楊 圓 高克利 袁 帥 顏湘蓮 畢建剛

典型電場下C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿特性研究

楊 圓1,2,3高克利2,3袁 帥2顏湘蓮2畢建剛2

（1. 合肥工業(yè)大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 合肥 230009 2. 中國電力科學(xué)研究院有限公司 北京 100192 3. 電網(wǎng)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074）

研究表明O2可以抑制C4F7N/CO2混合氣體的分解，從而提升氣體工程應(yīng)用可靠性，但C4F7N/CO2/O2混合氣體絕緣特性相關(guān)研究較少。為評估O2對C4F7N/CO2混合氣體工頻絕緣特性的影響，該文搭建了擊穿試驗(yàn)平臺(tái)，獲得了典型運(yùn)行氣壓、O2含量和電場形式下的工頻擊穿電壓。結(jié)果表明隨著氣壓增加，1mm氣隙準(zhǔn)均勻電場下的C4F7N/CO2/O2混合氣體擊穿電壓接近線性增長，而在稍不均勻和極不均勻電場下呈現(xiàn)一定的飽和增長趨勢，6mm氣隙極不均勻電場下則呈現(xiàn)N形變化規(guī)律。C4F7N/CO2/O2混合氣體擊穿電壓對較高氣壓和較長氣隙下的極不均勻場敏感度較高，0.45MPa及以上氣壓下6mm氣隙極不均勻電場與1mm氣隙稍不均勻電場的擊穿電壓接近。O2對部分氣壓和氧氣含量下的擊穿電壓有一定的負(fù)面影響，0.15～0.65MPa氣壓下，分別添加體積分?jǐn)?shù)為4%、2%、8%、4%、8%和8%的O2時(shí)，工頻擊穿電壓最多僅下降6.2%。從工頻絕緣設(shè)計(jì)和提升氣體化學(xué)穩(wěn)定性角度考慮，添加2%～8%體積分?jǐn)?shù)的O2是一種可行的三元混合氣體方案。

典型電場 C4F7N/CO2/O2混合氣體 工頻擊穿特性 氧氣

0 引言

隨著“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出，全氟異丁腈（C4F7N）氣體憑借優(yōu)異的絕緣性能和較低的全球變暖潛能值（Global Warming Potential, GWP），成為最具潛力的SF6替代氣體之一[1-3]。C4F7N在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的液化溫度約為?4.7℃，工程應(yīng)用中需要將C4F7N與CO2等緩沖氣體混合以降低其液化溫度[4-6]。研究表明C4F7N/CO2混合氣體具有良好的絕緣性能[7-9]，但C4F7N/CO2混合氣體在高能放電后會(huì)出現(xiàn)碳析出現(xiàn)象，可能影響其工程應(yīng)用可靠性，因此部分學(xué)者提出可以通過加入少量O2來抑制C4F7N的分解和碳析出[10-12]。O2的加入可以提高氣體的滅弧和絕緣性能[13]，通用電氣研制的C4F7N/CO2混合氣體斷路器中也加入了5%體積分?jǐn)?shù)的O2以提升多次開斷后的滅弧性能[14]，因此將O2作為第二種緩沖氣體是一種可行的混氣方案。但O2的加入對C4F7N/CO2混合氣體工頻絕緣性能的影響研究較少，因此在工程應(yīng)用前有必要系統(tǒng)地研究O2對混合氣體工頻絕緣性能的影響，進(jìn)而指導(dǎo)C4F7N/CO2/O2三元混合氣體的選型和應(yīng)用。

