但針對不同氣壓、PD強度、微量雜質(zhì)等因素下的放電分解特性研究尚缺，同時由于部分含CN基團分解產(chǎn)物缺乏標準氣體，產(chǎn)物定量存在一定難題。未來，需要重點關(guān)注PD及火花放電下C4F7N的分解特性，尤其是固體析出問題及C4F7N分解對氣固界面絕緣產(chǎn)生的影響。理論方面，需要構(gòu)建考慮電子、離子等參與下的C4F7N混合氣體解離體系，結(jié)合化學動力學模型、數(shù)值仿真等方法揭示不同放電類型下C4F7N分解及產(chǎn)物生成過程中的粒子變化規(guī)律、固體產(chǎn)物析出機理等。