辛昭昭 姜 旭 霍 鵬

（1. 西安高壓電器研究院有限責任公司 西安 710077 2. 西安西電開關電氣有限公司 西安 710077）

0 引言

六氟化硫（Sulphur Hexafluoride, SF6）氣體具有優(yōu)秀的絕緣和滅弧性能，一直以來都是高壓電器產(chǎn)品最主要的絕緣與滅弧介質(zhì)。但是相關報告顯示，SF6氣體的全球變暖指數(shù)（Global Warming Potential, GWP）是CO2的23 900倍，且SF6的化學性質(zhì)極為穩(wěn)定，基本不會自然分解，大量SF6氣體釋放于大氣中勢必會對環(huán)境產(chǎn)生破壞性影響，這一問題已經(jīng)引起廣泛關注[1]。隨著溫室效應的加劇和各國對環(huán)保要求的提高，越來越多的研究者開展了SF6替代氣體的探索與研究工作。但是這一研究工作并不順利[2-4]，相關潛在替代氣體如c-C4F8、CF4等，絕緣和滅弧性能較好但溫室效應指數(shù)依然偏高；而溫室效應低的氣體，如CO2、N2等，往往絕緣和滅弧性能較差[5]。這些氣體都未能在高壓電器中獲得較好的應用。

近幾年，由美國3M公司研發(fā)的3MTMNovecTM4710（全氟異丁腈C4F7N）氣體，其溫室效應系數(shù)較低（GWP值為2100），絕緣能力強大（約為SF6的2倍），因而成為研究熱點，其具有較好的工程應用前景[6-9]。由于該氣體的液化溫度相對較高（一個大氣壓下，-4.7℃），需與緩沖氣體混合后才能應用，目前普遍采用滅弧性能相對較好的CO2氣體作為緩沖氣體[10-12]?；旌虾髿怏w絕緣性能需要更多詳細的研究來明確，且從應用角度，需與典型產(chǎn)品結構相結合[13-18]。

本文中為研究C4F7N/CO2混合氣體絕緣特性及其與典型斷口結構下電場的匹配關系，結合72.5kV開關產(chǎn)品隔離斷口、同軸電極兩種結構進行了樣機設計，開展了相應的實驗研究與仿真分析，并對C4F7N/CO2混合氣體的工程應用進行了討論。

1 針對典型斷口結構的實驗樣機設計

1.1 實驗樣機整體結構

實驗樣機主要由實驗腔體、直動密封裝置、手動操動機構、高壓出線套管、底架等組成，如圖1所示。實驗腔體配有觀察窗，端部設有充放氣自封閥和壓力表，滿足實驗中觀察和充放氣需要。實驗腔體內(nèi)安裝電極結構，可靈活更換及調(diào)整電極距離。

圖1 實驗樣機模型Fig.1 Experimental prototype model

基于以上樣機模型，本文首先針對樣機整體進行了電場計算，對除腔體內(nèi)電極結構以外的樣機本體中電氣結構薄弱點進行了優(yōu)化設計。計算參考額定電壓72.5kV設備絕緣水平，以雷電沖擊耐受電壓通用值325kV作為計算輸入，計算獲得的實驗裝置整體電場強度云圖如圖2所示。計算顯示存在多處電場強度集中的位置，高壓套管導體表面最大電場強度約為16.9kV/mm，轉(zhuǎn)換接頭下端電場強度最大約20.5 kV/mm。樣機本體電場強度薄弱點示意如圖3所示，對兩處薄弱點，尤其是轉(zhuǎn)換接頭下端進行了重點優(yōu)化，使電場強度控制在17.0kV/mm以下，避免了該處誤放電的風險。

圖2 實驗模型整體電場強度云圖Fig.2 The overall electric field intensity diagram of the experimental model

圖3 樣機本體電場強度薄弱點示意圖Fig.3 Schematic diagram of the weak point of the electric field of the prototype

針對初步實驗中發(fā)現(xiàn)的腔體端部盆式絕緣子與外殼三交區(qū)位置放電的情況，如圖4所示，通過殼體處理使該處電場強度最大值由29.0kV/mm降至22.5kV/mm，未再觀察到放電情況。

圖4 絕緣盆子與外殼三交區(qū)局部電場優(yōu)化Fig.4 Local electric field optimization in the threeintersection area of the insulating basin and the shell

1.2 隔離斷口結構

在樣機結構整體合理的基礎上，實驗腔體內(nèi)配裝隔離斷口電極，如圖5所示，高壓電極固定于絕緣盆子嵌件并向外連接，接地電極可通過操動機構左右平直移動，從而調(diào)整實驗開距。電極結構的設計應保證實驗中擊穿發(fā)生在高壓電極和接地電極間，