近年來圍繞C4F7N混合氣體絕緣特性開展了不少研究工作，張博雅等研究了5%～20%C4F7N占比的C4F7N/CO2混合氣體在不同電場均勻度下的工頻擊穿特性，測量了局部放電起始電壓，結(jié)果表明混合氣體在極不均勻電場下的敏感度高于SF6[15]；張曉星等研究了0.1～0.3MPa下，2%～8%C4F7N占比的C4F7N/CO2混合氣體在準(zhǔn)均勻電場下的擊穿特性，發(fā)現(xiàn)工頻擊穿電壓隨氣壓增加呈線性增長，隨混合比的增加呈飽和增長[16]；周文俊等對比了C4F7N/CO2混合氣體在均勻和極不均勻電場下的工頻擊穿電壓，研究發(fā)現(xiàn)C4F7N占比為7%～13%的C4F7N/CO2混合氣體具有替代SF6氣體的潛力[9]。目前學(xué)者們針對C4F7N/CO2/O2混合氣體開展了一定氣壓下稍不均勻電場下的絕緣特性研究，研究結(jié)果顯示在0.14MPa氣壓下15%C4F7N占比的混合氣體工頻擊穿電壓隨O2的增加先增加后降低[11-12]，但對不同電場和氣壓下的C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿特性還缺乏系統(tǒng)性的深入研究，難以支撐C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻絕緣性能評估的現(xiàn)實(shí)需求。

為了獲得較全面的C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿特性，本文搭建了工頻擊穿試驗(yàn)平臺(tái)，獲得了典型運(yùn)行氣壓、氧氣體積分?jǐn)?shù)和不均勻系數(shù)電場下的C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿特性。研究可為C4F7N/CO2/O2混合氣體設(shè)備工頻絕緣設(shè)計(jì)參數(shù)制定提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)平臺(tái)及方法

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

本文搭建了一套C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿試驗(yàn)平臺(tái)，主要由高壓電源、試驗(yàn)腔體和工頻擊穿模型等組成，試驗(yàn)回路如圖1所示。文中使用的工頻試驗(yàn)變壓器額定容量15kV·A，額定電壓150kV，額定電流0.1A，由阻值為100kΩ的保護(hù)電阻實(shí)現(xiàn)過電流保護(hù)。試驗(yàn)腔體為一圓柱狀不銹鋼腔體，最高可承受0.7MPa絕對氣壓，工頻擊穿模型接地端與試驗(yàn)大廳接地端相連。

圖1 工頻擊穿試驗(yàn)回路

1.2 電極模型

氣體絕緣電力設(shè)備內(nèi)部可能存在不同形式的電場，為全面了解不同典型電場下C4F7N/CO2/O2混合氣體的工頻擊穿特性，設(shè)計(jì)了球-板電極、棒-板電極和針-板電極，分別模擬準(zhǔn)均勻電場、稍不均勻電場和極不均勻電場。為減少電極燒蝕對擊穿電壓的影響，針電極選用鎢材質(zhì)，其余電極材料均為鎢銅。平板電極直徑均為48mm，厚度11mm，電極邊緣曲率半徑5mm。球直徑20mm，棒電極尖端圓柱體直徑2mm，針電極尖端曲率半徑0.3mm，電極間距分別為1mm、1mm、1mm和6mm。利用COMSOL多物理場仿真軟件對電場分布進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明，1mm球-板電極電場不均勻系數(shù)為1.04，屬準(zhǔn)均勻電場[17]；1mm棒-板電極電場不均勻系數(shù)為2.36，屬稍不均勻電場；1mm針-板電極電場不均勻系數(shù)為4.42，屬極不均勻電場；6mm針-板電極電場不均勻系數(shù)為9.28，也屬極不均勻電場。電極模型及電場分布如圖2所示。

圖2 不同形式的電極和電場

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前用無水酒精對腔體內(nèi)部進(jìn)行擦拭，并使其自然風(fēng)干，用砂紙對電極進(jìn)行打磨、無水酒精清洗和自然風(fēng)干，以避免電極表面粗糙對擊穿電壓的影響[18]。試驗(yàn)前向腔體中充入干燥CO2，靜置1h后抽真空至50Pa，重復(fù)三次以排除腔體中殘留水分及其他氣體雜質(zhì)的影響。

