上海市區(qū)供電公司 顧一飛

因?yàn)镃4F7N 氣體具有較高的液化溫度，所以其純氣體在氣溫略高的環(huán)境中并不容易被利用，通常，學(xué)者們會(huì)將C4F7N 與N2、O2、CO2等緩沖氣體進(jìn)行混合，從而得到一種混合氣體來(lái)進(jìn)行特性研究。C4F7N 名稱為七氟異丁腈，由于緩沖氣體的液化溫度比C4F7N 要低得多，所以可以把其當(dāng)作一種理想氣體來(lái)看待。將C4F7N 與CO2進(jìn)行混合后生成的混合氣體，其絕緣程度不會(huì)隨著混合比的線性程度而改變，因此可以確定該混合氣體具有協(xié)同效應(yīng)[1]。

選擇在典型斷口結(jié)構(gòu)下進(jìn)行C4F7N 與CO2混合氣體的絕緣性實(shí)驗(yàn)，對(duì)C4F7N 氣體的分解機(jī)理展開了深入探討，并通過組分檢測(cè)，詳細(xì)闡明了C4F7N 氣體分解產(chǎn)物。但此種方法在過熱情況下，其分解機(jī)理并沒有被細(xì)致的研究，仍處于初級(jí)研究階段。為改善上述方法存在的不足之處，現(xiàn)提出C4F7N/CO2混合氣體絕緣性能和局部放電分解特性研究。

1 C4F7N/CO2混合氣體絕緣性能和局部放電分解特性研究方法

1.1 確定混合氣體的混合比數(shù)值

因?yàn)镃4F7N 氣體的液化溫度較低，不能直接利用，需要加入一種緩沖氣體來(lái)降低其受到的壓力，從而達(dá)到降低其液化溫度要求的目的。目前，國(guó)外對(duì)C4F7N/CO2混合氣體的液化溫度僅作了定性分析，甚至忽略了這一重要指標(biāo)，但不同的環(huán)境溫度對(duì)C4F7N/CO2混合氣體中這種氣體的含量有著較高的要求，因此，本文對(duì)一定的環(huán)境溫度條件下的C4F7N 氣體含量進(jìn)行絕緣性能和局部放電分解特性定量分析。

使用的氣體是C4F7N、CO2和N2，C4F7N 氣體的純度在99.9%以上，CO2和N2的純度在99.99%以上。因?yàn)樵谕瑯拥膲毫ο?，C4F7N 氣體的液化溫度比緩沖氣體要低得多（在同一大氣壓力下，CO2的液化溫度是76.5℃，N2的液化溫度是-186℃，C4F7N 氣體的液化溫度是-4.7℃），則可以計(jì)算C4F7N 該氣體在理想狀態(tài)下的分壓和混合氣體的溫度的計(jì)算公式如下：

公式中，Pm表示混合氣體中C4F7N 氣體中的分壓，單位為MPa，PC表示臨界的氣壓，tc為臨界的溫度，tm表示混合氣體的液化溫度。

一般GIS 內(nèi)CO2氣體壓力在0.6～0.8MPa，按此公式可求出不同混合比值下C4F7N 混合氣體的液化溫度。在0.6MPa、0.8MPa 條件下，C4F7N 氣體的液化溫度分別為-1.9℃、3.5℃，與以往研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。當(dāng)電氣設(shè)備在-10℃左右能正常工作時(shí)，氣壓分別為0.6MPa 和0.8MPa 時(shí)，C4F7N/CO2和C4F7N/N2混合氣體中C4F7N 氣體的含量不大于27%和41%[2]。

由此可以看出，當(dāng)混合比數(shù)值小于15%時(shí)，C4F7N 與CO2混合后的氣體的絕緣性能將會(huì)大大降低，因此，混合氣體的混合比數(shù)值計(jì)算得出為：15%、20%、30%、50%。設(shè)定此時(shí)的混合氣體為理想氣體時(shí)，兩種氣體的分組的表達(dá)公式如下：

公式中：Pq、PW分別表示了氣體Q、W 的壓強(qiáng)，nq、nw分別表示了氣體Q、W 的摩爾數(shù)，t 代表C4F7N/CO2混合氣體的溫度，V表示混合氣體的壓強(qiáng)、P 代表混合氣體的體積。

此時(shí)，兩種氣體滿足以下公式：

所以只要對(duì)氣體成分中的分壓強(qiáng)進(jìn)行控制，就可容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)混合氣體的混合比數(shù)值k 的控制。但是為了提高所充入的混合氣體混合比的準(zhǔn)確性，應(yīng)該在 PD 測(cè)試裝置中先充入含量較低的氣體成分，然后放置24h，將其混合均勻。

