不均匀电场下CF3I/N2混合气体工频击穿特性试验

肖 淞 张晓星 韩晔飞 戴琦伟



不均匀电场下CF3I/N2混合气体工频击穿特性试验

肖 淞 张晓星 韩晔飞 戴琦伟

（武汉大学电气工程学院 武汉 430072）

从工频击穿性能的角度探讨CF3I/N2混合气体替代SF6气体用于气体绝缘设备的可能性。通过工频击穿试验探究气压、混合比和电极间距三种因素对CF3I/N2混合气体工频击穿电压的影响，并与相同条件下的SF6/N2混合气体进行对比分析，提出使用协同效应指数值判定混合气体协同效应类型及协同效应强弱的定量分析方法。结果表明，随着混合比、气压的升高，CF3I/N2混合气体工频击穿性能逐渐接近SF6气体，较高气压下的CF3I/N2混合气体更具有应用潜力。CF3I/N2混合气体工频击穿电压呈正协同效应，而且CF3I气体具有优良的自恢复绝缘性能。综合考虑工频击穿性能、液化温度和环境影响三种因素，在特定的场合下，CF3I含量为20%～50%的CF3I/N2混合气体有可能替代SF6气体用于气体绝缘设备。

CF3I/N2混合气体 工频击穿电压 替代气体 协同效应 液化温度

0 引言

SF6气体绝缘设备主要包括气体绝缘组合电器（Gas Insulated Switchgear，GIS）、气体绝缘断路器（Gas Insulated Breaker，GIB）、气体绝缘变压器（Gas Insulated Transformer，GIT）以及气体绝缘线路（Gas Insulated Line，GIL）等，具有占地面积少、维修方便、检修周期长、电磁污染小以及安全可靠等优势，在电网中被大量使用[1,2]。虽然1997年的《京都议定书》将SF6气体定为限制使用的高温室效应气体，但SF6气体在气体绝缘设备中的使用量仍然逐年增加。SF6气体温室效应潜在值（Global Warming Potential, GWP）是CO2气体的23 900倍，且在大气中寿命长达3 200年，对全球变暖有累积效应[3,4]。

SF6气体绝缘设备的正常泄露、调试、检修以及SF6气体的回收都会使得SF6气体进入大气环境中。目前，减少SF6气体排放的措施包括采用更先进的SF6气体泄漏检测设备，定期检测SF6绝缘设备中SF6气体的泄漏量，并及时采用先进材料进行泄漏部位的封堵[4]以及SF6气体回收再利用技术的研究与应用。这些措施一定程度上减少了SF6的排放量。同时，科研人员做了大量研究，希望找到能够替代SF6气体用于气体绝缘设备的新介质。替代气体的研究首先针对SF6/N2、SF6/CO2混合气体展开，研究发现SF6含量在20%~40%的SF6/N2混合气体具有较好的应用前景。例如，在瑞士日内瓦机场线路改造时，用于代替原有架空线的GIL，填充介质为20%SF6/80%N2混合气体[5]。从长远角度来，无论是采用保守的方法（比如泄漏的检测与封堵），还是用SF6混合气体替代纯SF6气体，都无法从根本上消除SF6气体的温室效应影响及其分解产物中剧毒物质对人身的威胁。SF6的温室效应问题已经成为一个不容忽视的全球问题，鉴于日益严峻的全球气候变暖问题，迫切需要寻找温室效应较小而耐电强度与SF6气体相当的气体替代SF6。科研人员研究的比较多的是含F原子的电负性气体，包括八氟环丁烷（c-C4F8）、六氟乙烷（C2F6）、全氟丙烷（C3F8）、三氟碘甲烷（CF3I）等[6-8]。

