[摘 要]文章分析了C4F7N/CO2混合氣體的特性，并進行了絕緣驗證試驗，結(jié)果表明，5%C4F7N/95%CO2的混合氣體在0.7 MPa氣壓下與0.43 MPa下SF6氣體的絕緣強度相當(dāng)，液化溫度為–25℃，并順利通過了±550 kV雷電沖擊試驗、230 kV/1 min工頻耐受電壓試驗及184 kV下局部放電試驗，具有一定的絕緣裕度，可滿足實際工程應(yīng)用，并給出了C4F7N/CO2混合氣體在運行維護、材料相容性及結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的一些建議。

[關(guān)鍵詞]C4F7N/CO2混合氣體；飽和蒸汽壓特性；絕緣特性；應(yīng)用建議

[中圖分類號]TM213 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0077–03

Characteristic Analysis and Application Suggestions of Environmentally Friendly C4F7N/CO2 Mixed Gas

WANG Xiaohui，ZHAO Yu，LV Yanshuo，GUO Shangwen

[Abstract]This article analyzes the characteristics of C4F7N/CO2 mixed gas and conducts insulation verification tests. The results show that the insulation strength of 5% C4F7N/CO2 mixed gas is equivalent to that of SF6 gas at 0.43 MPa under a pressure of 0.7 MPa， with a liquefaction temperature of -25℃. It has successfully passed the±550 kV lightning impulse test， 230 kV/1 min power frequency withstand voltage test， and 184 kV partial discharge test， with a certain insulation margin that can meet practical engineering applications. Some suggestions for the operation and maintenance， material coMPatibility， and structural design of C4F7N/CO2 mixed gas are also provided.

[Keywords]C4F7N/CO2 mixed gas； saturated vapor pressure characteristics； insulation characteristics； application suggestions

目前，在高壓電氣設(shè)備中通常采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)，其也是目前已知最強的溫室氣體之一，因此，探索可等效替代SF6的新型環(huán)保絕緣氣體是電氣工程領(lǐng)域重要的研究方向。

1 C4F7N/CO2混合氣體特性

目前主要研究的環(huán)保型絕緣氣體有3類，即常規(guī)氣體（空氣、N2及CO2）、SF6混合氣體和強電負(fù)性氣體及其混合氣體。相同配比下，C4F7N/CO2混合氣體所能應(yīng)用的最高壓力高于C5F10O/CO2、C6F12O/CO2混合氣體。C4F7N相比C5F10O、C6F12O在液化溫度上更具優(yōu)勢，具備在高壓氣體絕緣設(shè)備中的應(yīng)用潛力。

1.1 C4F7N/CO2混合氣體的飽和蒸汽壓特性

通過Antoine蒸汽壓方程得到SF6、C4F7N及CO2 3種氣體的飽和蒸汽壓特性，使用全局最優(yōu)化算法擬合得到飽和蒸汽壓單位為MPa下SF6、C4F7N和CO2 3種氣體的Antoine特性常數(shù)。為了進一步驗證該方法的準(zhǔn)確性，得到了3種氣體的飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)與參考文獻[1]的對比曲線，如圖1所示。

由圖1可知，隨氣體溫度升高，SF6、C4F7N和CO2氣體的飽和蒸汽壓均呈非線性增大趨勢，在相同溫度下3種氣體的飽和蒸汽壓排序為CO2>SF6>C4F7N。因此，相比于SF6氣體，C4F7N氣體在常用壓力下會發(fā)生液化現(xiàn)象而無法使用，若在C4F7N氣體中充入大量CO2作為緩沖氣體，可大幅降低其液化溫度，從而滿足實際應(yīng)用。

將Antoine蒸汽壓方程與汽液平衡基本定律相結(jié)合，計算得到不同C4F7N摩爾分?jǐn)?shù)和不同溫度下C4F7N/CO2混合氣體的飽和蒸汽壓特性曲線，如圖2所示。

由圖2（a）可以看出，隨著氣體溫度的升高，不同比例C4F7N/CO2混合氣體的飽和蒸汽壓均明顯增大；由圖2（b）可以看出，隨著C4F7N摩爾分?jǐn)?shù)的升高，不同溫度C4F7N/CO2混合氣體的飽和蒸汽壓均明顯減小，證明了在C4F7N氣體中加入CO2緩沖氣體能有效降低混合氣體的液化溫度，進而提高混合氣體的飽和蒸汽壓。根據(jù)圖2（b）可進一步得到4%～10%C4F7N混合氣體在典型溫度–15℃和–25℃下的飽和蒸汽壓數(shù)據(jù)，見表1，可為環(huán)保型電力設(shè)備在實際環(huán)境應(yīng)用中混合氣體的配比選取提供參考依據(jù)。