1.2 測(cè)量絕緣性能回路

研究C4F7N/CO2混合氣體絕緣性能和局部放電分解特性，首先將常見缺陷的物理模型置于一個(gè)由不銹鋼法蘭和有機(jī)玻璃罐所構(gòu)成的密閉容器內(nèi)，并在該容器內(nèi)充入一定氣壓的C4F7N/CO2混合氣體。本文中所使用到的 PD 信號(hào)采用的是按照IEC 規(guī)范執(zhí)行的脈沖電流法，采用泰克4582（3GHz 頻段，最大采樣率15 G/s）作為示波器，工作溫度10℃～20℃，研究原理的主要線路如圖1所示[3]。

圖1 工作接線圖

圖1中的C 為充電電容，G 代表了碰觸球隙，R1表示了波頭處的電阻，R2表示波尾處的電阻，L表示待測(cè)試的樣品（電流互感器）。純C4F7N 氣體的絕緣性能要優(yōu)于一般氣體，但該氣體含有微量毒性（滿足安全要求），C4F7N 氣體的氣體性能的參數(shù)與其他絕緣氣體的性能參數(shù)對(duì)比見表1。

表1 氣體性能參數(shù)

C4F7N/CO2混合氣體在固定金屬突出物缺陷下的PD 絕緣特性，使用針-板電極的模型來(lái)模擬金屬突出缺陷。在測(cè)量之前，由上文所得出的混合氣體的混合比數(shù)值結(jié)果，需要在電流互感器的腔體中充入具有不同氣壓14%和C4F7N 86%/CO2混合比例的氣體。第一，在回收完畢后，將空腔及充氣管道抽成真空，并保持并再次抽氣，直到空腔內(nèi)壓力降至86Pa 以下；第二，按照實(shí)驗(yàn)要求，計(jì)算出C4F7N和CO2在混合氣中的各個(gè)子壓力和目標(biāo)壓力；第三，采用分壓控制成比例的方法，將C4F7N、SF6與CO2按順序充填至電流互感器腔體中，以獲得相應(yīng)的分壓；第四，充好氣后放置24h，以確?？涨粌?nèi)的氣體充分混合；第五，使用C4F7N/CO2混氣比率檢測(cè)器，對(duì)混氣比率進(jìn)行測(cè)定，當(dāng)測(cè)定結(jié)果符合規(guī)定之后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

1.3 檢測(cè)局部放電分解信號(hào)

C4F7N 與CO2混合氣體進(jìn)行局部放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生分解信號(hào)，分解信號(hào)的產(chǎn)生與混合氣體中的每個(gè)粒子的微觀變化有關(guān)，因此，使用本文方法和量子化學(xué)理論進(jìn)行研究。

在剛開始發(fā)生放電現(xiàn)象時(shí)，若電池放電電流集中于工頻運(yùn)行的負(fù)零點(diǎn)五周，且此時(shí)外施電流較低，則充放電流較小且密集，則此時(shí)的外施電流約為PDIV 值。隨著外施電流的增加，金屬縫隙間的場(chǎng)強(qiáng)逐漸增加，使得金屬正離子快速地向針極方向移動(dòng)，從而與針極產(chǎn)生復(fù)合電流。同時(shí)，電子與針極結(jié)合，形成負(fù)極，并且負(fù)極與負(fù)極之間的相互作用，造成了針尖的電場(chǎng)的強(qiáng)度降低，但負(fù)極場(chǎng)強(qiáng)的提高并不明顯。裝置內(nèi)部漂浮的著陸不良的部件會(huì)在工作電壓下激發(fā)漂浮的局部放電，導(dǎo)致氣體分解，微波會(huì)對(duì)絕緣性能產(chǎn)生負(fù)面影響。去除后，要考慮對(duì)C4F7N/CO2氣體混合物的絕緣和局部放電的影響。

產(chǎn)氣率是反應(yīng)過程中的一個(gè)重要特征參數(shù)，產(chǎn)氣率與反應(yīng)過程中的缺陷類型、發(fā)展階段、嚴(yán)重程度等有較大關(guān)系，計(jì)算混合氣體中的主要分解物的產(chǎn)氣均方速率，其計(jì)算公式如下：

公式中：u1表示在第一次測(cè)量之后的組分生成量，j 代表時(shí)間段，u2表示第二次測(cè)量后的組分生成量，Δb 代表兩個(gè)組分之間的時(shí)間間隔。