CF3I气体无色、无味、不可燃[9,10]，其GWP＜5，远远低于SF6气体，臭氧消耗潜在值（Ozone Depleting Potential, ODP）约为0，且大气寿命仅为0.005年，对环境影响甚微。CF3I气体与SF6气体基本性质的对比见表1[11]。CF3I气体是经NFPA标准认证的哈龙1301优选替代灭火剂，在半导体蚀刻、发泡剂等领域也具有广泛的应用前景。近年来，科研人员对CF3I气体的绝缘性能和灭弧性能展开了一系列研究，研究表明，CF3I及其混合气体是一种性能优良的绝缘气体。CF3I气体在均匀电场下的绝缘性能总体高于SF6气体，而在不均匀电场下略低于SF6气体[12-14]。CF3I气体放电分解产物有C2F6、CHF3、C3F8、C3F6和 C2F5I等，几乎没有毒性[15]。纯CF3I气体的灭弧性能是SF6气体的0.9倍，混合比（本文指CF3I气体或SF6气体在混合气体中的比例）= 20%的CF3I/CO2混合气体开断性能已经与纯CF3I接近[11,16]。缓冲气体（如N2、CO2等）可以降低CF3I液化温度，改善CF3I混合气体的绝缘性能和灭弧性能。CF3I替代气体的研究主要集中在灭弧性能、电子崩放电的微观参数和准均匀电场的耐电强度等方面，本文使用针-板电极模型模拟固定金属突出物缺陷。对不均匀电场下CF3I/N2混合气体的工频击穿性能进行研究，为SF6替代气体的研究提供试验依据。

表1 CF3I气体与SF6气体的基本性质的对比

Tab.1 The comparison of general properties of CF3I and SF6

1 CF3I/N2混合气体工频击穿试验

1.1 试验平台

本文所用的试验回路如图1所示，气体工频击穿试验在如图2所示的气体绝缘性能试验装置中进行，气体绝缘性能试验装置分为内罐和外罐两部分。内罐嵌套在外罐中，是一个由不锈钢法兰和圆筒形有机玻璃罐体组成的封闭式容器，内部放置缺陷模型，充入试验气体，进行工频击穿性能试验。外罐是一个由不锈钢法兰和圆筒形不锈钢罐体组成的封闭式容器，在局部放电信号采集时，可以屏蔽外部信号干扰。在外罐的一侧法兰上加装玻璃视窗，以便观察内罐中的试验现象。

图1 试验回路

图2 气体绝缘性能试验装置

本文主要研究固定金属突出物缺陷下CF3I/N2混合气体的工频击穿绝缘特性。而气体绝缘设备中固定金属突出物大小不一，表面通常比较尖锐，容易在缺陷头部形成高场强区，实验室可以用针-板电极模型模拟不同电场均匀度的金属突出物缺陷[17]。本文所用针电极与板电极如图3所示，其中，针电极直径为3mm，长为17mm，针尖部分长为7mm，曲率半径为0.3mm，材料选用导电性优良的黄铜。板电极厚度为8mm，平板部分直径为92mm，材料也选用黄铜。由于黄铜熔点较低，击穿试验易造成针电极尖端烧熔损坏，电场均匀度改变，试验结果不准确，在进行击穿试验时，必须定期更换针电极。

图3 针电极与板电极

1.2 试验方法及数据记录

用干净的丝绸布沾无水酒精擦拭气体绝缘性能试验装置内罐内部及电极，减小固体颗粒物、水分等杂质对工频击穿试验的影响，确保击穿试验处在洁净、干燥的环境中，待风干后对试验装置的气密性进行检查。

向内罐充入试验气体进行洗气，洗气过程重复2～3次，减少装置中的气体杂质和水分，然后向内罐中充入一定气压和混合比的试验气体，质量大且含量少的SF6气体或CF3I气体先充，N2气体后充，并静置10min，保证混合气体混合均匀。

采用逐步升压法进行工频击穿性能试验，并重复测量5次取平均值，考虑到每次击穿造成的针-板电极温度升高对试验结果的影响及绝缘气体的自恢复性能，每两次击穿的时间间隔为5min。

2 试验结果及分析

试验对象为SF6/N2及CF3I/N2混合气体，混合气体压力取为0.10MPa、0.15MPa、0.20MPa、0.25MPa和0.30MPa（文中提到的气压都为绝对气压），混合比取0、10%、20%、30%、50%、80%和100%，针-板电极距离取5mm和10mm，分别对应不同的电场均匀度。