圖5 隔離斷口電極結構示意圖Fig.5 Schematic diagram of the disconnecting contact electrode structure

不得出現(xiàn)高壓電極對殼體或其他部件放電的情況。電場計算顯示，本實驗裝置斷口開距最大應控制在20mm以下，如圖6為最大開距下的斷口電場云圖。

圖6 最大開距下的斷口電場云圖Fig.6 The electric field distribution of the clearance under the maximum opening distance

1.3 同軸電極結構

實驗腔體內(nèi)配裝同軸電極結構如圖7所示。高壓電極支座與絕緣盆子嵌件相連，在高壓電極支座上安裝高壓電極圓棒、在地電極法蘭上安裝地電極圓筒。通過電場計算保證實驗間隙下圓棒表面始終是最大電場強度位置，計算優(yōu)化了高壓電極圓棒與接地后端蓋距離，地電極端部彎邊圓弧大小、地電極距離高壓電極支座距離，以及地電極安裝方式等。本實驗裝置中最大設計間隙為25mm，圖8所示為最大同軸間隙下的電場分布云圖，符合設計要求。

圖7 同軸電極結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of coaxial electrode structure

圖8 最大同軸間隙25mm時電場分布云圖Fig.8 Electric field distribution diagram when the maximum coaxial gap is 25mm

2 氣體絕緣特性實驗

2.1 實驗準備

結合已準備的實驗樣機，搭建了C4F7N/CO2混合氣體實驗研究平臺，如圖9所示。其中C4F7N氣體由美國3M公司提供，緩沖氣體選用純度大于99.999%的工業(yè)用高純CO2，實驗在西安高壓電器研究院進行。試驗前，利用已多次校驗的“新型絕緣氣體配氣灌充裝置”進行不同比例C4F7N、CO2氣體的混配和充氣；試驗后，通過回收裝置進行廢氣回收。在采用SF6氣體進行對比研究前后，進行充分地洗氣和抽真空。實驗在兩種電極結構下進行，以C4F7N/CO2混合氣體作為主要的研究氣體，并對比純SF6氣體，研究了雷電沖擊電壓下，不同充氣壓力、不同斷口開距等對氣體絕緣性能的影響。實驗利用沖擊電壓發(fā)生器產(chǎn)生標準雷電沖擊電壓波形，并通過升降壓法獲得典型斷口或間隙下的50%擊穿電壓值。

圖9 C4F7N/CO2混合氣體實驗研究平臺Fig.9 C4F7N/CO2 mixed gas experimental research platform

2.2 隔離斷口結構下實驗結果

根據(jù)應用實際，本文重點研究表壓0.4MPa和0.5MPa下的氣體絕緣性能。實驗中調(diào)整電極開距為分別為2mm、4mm、6mm和8mm。實驗顯示：

（1）在隔離斷口電極結構下，對于SF6氣體及C4F7N/CO2混合氣體，皆為負極性沖擊電壓下的50%擊穿電壓值低于正極性沖擊電壓下的值。

（2）在負極性電壓下，表壓0.4MPa時，對比純SF6氣體和C4F7N/CO2混合氣體（C4占比20%）的50%擊穿電壓與開距的關系，如圖10所示。隨著開距的增大，C4F7N/CO2混合氣體絕緣性能與純SF6氣體相比差距有增大的趨勢。在8mm開距下，C4F7N/CO2混合氣體50%擊穿電壓為246kV，純SF6氣體為296kV，認為該條件下，C4F7N/CO2混合氣體絕緣強度為純SF6氣體的83.1%。

圖10 50%擊穿電壓與開距的關系（0.4MPa）Fig.10 The relationship between 50% breakdown voltage and distance (0.4MPa)

（3）表壓0.5MPa時，對比純SF6氣體和C4F7N/CO2混合氣體（C4占比16.7%）的50%擊穿電壓與開距的關系，如圖11所示。當開距8mm時，C4F7N/CO2混合氣體的50%擊穿電壓為301.6kV，純SF6氣體為345.9kV，認為該條件下，C4F7N/CO2混合氣體絕緣強度為純SF6氣體的87%。

圖11 50%擊穿電壓與開距的關系（0.5MPa）Fig.11 The relationship between 50% breakdown voltage and open distance (0.5MPa)