為保證氣體混合充分均勻，混合氣體由定制的動(dòng)態(tài)混氣儀按設(shè)定的混合比自動(dòng)均勻混合后充入試驗(yàn)罐體，C4F7N、CO2和O2的體積分?jǐn)?shù)配置精度均為0.1%，同時(shí)使用濕度檢測儀對試驗(yàn)前的氣體進(jìn)行檢測，試驗(yàn)中的混合氣體濕度均不大于50μL/L，滿足DL/T 603—2017[19]對運(yùn)行中氣體絕緣全封閉組合電器（Gas Insulated Switchgear, GIS）設(shè)備微水控制值要求。C4F7N氣體由3M公司提供，純度為99.9%；CO2和O2氣體均由北京海譜氣體公司提供，純度均為99.999%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 C4F7N/CO2/O2混合氣體在1mm球板電極準(zhǔn)均勻電場下的工頻擊穿特性

2.1.1 氣壓對工頻擊穿電壓的影響

準(zhǔn)均勻電場下C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿電壓隨氣壓的變化關(guān)系如圖3所示?？梢钥闯?，少量O2的加入并不影響C4F7N/CO2混合氣體擊穿電壓隨氣壓的變化規(guī)律，不同O2占比混合氣體擊穿電壓均隨氣壓增大呈近似線性增長的趨勢，與文獻(xiàn)[9]中0.4MPa下9%C4F7N/91%CO2混合氣體在板板電極均勻電場下的規(guī)律類似。主要原因是氣壓升高后氣體分子間距離減小，外施電壓激發(fā)的電子平均自由行程縮短，電子在電場作用下加速，進(jìn)而激發(fā)二次碰撞電離的概率降低，抑制了氣隙貫穿性擊穿現(xiàn)象的產(chǎn)生，體現(xiàn)為擊穿電壓隨氣壓上升而增加。

圖3 1mm球板電極擊穿電壓與氣壓關(guān)系

2.1.2 氧氣含量對工頻擊穿電壓的影響

為了進(jìn)一步探究準(zhǔn)均勻電場下氧氣體積分?jǐn)?shù)對C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿電壓的影響，繪制了不同氣壓下混合氣體工頻擊穿電壓隨氧氣含量的變化圖，如圖4所示?？梢钥闯?，添加O2后的混合氣體擊穿電壓呈緩慢下降的趨勢。這表明在1mm氣隙準(zhǔn)均勻電場下，加入10%以內(nèi)的O2會(huì)對C4F7N/CO2/O2混合氣體的工頻擊穿電壓產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。

圖4 1mm球板電極擊穿電壓與氧氣體積分?jǐn)?shù)關(guān)系

以不含O2的混合氣體擊穿電壓作為基準(zhǔn)值，其他O2含量混合氣體的擊穿電壓標(biāo)幺值如圖5所示?？梢钥闯觯跍?zhǔn)均勻電場下，O2的加入均會(huì)降低混合氣體的擊穿電壓，且下降幅度在8.1%以內(nèi)?？赡艿脑蚴荗2與C4F7N的工頻協(xié)同效應(yīng)弱于CO2，同時(shí)工頻擊穿時(shí)C4F7N分解形成的碳顆粒會(huì)在電極表面附著形成碳沉積層[20-22]，O2等分解產(chǎn)生的氧原子會(huì)與較均勻的碳沉積層發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致電極表面粗糙度增大，進(jìn)而引發(fā)電極表面電場畸變，也可能導(dǎo)致?lián)舸╇妷合陆礫11, 20, 23]。

圖5 1mm球板電極擊穿電壓對比

擊穿電壓與O2體積分?jǐn)?shù)未呈現(xiàn)規(guī)律性關(guān)聯(lián)關(guān)系，可能原因是受放電隨機(jī)性和電極表面狀態(tài)等因素綜合作用，2%級差的O2對工頻絕緣性能的影響未占據(jù)主導(dǎo)地位，但2%O2混合氣體工頻擊穿電壓均高于10%O2混合氣體，即8%級差O2對混合氣體工頻絕緣性能的負(fù)面影響占主導(dǎo)地位。將C4F7N/CO2/O2混合氣體應(yīng)用于氣體絕緣設(shè)備時(shí)，應(yīng)考慮O2對混合氣體工頻絕緣性能的負(fù)面影響，必要時(shí)可通過適當(dāng)提高氣壓或C4F7N占比等方式來保證工頻絕緣設(shè)計(jì)裕度。