1.2 C4F7N/CO2混合氣體的絕緣特性

應(yīng)用玻爾茲曼（boltzmann）解析法，通過計算對比分析C4F7N/CO2混合氣體在工頻電壓工況和負(fù)極性雷電沖擊電壓工況下的絕緣特性，如圖3所示。

由圖3可知C4F7N/CO2混合氣體的工頻電壓場強和負(fù)極性雷電場強均隨氣壓升高而呈線性增長，因此，通過提高氣壓和C4F7N氣體比重可提高混合氣體的絕緣強度。5%C4F7N/95%CO2的混合氣體在0.7 MPa氣壓下與0.43 MPa下SF6氣體的絕緣強度相當(dāng)，液化溫度為–25℃，可滿足實際工程應(yīng)用。而7%和9%的C4F7N/91%CO2混合氣體由于液化溫度較高而無法滿足實際工程應(yīng)用。

2 C4F7N/CO2混合氣體的絕緣驗證試驗

以126 kVGIS隔離接地開關(guān)為試驗樣機，對5%C4F7N/95%CO2混合氣體進行絕緣驗證試驗。

126 kV隔離接地開關(guān)裝配完成后，首先充5%C4F7N/95%CO2混合氣體至0.7 MPa，A、B、C三相開展并順利通過±550 kV雷電沖擊試驗（相間和斷口，各3次）、230 kV/1 min工頻耐受電壓試驗（相間和工頻斷口三相同時加壓）及184 kV下局部放電試驗。為進一步驗證5%C4F7N/95%CO2混合氣體配置下試驗樣機的絕緣裕度，將氣體壓力由原來的0.7 MPa降低至0.6 MPa，重新開展絕緣驗證試驗，A、B、C三相開展并順利通過±550 kV雷電沖擊試驗、230 kV/1 min工頻耐受電壓試驗及184 kV下局部放電試驗。

試驗結(jié)果表明，在不改動現(xiàn)有設(shè)備結(jié)構(gòu)的前提下，0.7 MPa5%C4F7N/95%CO2的配置方案可同時滿足絕緣強度和最低溫度–25℃環(huán)境限制。

3 C4F7N/CO2混合氣體的應(yīng)用建議

3.1 在運行維護方面的建議

C4F7N/CO2混合氣體中C4F7N含量決定了其絕緣性能，因此在實際應(yīng)用中要監(jiān)測混合氣體中C4F7N的含量，以判斷其是否處于允許范圍。例如，在運行維護時，通過監(jiān)測設(shè)備混合氣體中C4F7N的含量是否發(fā)生變化，來判斷是否存在漏氣等故障，進而做出加強觀察、帶電補氣或停電檢修等決策。

3.2 在材料相容性方面的建議

C4F7N/CO2混合氣體與設(shè)備內(nèi)常用金屬材料和環(huán)氧樹脂絕緣材料相容性良好，而與密封材料和吸附劑材料存在相容性較差的問題[1]。未來，要尋求相關(guān)替代產(chǎn)品或開發(fā)相容性良好的材料，以解決此問題。

3.3 在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的建議

5%C4F7N/95%CO2混合氣體在燃弧期間徑向熱傳導(dǎo)能力較弱，僅在原有SF6設(shè)備的結(jié)構(gòu)上替換氣體無法達到原有的滅弧性能，因此需要設(shè)計與C4F7N/CO2混合氣體性能匹配的設(shè)備結(jié)構(gòu)，如優(yōu)化噴口通道結(jié)構(gòu)，以提高混合氣體在燃弧期間的徑向熱傳導(dǎo)能力，進而提升C4F7N/CO2混合氣體的滅弧性能。

4 結(jié)束語

C4F7N/CO2混合氣體在高壓電氣設(shè)備中具有較大的應(yīng)用潛力，以126 kVGIS隔離接地開關(guān)為試驗樣機進行絕緣驗證試驗，結(jié)果表明，5%C4F7N/95%CO2混合氣體在0.7 MPa氣壓下能夠順利通過±550 kV雷電沖擊試驗、230 kV/1 min工頻耐受電壓試驗及184 kV下局部放電試驗，具有一定的絕緣裕度。結(jié)合實際工程應(yīng)用，給出了C4F7N/CO2混合氣體在運行維護、材料相容性及結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的一些建議。

參考文獻

[1] 王浩，顏湘蓮，韓冬，等.C4F7N/CO2及其分解氣體與橡膠密封材料的相容性實驗[J].高電壓技術(shù)，2022，48（7）：2625-2634.