（4）C4F7N/CO2兩種氣壓配比下的50%擊穿電壓與SF6的比較，如圖12所示。以8mm開距為例，當氣壓由0.4MPa提高到0.5MPa時，C4F7N/CO2混合氣體的50%擊穿電壓由246kV提高至301.6 kV，增大了55.6kV，超過0.4MPa下純SF6氣體296kV的絕緣水平。同樣地，為達到表壓0.4MPa、6mm開距下純SF6氣體的絕緣水平（50%擊穿電壓為235.5kV），C4F7N/CO2混合氣體的壓力可增大到0.5MPa（50%擊穿電壓為239.2kV），或斷口距離增大到約8mm（50%擊穿電壓為246kV）。

圖12 C4F7N/CO2兩種氣壓配比下的50%擊穿電壓與SF6的比較Fig.12 The comparison of 50% breakdown voltage between C4F7N/CO2 at two gas pressure ratios and SF6

2.3 同軸電極結構下實驗結果

采用10mm同軸間隙，分別充入C4F7N/CO2混合氣體及純SF6氣體進行雷電沖擊電壓下的實驗研究，實驗結果見表1。實驗表明：

表1 同軸電極結構下雷電沖擊實驗結果Tab.1 Lightning impact test results under the coaxial electrode structure

（1）兩種氣體的負極性電壓下的50%擊穿電壓值更低。

（2）10mm同軸間隙及負極性電壓下，氣體壓力0.4MPa的20%C4F7N+80%CO2混合氣體的50%擊穿電壓為228.5kV；達到同氣壓純SF6氣體50%擊穿電壓264.0 kV的86.6%。

（3）10mm同軸間隙及負極性電壓下，氣體壓力0.5MPa的16.7% C4F7N+83.3%CO2混合氣體的50%擊穿電壓為244.8kV；達到同氣壓純SF6氣體50%擊穿電壓303.8 kV的80.6%。

雖然特定壓力下C4F7N/CO2混合氣體的絕緣強度與純SF6氣體還有差距，但是已經(jīng)達到SF6的80%以上，這一結果對于開關設備中應用C4F7N/CO2混合氣體時的絕緣結構設計具有指導意義。

3 仿真分析

3.1 隔離斷口結構下的電場仿真分析

隔離斷口電場計算測點的分布如圖13所示，測點1、3為高壓電極上的兩處電場強度集中點，測點2、4為接地電極上的電場強度集中點，測點5為殼體上的監(jiān)測點。顯然，同為接地的測點2、4處電場強度值應始終大于測點5處的值，因此，裝置在實驗中存在最大電極距離的限制。

圖13 隔離斷口電場計算測點圖分布Fig.13 Measurement point diagram of the disconnecting contact for the electric field calculation

以雷電沖擊電壓通用值325kV作為計算輸入，對開距在8~25mm之間變化時的電場強度進行計算，各測點電場強度值的變化情況如圖14所示?？梢钥吹剑孩傩￠_距時測點1和2處的電場強度更大，顯示擊穿更容易發(fā)生在測點1和2之間；②隨著開距增大，測點1和2的值幾乎等比例下降，測點4有相同趨勢；③測點3的值隨開距增大有“上翹”的趨勢，開距20mm時測點3的值等于測點2的值；

圖14 各測點電場強度值隨開距的變化趨勢Fig.14 The electric field value of each measuring point changes with the distance

開距8mm時的電場分布云圖如圖15所示，以雷電沖擊電壓325kV為計算輸入時，對應的最大電場強度位于高壓電極上的測點1，電場強度值為50.6kV/mm。以實驗獲得的表壓0.4MPa時，8mm開距下的C4F7N/CO2混合氣體50%擊穿電壓246kV為計算輸入，對應的電場強度最大值為38.3kV/mm，以這一值作為該條件下的50%擊穿電場強度E50%。同樣地，以實驗獲得的0.5MPa時，8mm開距下的混合氣體50%擊穿電壓306.1kV為計算輸入，可獲得該條件下的50%擊穿電場強度E50%為47.6 kV/mm。

圖15 開距8mm時的電場分布云圖Fig.15 Electric field distribution diagram when the opening distance is 8mm

3.2 同軸電極結構下的電場仿真分析

同軸電極結構下的電場強度最大值出現(xiàn)在同軸電極間隙平行段的高壓圓棒表面。以雷電沖擊電壓325kV為計算輸入，間隙10mm時，電場分布云圖如圖16所示，電場強度最大值約為38.2kV/mm；間隙20mm時，電場強度最大值為23.5kV/mm；間隙25mm時，電場強度最大值為17.8 kV/mm。

圖 16 同軸間隙10mm時電場分布云圖Fig.16 Electric field distribution diagram when the coaxial gap is 10mm