2.2 C4F7N/CO2/O2混合氣體在1mm棒板電極稍不均勻電場下的工頻擊穿特性

2.2.1 氣壓對工頻擊穿電壓的影響

稍不均勻電場下C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿電壓隨氣壓的變化關(guān)系如圖6所示?？梢钥闯鰵鈮涸礁?，工頻擊穿電壓越高，但與準(zhǔn)均勻電場的不同之處在于，混合氣體擊穿電壓隨氣壓升高呈一定飽和增長趨勢?？赡艿脑蚴前綦姌O在臨近擊穿前會(huì)在頭部形成電暈，電暈對電場有一定均衡作用并有利于擊穿電壓的增大，當(dāng)氣壓較高時(shí)，擊穿電壓較高，電暈現(xiàn)象較明顯，進(jìn)而抑制了擊穿電壓的升高。

圖6 1mm棒板電極擊穿電壓與氣壓關(guān)系

2.2.2 氧氣體積分?jǐn)?shù)對工頻擊穿電壓的影響

稍不均勻電場下，不同氣壓混合氣體工頻擊穿電壓隨O2體積分?jǐn)?shù)的變化如圖7所示。可以看出，與準(zhǔn)均勻電場類似，擊穿電壓隨著O2體積分?jǐn)?shù)的增加也基本呈緩慢下降的趨勢。

圖7 1mm棒板電極擊穿電壓與氧氣體積分?jǐn)?shù)關(guān)系

稍不均勻電場下，不同O2含量混合氣體工頻擊穿電壓標(biāo)幺值如圖8所示?？梢钥闯觯煌瑲鈮汉筒煌縊2對工頻擊穿電壓的影響也呈現(xiàn)不同特征，0.45MPa氣壓下10%O2的混合氣體擊穿電壓下降得最多，達(dá)14.3%，而0.25MPa氣壓下4%O2的混合氣體擊穿電壓上升了0.9%，可能原因是在稍不均勻電場下，混合氣體的擊穿電壓受氣壓與棒電極頭部電暈電荷的綜合影響，氣體的擊穿經(jīng)過電暈生成、電暈發(fā)展和電暈平衡被破壞的過程，微觀擊穿過程的復(fù)雜度大大增加，增大了擊穿電壓的隨機(jī)性和分散性。

圖8 1mm棒板電極擊穿電壓對比

2.3 C4F7N/CO2/O2混合氣體在1mm針板電極極不均勻電場下的工頻擊穿特性

2.3.1 氣壓對工頻擊穿電壓的影響

1mm針板電極極不均勻電場下，C4F7N/CO2/O2混合氣體的工頻擊穿電壓與氣壓的關(guān)系如圖9所示，可以看出工頻擊穿電壓的飽和增長趨勢較不明顯，可能的原因是在1mm針板電極極不均勻電場下，混合氣體工頻擊穿電壓遠(yuǎn)低于1mm球板電極稍不均勻電場，電極附近的電暈現(xiàn)象不明顯，導(dǎo)致電暈對工頻擊穿電壓增大的抑制作用較弱。

圖9 1mm針板電極擊穿電壓與氣壓關(guān)系

2.3.2 氧氣體積分?jǐn)?shù)對工頻擊穿電壓的影響

不同氣壓下1mm針板電極工頻擊穿電壓隨O2含量的變化如圖10所示?？梢钥闯?，在1mm針板電極極不均勻電場下，C4F7N/CO2/O2混合氣體的擊穿電壓基本保持不變，O2的加入對混合氣體自身工頻絕緣性能影響較小。

1mm針板電極極不均勻電場下，不同體積分?jǐn)?shù)O2混合氣體工頻擊穿電壓相對不加氧氣時(shí)的擊穿電壓標(biāo)幺值如圖11所示?？梢钥闯?，O2含量與工頻擊穿電壓之間沒有明顯的關(guān)聯(lián)關(guān)系，可能的原因是較大曲率半徑針電極在擊穿前，針電極附近可能會(huì)引發(fā)流注，流注的存在增大了擊穿過程的隨機(jī)性和分散性，導(dǎo)致2%含量級差的O2對工頻絕緣性能的影響未占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖10 1mm針板電極擊穿電壓與氧氣體積分?jǐn)?shù)關(guān)系