C4F7N/CO2混合氣體中的電荷會(huì)減弱靠近針極的電場(chǎng)，使其不容易產(chǎn)生局部放電分解信號(hào)。因此當(dāng)外施電壓增加時(shí)，在工作頻率的前半個(gè)周期內(nèi)，也會(huì)發(fā)生較小但幅度較大的放電分解現(xiàn)象，記錄為PDIV 數(shù)值，這時(shí)針電極的極性以正負(fù)為主，電暈放電會(huì)在針尖周圍聚集大量的空間電荷，當(dāng)電暈放電進(jìn)入針尖時(shí)，其周圍的空間電荷會(huì)被中和，從而減弱靠近針尖的電場(chǎng)。但C4F7N/CO2混合氣體又增強(qiáng)了針尖周圍的空間電場(chǎng)，隨著外施電壓的增加，電暈放電區(qū)會(huì)逐漸擴(kuò)大，并快速向板片之間擴(kuò)散，信號(hào)會(huì)逐漸加劇，最終引起擊穿。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與分析

為證明本文提出的C4F7N/CO2混合氣體絕緣性能和局部放電分解特性研究方法的有效性，現(xiàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，通過對(duì)比本文方法與傳統(tǒng)方法1、方法2的測(cè)試效果。為驗(yàn)證本文方法的正確性，本章將三種方法運(yùn)用到本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，并對(duì)其能否滿足規(guī)定的絕緣與放電的性能標(biāo)準(zhǔn)，能否取得良好的檢測(cè)效果進(jìn)行檢驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試之前，需要做一些準(zhǔn)備工作，保證本次實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

此次實(shí)驗(yàn)選擇在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，對(duì)C4F7N/CO2混合氣體絕緣變流器的絕緣性能進(jìn)行試驗(yàn)，選取了與變流器外觀結(jié)構(gòu)和尺寸完全一致的110kV 陶瓷圓柱形變流器為試驗(yàn)對(duì)象。其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量?jī)x器結(jié)構(gòu)示意圖

按照 GB 要求的一般技術(shù)規(guī)范，變壓器初級(jí)絕緣等級(jí)必須符合表2的規(guī)定。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定：在進(jìn)行暴露安裝的時(shí)候，選擇程度最高的絕緣水平，針對(duì)該變流器，在采用C4F7N/CO2混合氣體的情況下，只對(duì)變流器的內(nèi)部絕緣有一定的影響，因而重點(diǎn)研究?jī)?nèi)部絕緣是否能夠達(dá)到絕緣要求。在該測(cè)試的過程中，對(duì)200kV 的電源電壓與450kV 的沖擊電壓的狀態(tài)下分別使用三種方法進(jìn)行了測(cè)試。

表2 測(cè)量?jī)x器一次端額定絕緣水平（單位：kV）

實(shí)驗(yàn)環(huán)境的運(yùn)行環(huán)境的條件參數(shù)見表3。

表3 運(yùn)行條件

使用表2所示三種方法，均使理想混合氣體中的兩種氣體分別為14%的C4F7N、86%的CO2。

實(shí)驗(yàn)設(shè)定的5處不同位置下的局部放電的電壓數(shù)據(jù)，測(cè)點(diǎn)1～5局部放電數(shù)值為1.5kV、1.5kV、2kV、2kV、3kV。在試驗(yàn)前的準(zhǔn)備階段，使用罐體抽真空，在實(shí)驗(yàn)后的處理階段，其被用來(lái)抽取剩余的實(shí)驗(yàn)氣體，并對(duì)其進(jìn)行無(wú)毒的分解處理。在氣室的上部，有一種特殊的玻璃觀察口，能夠在任何時(shí)候，觀察到在實(shí)驗(yàn)過程中，內(nèi)部視覺上的變化。如果設(shè)備內(nèi)部出現(xiàn)了故障，可以及時(shí)被發(fā)現(xiàn)，從而將設(shè)備關(guān)閉。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

將三種方法分別帶入實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，經(jīng)過三次過程相同的測(cè)試后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果（單位：kV）

由上表實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以清楚地看出，本文使用的C4F7N/CO2混合氣體絕緣性能和局部放電分解特性方法得出的局部放電結(jié)果檢測(cè)電壓的最大誤差為0.1kV。但傳統(tǒng)方法1、方法2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果最大誤差分別達(dá)到了0.4kV、0.3kV。傳統(tǒng)方法1的穩(wěn)定性較高，但測(cè)量局部放電的單次偶然誤差較大；傳統(tǒng)方法2的局部放電的測(cè)量結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)設(shè)定的數(shù)據(jù)不一致。由此，可以對(duì)比驗(yàn)證本文方法的可行性。