2.1 纯CF3I气体的工频击穿特性

图4为不同电场均匀度下纯N2、SF6和CF3I气体的工频击穿电压与气压的关系。纯N2的工频击穿电压随气压增加呈线性增长，纯CF3I气体在不同电场均匀度下的工频击穿电压随气压的增长呈现不同的变化趋势。电极间距5mm时，CF3I工频击穿电压随气压的增加呈线性增长，而电极间距10mm时，工频击穿电压先减后增，最小值出现在0.15MPa附近。不均匀电场下，纯SF6气体的工频击穿电压随气压增加先增后减，曲线的非线性特性明显。SF6工频击穿电压对气压的敏感程度较高，针-板距离越近，电场均匀度越大，曲线非线性越明显，SF6对气压的敏感程度越高；而纯N2对气压的敏感度较低。三种气体不均匀电场下对气压的敏感程度从大到小依次为SF6、CF3I、N2。

图4 纯气的工频击穿电压与气压的关系

为了更好地说明CF3I气体的工频击穿绝缘性能，定义相对工频击穿强度为

图5 纯CF3I和N2的相对工频击穿强度

2.2 CF3I/N2混合气体的工频击穿特性

不同混合比、不同电极间距的SF6/N2和CF3I/N2混合气体工频击穿电压与气压的关系如图6所示。当混合比＜30%时，CF3I/N2的工频击穿电压随气压呈线性增长。当混合比＞30%时，随气压增长趋势变缓。电极间距为5mm时的SF6/N2随气压变化趋势与CF3I/N2接近，但电极间距10mm的情况稍有不同，当＞10%时，SF6/N2随气压增长趋势逐渐变缓。SF6和CF3I气体的少量加入极大提高了混合气体的工频击穿强度，随着的不断增加，工频击穿电压的提升效果明显下降。N2改善了不均匀电场下SF6气体对气压的敏感度，高气压下SF6/N2混合气体的工频击穿电压出现高于纯SF6的情况。对CF3I气体而言，N2使CF3I/N2混合气体的工频击穿电压有了质的提高，CF3I/N2混合气体的工频击穿电压出现明显高于纯CF3I的情况，这种现象在电极间距10 mm时（见图6d）尤为明显，CF3I/N2混合气体比纯CF3I更适合用于用作绝缘气体。

图7a和图7b分别为电极间距5mm、10mm，不同混合比的CF3I/N2混合气体的相对工频击穿强度，由式（1）得到。CF3I/N2混合气体的相对工频击穿电压随气压的增加先减后增，并且，增加的趋势逐渐增强，的极小值出现在0.15MPa附近。当=30%时，CF3I/N2混合气体的工频击穿强度整体达到纯SF6的0.6倍以上，此时，若气压增加到0.3MPa，电极间距5mm时CF3I/N2的相对工频击穿强度增加到0.9，电极间距为10mm时增加到0.85。当=50%，气压为0.3MPa，电极间距为5mm时，CF3I/N2的工频击穿强度与纯SF6相当。随着电场均匀度的提高，气压较高时CF3I/N2的相对工频击穿强度总体增强。总之，气压较高时，CF3I/N2混合气体展现出良好的工频击穿特性，有更大的应用潜力。

（a）5mm SF6/N2

（b）5mm CF3I/N2

（c）10mm SF6/N2

（d）10mm CF3I/N2

图6 SF6/N2和CF3I/N2混合气体工频击穿电压与气压的关系

Fig.6 Power frequency puncture voltage of SF6/N2 and CF3I/N2 gas mixtures as a function of gas pressure