圖11 1mm針板電極擊穿電壓對比

2.4 C4F7N/CO2/O2混合氣體在6mm針板電極極不均勻電場下的工頻擊穿特性

2.4.1 氣壓對工頻擊穿電壓的影響

6mm針板電極極不均勻電場下C4F7N/CO2/O2混合氣體的工頻擊穿電壓隨氣壓的變化關(guān)系如圖12所示。可以看出，在O2體積分?jǐn)?shù)一定的情況下，隨著氣壓的增大，混合氣體工頻擊穿電壓呈現(xiàn)N形變化趨勢。

圖12 6mm針板電極擊穿電壓與氣壓關(guān)系

6mm針板電極的電場不均勻系數(shù)較大，此時(shí)混合氣體擊穿電壓主要受氣體壓力和尖電極附近電暈層疊加影響[17]，擊穿電壓出現(xiàn)了明顯的駝峰現(xiàn)象。當(dāng)氣壓較低時(shí)，隨著氣壓升高，電子在電場作用下的平均自由行程縮短，電子加速行程減小限制了電子激發(fā)的碰撞電離，進(jìn)而抑制了氣體的擊穿，同時(shí)隨著電壓的升高，尖電極附近會(huì)形成較明顯的電暈層，電暈層產(chǎn)生的空間電荷改善了間隙中的電場分布[9]，從而提高了氣隙的擊穿電壓，因此擊穿電壓隨氣壓的上升而上升。隨著擊穿電壓的增大，針電極附近的電暈層不斷擴(kuò)大并開始形成正流注，正流注的存在大大加強(qiáng)了流注頭部的電場，進(jìn)而降低了擊穿電壓，在正流注和氣壓的共同作用下，擊穿電壓出現(xiàn)飽和并開始下降。當(dāng)電壓降低至正流注的生成受到抑制時(shí)，氣壓對擊穿電壓重新起主導(dǎo)作用，體現(xiàn)為擊穿電壓開始回升。因此在氣隙較長且電場不均勻系數(shù)較大時(shí)，氣體擊穿電壓隨氣壓呈現(xiàn)N形變化趨勢，這與SF6氣體在電場不均勻系數(shù)為12.9的極不均勻電場下的規(guī)律類似[9]。

2.4.2 氧氣體積分?jǐn)?shù)對工頻擊穿電壓的影響

不同氣壓下6mm針板電極擊穿電壓隨O2體積分?jǐn)?shù)的變化如圖13所示。可以看出，不同O2含量的C4F7N/CO2/O2混合氣體擊穿電壓均在0.25MPa左右出現(xiàn)極大值，而在0.45MPa左右出現(xiàn)第二極小值，與N形曲線對應(yīng)的擊穿電壓規(guī)律保持一致。運(yùn)行氣壓在0.25MPa附近的環(huán)網(wǎng)柜等設(shè)備對較長間隙金屬尖刺缺陷具有良好的工頻絕緣耐受強(qiáng)度，同時(shí)C4F7N/CO2/O2混合氣體設(shè)備工頻絕緣設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮0.45MPa氣壓和較長間隙極不均勻電場下工頻擊穿電壓極小值的負(fù)面影響。

圖13 6mm針板電極擊穿電壓與氧氣體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系

6mm針板電極極不均勻電場下，不同O2體積分?jǐn)?shù)的混合氣體工頻擊穿電壓相對不加O2時(shí)的標(biāo)幺值如圖14所示?？梢钥闯?，O2含量與工頻絕緣性能的關(guān)聯(lián)關(guān)系不明顯，可能原因是在強(qiáng)烈發(fā)展的流注情況下，引起駝峰效應(yīng)的主要原因與間隙中空間電荷運(yùn)動(dòng)和分布特征有關(guān)[24]，少量O2的存在可能對針電極附近的流注空間電荷影響較小，因此不同體積分?jǐn)?shù)O2對工頻擊穿電壓的影響特征不明顯。

