摘" 要：氣體間隙和表面放電特性是影響氣體絕緣電氣設(shè)備設(shè)計(jì)的重要因素。壓縮干燥空氣（CDA）是替代電氣設(shè)備中SF6氣體的環(huán)保氣體之一。該研究報(bào)告交流電壓下干燥空氣、SF6和6%C4F7N/94%CO2混合氣體的擊穿特性。研究發(fā)現(xiàn)，0.8 MPa時(shí)CDA的絕緣強(qiáng)度與0.3 MPa絕對(duì)壓力下的SF6氣體相當(dāng)，與0.4 MPa絕對(duì)壓力下的6%C4F7N/94%CO2混合氣體相當(dāng)。與傳統(tǒng)的SF6絕緣設(shè)備相比，CDA可以作為更大尺寸或更高氣體壓力的電力設(shè)備中的替代絕緣氣體。在550 kV GIS設(shè)備中還獲得CDA的雷電沖擊擊穿強(qiáng)度。這些結(jié)果可以為采用CDA作為絕緣介質(zhì)的GIS設(shè)備的設(shè)計(jì)提供參考，并加速環(huán)保電氣設(shè)備的推廣。

關(guān)鍵詞：壓縮氣體;氣體放電;環(huán)保絕緣氣體;絕緣強(qiáng)度;氣體介電體

中圖分類號(hào)：O659" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）11-0069-04

Abstract： Gas gap and surface discharge characteristics are important factors affecting the design of gas-insulated electrical equipment. Compressed dry air （CDA） is one of the environmentally friendly gases that replace SF6 gas in electrical equipment. The study reported the breakdown characteristics of dry air， SF6 and a 6%C4F7N/94%CO2 mixture gas at AC voltage. It was found that the insulation strength of CDA at 0.8 MPa is equivalent to SF6 gas at 0.3 MPa absolute pressure， and equivalent to 6%C4F7N/94%CO2 mixture gas at 0.4 MPa absolute pressure. Compared to traditional SF6 insulation equipment， CDA can be used as an alternative insulation gas in power equipment of larger size or higher gas pressure. Lightning impulse breakdown strength of CDA was also obtained in 550 kV GIS equipment. These results can provide a reference for the design of GIS equipment using CDA as insulation medium and accelerate the promotion of environmentally friendly electrical equipment.

Keywords： compressed gas; gas discharge; environmentally friendly insulating gas; insulation strength; gas dielectric

隨著人們對(duì)環(huán)境保護(hù)和氣候變化的關(guān)注，越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始關(guān)注減少溫室氣體的排放，消除碳氟化合物對(duì)臭氧層的破壞。電力工業(yè)大量使用的六氟化硫氣體SF6因其最強(qiáng)的溫室效應(yīng)而被認(rèn)為是對(duì)環(huán)境的重大危害。為了解決這一問(wèn)題，研究人員開(kāi)始尋找環(huán)保型絕緣氣體（EFIGs）[1]。目前，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一系列的EFIGs，如C4F7N、c5f100等。這些氣體在某些方面具有一定的優(yōu)勢(shì)[2-4]。

近年來(lái)，壓縮干空氣（CDA）已成為電力設(shè)備絕緣材料的首選。CDA具有可再生和低成本的優(yōu)點(diǎn)。目前，CDA已應(yīng)用于72.5 kV海上風(fēng)電設(shè)備、配電網(wǎng)環(huán)柜、145 kV GIS等設(shè)備中[5]。然而，關(guān)于CDA的基本保溫特性的報(bào)道較少，仍有必要對(duì)干空氣的保溫性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。特別是與SF6氣體進(jìn)行比較，以探索替代現(xiàn)有設(shè)備保溫材料的可能性，并確保其長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

有學(xué)者對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂表面存在顆粒時(shí)空氣的表面放電進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)顆粒對(duì)局部放電電壓沒(méi)有顯著影響。但顆粒對(duì)閃絡(luò)電壓[6]有很大的影響。Zhang等[7]研究了微量空氣對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂表面放電的影響，發(fā)現(xiàn)與固體放電相比，空氣壓力的增加對(duì)閃絡(luò)電壓有顯著的影響。敖旭等[8]利用高速攝像機(jī)對(duì)不同氣壓下的表面閃絡(luò)進(jìn)行了觀測(cè)，并基于蒙特卡羅方法對(duì)表面閃絡(luò)進(jìn)行了模擬?；诿商乜_方法對(duì)大氣條件下的閃絡(luò)進(jìn)行了模擬，得出隨著氣壓的增大，真空放電與空氣放電的競(jìng)爭(zhēng)逐漸明顯的結(jié)論。

通過(guò)對(duì)空氣、SF6和C4F7N/CO2混合氣體進(jìn)行擊穿放電試驗(yàn)，比較分析空氣和SF6、C4F7N/CO2混合氣體在絕緣性能上的差異，得到不同氣壓下的放電特性。