（a）5mm

（b）10mm

图7 CF3I/N2混合气体的相对工频击穿强度

Fig.7 Relative power frequency puncture voltage of CF3I/N2 gas mixture

2.3 CF3I/N2混合气体的协同效应

不同气压、不同电极间距的SF6/N2和CF3I/N2混合气体工频击穿电压与的关系如图8所示。两种混合气体的工频击穿电压均随着混合比的增加而呈非线性增大，且随着气压的增加，非线性逐渐增强。CF3I/N2混合气体工频击穿电压随混合比增加的非线性要强于SF6/N2混合气体，这也是CF3I/N2混合气体作为绝缘气体的优势。SF6/N2混合气体仅在气压较高时，工频击穿电压随混合比的变化出现明显驼峰，而CF3I/N2混合气体的工频击穿电压在气压不低于0.15MPa时都出现明显驼峰，而且，随着气压的增加，驼峰的峰值逐渐移向混合比减小的方向。实际上，非线性度的大小可以用协同效应的明显程度来表示，两种气体（至少一种是电负性气体）混合后，混合气体的绝缘性能随电负性气体含量的增加而呈现出四种不同的变化形式为负协同效应、线性关系、协同效应和正协同效应[18]，分别对应图9中的曲线1～曲线5。曲线1、曲线2的情况都归为负协同效应，呈负协同效应型的混合气体极少，文献[18]中指出仅有CBrClF2/SF6混合气体满足图9曲线1的负协同效应型。

（a）5mm SF6/N2

（b）5mm CF3I/N2

（c）10mm SF6/N2

（d）10mm CF3I/N2

图8 SF6/N2和CF3I/N2混合气体工频击穿电压与k的关系

Fig.8 Power frequency puncture voltage of SF6/N2 and CF3I/N2 gas mixtures as a function of k

文献[6,19]描述了SF6/N2、c-C4F8/N2等混合气体击穿电压的协同效应，协同效应的大小可以用协同效应指数表示。与气压及混合比的关系为

式中，1和2为纯气体的击穿电压；m为混合气体的击穿电压。

根据式（2）计算，得到SF6/N2混合气体的协同效应值见表2，以及CF3I/N2混合气体的协同效应值见表3。SF6/N2及CF3I/N2混合气体的协同效应都出现了负值，而文献[6]仅对0≤＜1时的协同效应做出解释，只定义了协同效应与线性关系两种类型，因此有必要对其进行补充和进一步的阐释，并提出通过混合气体的大小判定协同效应类型及协同效应强弱的定量分析方法。

图9 混合气体基本的协同效应关系类型

表2 SF6/N2混合气体的协同效应值

Tab.2 The synergistic effect C of SF6/N2 gas mixtures

表3 CF3I/N2混合气体的协同效应值

Tab.3 The synergistic effect C of CF3I/N2 gas mixtures

（1）＜，＜0∪≤＜1，＞1，其中0＜＜1，则混合气体属于负协同效应型，越大，负协同效应越明显，对应图9中曲线1。

（2）＞1，则混合气体属于负协同效应型，越大，负协同效应越明显，对应图9中曲线2。

（3）=1，则混合气体属于线性关系型，m随着的增长由2线性增长到1，对应图9中曲线3。

（4）0＜＜1，则混合气体属于协同效应型，且越接近0，协同效应越明显，对应图9中曲线4。

（5）＜，0＜＜1∪≤＜1，＜0，其中0＜＜1，则混合气体属于正协同效应型，越小，正协同效应越明显，对应图9中曲线5。

由表2和表3可以看出，随着气压升高，相同混合比的SF6/N2和CF3I/N2混合气体的值总体呈下降趋势。SF6/N2混合气体值符合上述分析的第（4）条，呈现协同效应。值仅在气压达到0.25MPa以上时出现负值，随着电压升高，SF6/N2由协同效应型逐渐转变为正协同效应型，气压越高，值越小，协同效应越明显。CF3I/N2混合气体值在0.15MPa及以上气压出现大量负值，符合上述分析的第（5）条。CF3I/N2混合气体属于明显的正协同效应型，气压越高，值越小，正协同效应越明显。CF3I/N2混合气体在电极间距10mm的值总体上小于电极间距5mm时的值，说明随着电场均匀度的减小，CF3I/N2混合气体的正协同效应明显增强。

2.4 CF3I气体的自恢复绝缘性能

在绝缘击穿后，当导致击穿的原因消失时，能恢复其原来绝缘性能的绝缘介质称为自恢复绝缘。在电极间距分别为5mm、10mm时，每隔1min进行一次工频击穿试验，将工频击穿电压与击穿次数按照式（3）进行拟合，所得CF3I气体的自恢复绝缘性能如图10所示。随着击穿次数的增加，工频击穿电压呈现出极缓慢的下降趋势，在一定程度上可以忽略不计。文献[14]指出经过1 300次冲击闪络放电，CF3I气体的闪络电压下降仅为11%，说明CF3I气体具有优异的自恢复绝缘性能。