圖14 6mm針板電極擊穿電壓對比

2.5 電場不均勻度對C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿電壓的影響

為了綜合比較電場不均勻度對C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿電壓的影響，繪制了不同均勻系數(shù)電場下?lián)舸╇妷弘S氣壓的變化如圖15所示。

可以看出，對于1mm氣隙下不均勻系數(shù)為1.04、2.36和4.42的準(zhǔn)均勻、稍不均勻和極不均勻電場，C4F7N/CO2/O2混合氣體擊穿電壓在準(zhǔn)均勻電場下隨氣壓增加近似呈線性增長，而在稍不均勻電場和極不均勻電場下則呈現(xiàn)一定的飽和增長趨勢。對于6mm氣隙下不均勻系數(shù)為9.28的極不均勻電場，在較高的0.45MPa及以上氣壓下，由于擊穿電壓較高，擊穿前針電極附近強(qiáng)烈發(fā)展的正流注對擊穿電壓存在明顯的抑制作用，進(jìn)而大大降低了氣隙的擊穿電壓，導(dǎo)致6mm針板氣隙極不均勻電場擊穿電壓接近1mm球板氣隙下的準(zhǔn)均勻電場，間隙距離的顯著增大并沒有顯著提高擊穿電壓，即C4F7N/CO2/O2混合氣體擊穿電壓對較高氣壓和較長氣隙下的極不均勻場敏感度較高。因此對于GIS、GIL等運(yùn)行氣壓較高的氣體絕緣電力設(shè)備，金屬尖刺的存在會(huì)極大地降低C4F7N/CO2/O2混合氣體絕緣電力設(shè)備的工頻絕緣強(qiáng)度，因此在絕緣設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮可能存在的極不均勻電場對工頻絕緣性能的負(fù)面影響，同時(shí)在制造和安裝階段應(yīng)嚴(yán)控工藝，以避免金屬尖刺等影響電場均勻分布情況的出現(xiàn)。

四種典型電場下不同體積分?jǐn)?shù)O2混合氣體擊穿電壓相對于不加O2時(shí)的擊穿電壓比值范圍見表1。綜合考慮四種不均勻度電場下的擊穿電壓比值范圍，0.15MPa氣壓下添加4%的O2對氣體工頻絕緣能力影響最小，擊穿電壓下降僅3.2%，因此對于環(huán)網(wǎng)柜等運(yùn)行氣壓較低的設(shè)備，可考慮添加4%左右的O2。對于0.25MPa、0.35MPa、0.45MPa、0.55MPa和0.65MPa氣壓下的C4F7N/CO2混合氣體，從影響工頻絕緣強(qiáng)度最小的角度，推薦的O2添加量分別為2%、8%、4%、8%和8%，擊穿電壓下降最大幅度僅6.2%。從文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]可知4%左右O2的加入，可以較好地抑制C4F7N/CO2混合氣體的分解和碳析出，進(jìn)而提升氣體在長期工程應(yīng)用中的可靠性，因此在工頻絕緣強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，可考慮添加適量O2以提升混合氣體的分解穩(wěn)定性。

表1 不同電場下?lián)舸╇妷旱膶Ρ?/p>

Tab.1 Comparison of breakdown voltage under different electric fields（%）

3 結(jié)論

1）在本文研究的四種典型電場下，O2的加入不會(huì)影響C4F7N/CO2混合氣體工頻擊穿電壓隨氣壓的變化規(guī)律，但O2對部分氣壓和電場下的工頻擊穿電壓有一定的負(fù)面作用，因此在制定C4F7N/CO2/O2混合氣體絕緣設(shè)備工頻絕緣設(shè)計(jì)依據(jù)時(shí)，應(yīng)充分考慮O2對工頻絕緣性能的影響。

2）對于1mm氣隙下的C4F7N/CO2/O2混合氣體，在0.65MPa氣壓范圍內(nèi)，工頻擊穿電壓在準(zhǔn)均勻電場隨氣壓增加接近線性增長，而在稍不均勻電場和極不均勻電場下均呈現(xiàn)一定的飽和增長趨勢。