1" 試驗(yàn)方法和程序

試驗(yàn)電路如圖1所示，變頻器最大輸出電壓為250 kV，保護(hù)電阻R1為50 kΩ，容性分壓器比為1 000∶1。用棒-板電極進(jìn)行頻率放電試驗(yàn)，模擬稍有不均勻的情況下的電力設(shè)備中的電場(chǎng)，間隙為4 mm，用如圖2所示的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行放電試驗(yàn)，并用高5 mm、直徑15 mm的環(huán)氧樹(shù)脂塊夾緊平行板電極。環(huán)氧塊高5 mm，直徑15 mm，分為摻雜Al2O3和摻雜SiO2 2種規(guī)格?？紤]到絕緣性能和液化溫度，選擇6%C4F7N/CO2氣體混合物作為試驗(yàn)氣體，可以更有效地利用C4F7N的絕緣性能而不發(fā)生液化。氣體混合比采用分壓法配置，采用氣相色譜法（GC）測(cè)量，最終氣體混合比誤差僅為0.6%。

每次測(cè)試前，用5 000目砂紙打磨，用酒精清洗。頻率放電試驗(yàn)采用分步升壓法，并以連續(xù)10次擊穿電壓的平均值作為平均擊穿電壓。取5次連續(xù)放電電壓值的平均值作為表面放電的有效數(shù)據(jù)。

2" 試驗(yàn)結(jié)果

2.1" SF6氣體放電

SF6工頻放電試驗(yàn)后，電極表面出現(xiàn)氧化痕跡。對(duì)SF6進(jìn)行表面放電，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)1～2次表面放電后，放電電壓由70 kV左右明顯降低到7 kV左右，試驗(yàn)結(jié)束后取出電極。并發(fā)現(xiàn)電極上下表面和環(huán)氧塊沿表面相應(yīng)存在明顯的磨損痕跡，如圖3所示。結(jié)合放電電壓，這可能表明SF6正在沿閃絡(luò)面釋放更多的能量，放電的高溫正在使環(huán)氧表面發(fā)生侵蝕和劣化，從而形成易放電的穿透。

2.2" C4F7N/CO2混合氣體放電

在沿表面放電時(shí)，發(fā)現(xiàn)放電前有火花和放電聲，但沒(méi)有明顯的電弧導(dǎo)致電路斷路，說(shuō)明在C4F7N/CO2混合氣體中，沿表面放電有明顯的發(fā)展過(guò)程。沿表面放電后，出現(xiàn)了不同程度的放電痕跡，但沿環(huán)氧塊最明顯的放電現(xiàn)象變?yōu)橹軤睢?/p>

2.3" 干空氣放電

圖4、圖5、圖6為不同試驗(yàn)條件下CDA的擊穿電壓?？梢钥闯觯S著氣體壓力的增加，間隙擊穿電壓和閃絡(luò)電壓都會(huì)增加。CDA中摻Al2O3絕緣與摻SiO2絕緣的表面閃絡(luò)電壓無(wú)顯著差異。對(duì)于摻Al2O3的絕緣，閃絡(luò)電壓的色散較小，這可能是由于其對(duì)表面電荷行為的影響不同。

綜合圖7、圖8、圖9中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，對(duì)于間隙絕緣，0.8 MPa干燥空氣相當(dāng)于0.3 MPa的SF6或0.4 MPa的6%C4F7N/CO2;對(duì)于表面絕緣，0.8 MPa干燥空氣相當(dāng)于0.4 MPa的6%C4F7N/CO2。在相同壓力下，在SF6和6%C4F7N/CO2中，SiO2摻雜環(huán)氧塊的絕緣性能優(yōu)于Al2O3摻雜環(huán)氧塊的絕緣性能。

3" 雷電沖擊測(cè)試

試驗(yàn)?zāi)妇€采用550 kV母線，如圖10所示。檢查氣室充有0.8 MPa干燥空氣，端部充有0.6 MPa SF6。雷電沖擊試驗(yàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如圖11所示?？梢钥闯觯瑢?duì)于干燥空氣，正極性擊穿電壓低于負(fù)極性，極性系數(shù)約為1.11。這與SF6氣體的極性效應(yīng)相反?？紤]到252 kV GIS設(shè)備耐雷擊電壓為±1 050 kV，作為252 kV設(shè)備使用時(shí)仍有20%左右的絕緣余量。

圖12為負(fù)極性和正極性雷電沖擊放電后的放電軌跡，放電主要發(fā)生在間隙處，說(shuō)明表面絕緣裕度足夠。

4" 結(jié)論

通過(guò)本研究可以得到以下結(jié)論：

1）0.8 MPa CDA的絕緣性能與0.3 MPa SF6氣體相當(dāng)，約為0.5 MPa SF6氣體的50%左右，因此，若采用空氣絕緣，必須進(jìn)行新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以保證設(shè)備的可靠性。

2）在沿面放電試驗(yàn)中，SiO2摻雜環(huán)氧樹(shù)脂對(duì)SF6和C4F7N/CO2的影響略優(yōu)于Al2O3摻雜環(huán)氧樹(shù)脂，對(duì)CDA的影響較小。在僅考慮絕緣性能的情況下，摻雜SiO2是更好的選擇。

3）在試驗(yàn)壓力高達(dá)0.8 MPa的范圍內(nèi)，CDA均沒(méi)有明顯的飽和效應(yīng)，因此增加空氣壓力是提高絕緣性能的有效方法，但仍需考慮增大設(shè)備尺寸。之前采用SF6氣體的550 kV GIS可以作為帶CDA的252 kV GIS使用。

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