以實驗獲得的間隙10mm時0.4MPa下20%C4F7N+80%CO2混合氣體的50%擊穿電壓228.5kV作為計算輸入，可獲得該條件下混合氣體的50%擊穿電場強度E50%為26.8kV/mm；以實驗獲得的間隙10mm時0.5MPa下16.7% C4F7N+83.3%CO2混合氣體的50%擊穿電壓244.8kV作為計算輸入，可獲得該條件下混合氣體的50%擊穿電場強度E50%為28.7 kV/mm。

3.3 C4F7N/CO2混合氣體的電場強度設計基準探討

目前，高壓產(chǎn)品基于電場強度計算的設計方法越來越被認可。通過C4F7N/CO2混合氣體和SF6氣體的對比實驗和仿真研究可以總結環(huán)保C4F7N/CO2氣體電場強度設計的一些準則?；痉椒ㄓ幸韵聝煞N：

（1）采用類比法獲取電場強度設計基準，如圖17所示。因為純SF6氣體的電場強度設計基準相對成熟，可認為是已知條件E1，通過實驗比較環(huán)保C4F7N/CO2氣體和純SF6氣體在特定條件下的50%擊穿電壓，得到相應比例系數(shù)K，即可得到環(huán)保氣體的電場強度設計基準E2。本文中兩種典型電極結構下的K值均大于0.8，詳見第2節(jié)?？紤]到新型氣體與SF6氣體絕緣特性上的差異，本方法只具有粗略的指導意義。

圖17 類比法獲取電場強度設計基準的流程圖Fig.17 Flow chart for obtaining field strength design basis by analogy

（2）通過實驗與仿真計算結合，獲取特定條件下C4F7N/CO2混合氣體的50%擊穿電場強度E50%；本文中3.1及3.2節(jié)進行了相應嘗試，使C4F7N/CO2混合氣體絕緣特性與典型斷口結構下的電場形成匹配關系，見表2。實際產(chǎn)品設計中可用的允許雷電沖擊電場強度值（或電場強度設計基準值）需考慮不同結構和導體尺寸、制造工藝及生產(chǎn)管理等因素，并留有設計裕度，因此其基于50%擊穿電場強度E50%，但要低很多，需更多研究和經(jīng)驗的總結。

表2 C4F7N/CO2混合氣體特定條件下的50%擊穿電場強度E50%Tab.2 50% breakdown field strength E50% under specific conditions of C4F7N /CO2 mixed gas

4 結論

本文為研究環(huán)保C4F7N/CO2混合氣體絕緣特性及其與典型斷口結構下電場的匹配關系，結合72.5kV開關產(chǎn)品隔離斷口、同軸電極兩種結構進行了樣機設計。通過實驗研究了雷電沖擊電壓下，不同充氣壓力、不同斷口開距等對氣體絕緣性能的影響；通過仿真計算獲得了不同斷口結構、不同斷口開距下的電場強度分布變化，得到的主要結論如下：

1）隔離斷口結構及同軸電極結構下，表壓0.4MPa的20%C4F7N+80%CO2混合氣體、表壓0.5MPa的16.7% C4F7N+83.3%CO2混合氣體，其絕緣強度均可達到同等氣壓下純SF6氣體的80%以上。

2）隔離斷口結構下，為達到表壓0.4MPa，6mm開距下純SF6氣體的絕緣水平，C4F7N/CO2混合氣體的壓力可增大到0.5MPa，或斷口距離增大到約8mm。

3）以實驗獲得的表壓0.4MPa時，隔離開距8mm下的C4F7N/CO2混合氣體50%擊穿電壓246kV為計算輸入，計算獲得的50%擊穿電場強度E50%為38.3kV/mm；采用同樣方法可得到，表壓0.5MPa、8mm開距下，混合氣體的E50%為47.6 kV/mm。

4）以實驗獲得的同軸間隙10mm、表壓0.4MPa下20%C4F7N+80%CO2混合氣體的50%擊穿電壓228.5kV作為計算輸入，計算得到該條件下混合氣體的50%擊穿電場強度E50%為26.8 kV/mm；采用同樣的方法可得到，同軸間隙10mm、氣壓0.5MPa下16.7%C4F7N+83.3%CO2混合氣體的E50%為28.7 kV/mm。

5）文中通過類比法和實驗與仿真的結合，對C4F7N/CO2混合氣體的電場強度設計基準進行了探討，實際產(chǎn)品設計中可用的電場強度設計基準值基于50%擊穿電場強度E50%，但需考慮加工工藝等因素，需要更多研究和經(jīng)驗的總結。

本文的實驗研究與仿真分析，驗證了C4F7N/CO2混合氣體工程應用的可行性，尤其對開關設備中應用C4F7N/CO2混合氣體時的絕緣結構設計具有指導意義。