3）對于6mm氣隙下的C4F7N/CO2/O2混合氣體，工頻擊穿電壓隨氣壓增加呈現(xiàn)N形變化規(guī)律。在0.45MPa及以上氣壓下，6mm氣隙極不均勻電場與1mm氣隙準(zhǔn)均勻電場的工頻擊穿電壓接近，C4F7N/CO2/O2混合氣體工頻擊穿電壓對較高氣壓和較長氣隙下的極不均勻場敏感度較高。

4）對于開關(guān)柜、GIL和GIS等運(yùn)行氣壓在0.15～0.65MPa范圍內(nèi)的C4F7N/CO2混合氣體絕緣設(shè)備，從工頻絕緣設(shè)計(jì)和氣體長期運(yùn)行穩(wěn)定性角度考慮，根據(jù)設(shè)備運(yùn)行氣壓，分別添加體積分?jǐn)?shù)為2%～8%的O2是一種可選的技術(shù)方案。

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Research on the Power Frequency Breakdown Characteristics of C4F7N/CO2/O2Gas Mixture under Typical Electric Fields

Yang Yuan1,2,3Gao Keli2,3Yuan Shuai2Yan Xianglian2Bi Jiangang2

（1.School of Electrical Engineering and Automation Hefei University of Technology Hefei 230009 China 2. China Electric Power Research Institute Beijing 100192 China 3. State key Laboratory of Power Grid Environmental Protection Wuhan 430074 China）

Studies have shown that O2can inhibit the decomposition of C4F7N/CO2gas mixture, thereby improving the reliability of the gas engineering applications, however, there are few studies on the insulation characteristics of C4F7N/CO2/O2gas mixture. To evaluate the influence of O2on the power frequency insulation characteristics of C4F7N/CO2gas mixture, a breakdown test platform was established in this paper, and the power frequency breakdown voltage under typical operating gas pressure, oxygen content and electric field form was obtained. The results show that with the increase of air pressure, the breakdown voltage of C4F7N/CO2/O2gas mixture under the quasi uniform electric field with 1 mm gas gap is almost linearly increased, while it shows a certain saturation growth trend under slightly and extremely uneven electric fields, and the breakdown voltage shows a N-type variation law under the extremely uneven electric field with 6 mm gas gap. The breakdown voltage of C4F7N/CO2/O2gas mixture is sensitive to the extremely uneven electric field at high air pressure and long gas gap, the breakdown voltage of 6 mm gas gap under extremely uneven electric field is close to that of 1 mm gas gap under slightly uneven field at 0.45MPa and above. O2has a certain negative impact on the breakdown voltage under certain air pressure and oxygen content, when 4%, 2%, 8%, 4%, 8% and 8% volume fraction of O2were added at 0.15MPa to 0.65MPa, the power frequency breakdown voltage decreases by only 6.2% at most. From the perspective of power frequency insulation design and improvement of gas chemical stability, adding 2% to 8% volume fraction O2is a feasible ternary gas mixture solution.

Typical electric field, C4F7N/CO2/O2gas mixture, power frequency breakdown characteristics, oxygen

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220169

TM855

國家電網(wǎng)公司總部科技項(xiàng)目——環(huán)保GIL設(shè)備絕緣氣體介質(zhì)劣化機(jī)理及傳感技術(shù)研究（5442GY200024）資助。

2022-01-29

2022-03-25

楊 圓 男，1986年生，博士，高級工程師，研究方向?yàn)闋顟B(tài)檢測技術(shù)、設(shè)備運(yùn)維技術(shù)和環(huán)保替代氣體等。E-mail：yangyuan@epri.sgcc.com.cn（通信作者）

高克利 男，1966年生，博士生導(dǎo)師，教授級高工，研究方向?yàn)樘馗邏狠斪冸娫O(shè)備絕緣及運(yùn)行技術(shù)、環(huán)保替代氣體等。E-mail：gaokl@epri.sgcc.com.cn

（編輯 郭麗軍）