式中，b为工频击穿电压；为击穿次数；和为拟合参数。

图10 CF3I气体的自恢复绝缘性能

3 CF3I替代SF6的可行性分析

3.1 CF3I气体的工频击穿特性分析

不均匀电场下，不同混合比的CF3I/N2混合气体相对SF6的绝缘强度随气压增加先减后增，纯CF3I气体在常压下工频击穿性能可达SF6气体的80%以上，在气压0.3MPa时也达到69%以上。对于CF3I/N2混合气体，当气压超过0.2MPa时，其相对工频击穿强度急剧升高。当气压为0.3MPa时，=20%的值达到0.8以上，随着的增加，值继续增加。在=50%，气压为0.3MPa，电极间距为5mm时，=1。在气压相对较高时，CF3I/N2混合气体比纯CF3I相对绝缘强度高。从工频击穿性能的角度，气压超过0.2MPa，＞20%的CF3I/N2混合气体具有更大的应用价值。

3.2 液化温度

绝缘气体的液化温度是影响其应用的一个重要因素，CF3I气体常压下的液化温度为-22.3℃，高于SF6气体的-63.9℃，这是CF3I气体作为绝缘气体的劣势。常压下N2的液化温度为-196℃远远低于CF3I。若将CF3I和N2都当作理想气体，则CF3I/N2混合气体相应分压下的CF3I的液化温度可作为混合气体的液化温度，这从一定程度上改善了纯CF3I气体液化温度高的劣势。混合气体中CF3I气体对应的分压与混合气体液化温度之间的关系[20]为

式中，m为CF3I气体在混合气体中对应的分压（MPa）；c为临界气压（MPa）；为混合气体液化温度（K）；c为临界温度（K）；=1-/c。c= 3.86MPa，c=390.05K，1=-7.190 45，2=-1.348 29，3=-1.580 35，4=-5.466 80。

根据式（4）可以计算出CF3I混合气体在不同气压、值时的液化温度，混合气体的液化温度与之间的关系如图11所示。混合气体的液化温度随值增长逐渐变缓，若要求CF3I/N2混合气体在-10℃左右（例如中国南方部分地区）不液化，0.5MPa的CF3I/N2混合气体不能超过32%，0.4MPa时不能超过40%，0.3MPa时不能超过53%。从液化温度的角度来说，不超过50%的CF3I/N2混合气体都具有一定的应用价值。

图11 混合气体的液化温度与k之间的关系

4 结论

1）极不均匀电场下，气体工频击穿特性对气压的敏感程度为SF6＞CF3I＞N2。CF3I气体的工频击穿电压随气压和电极距离的增大呈逐渐增加趋势，而且CF3I气体具有优良的自恢复绝缘性能。

2）从液化温度角度定量分析了混合比的使用范围，若要求环境温度-10℃，则0.5MPa的CF3I/N2混合气体不超过32%，0.4MPa时不超过40%，0.3MPa时不超过53%。

3）CF3I/N2混合气体工频击穿电压呈正协同效应，当=30%时，CF3I/N2混合气体的工频击穿强度整体达到纯SF6的60%以上。此时，当气压增加到0.3MPa，相对工频击穿强度提高到0.85以上，气压较高时的CF3I/N2具有更大的应用价值。

综上所述，在特定场合，为20%～50%的CF3I/N2混合气体有替代SF6气体用作气体绝缘设备的潜力。

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Experiment on Power Frequency Puncture of CF3I/N2Gas Mixtures in Non-Uniform Electric Fields

（School of Electrical Engineering Wuhan University Wuhan 430072 China）

The paper discussed the possibility of CF3I/N2gas mixtures an alternative to SF6used in gas-insulated equipment, from the point of the power frequency puncture voltage performance. The influence of gas pressure, mixing ratio and gap distance on power frequency puncture voltage of the CF3I/N2gas mixtures was studied through power frequency puncture tests. The power frequency puncture voltage of the CF3I/N2gas mixtures was comparatively analyzed with SF6/N2gas mixtures. The paper proposed a quantitative analysis method using thevalue to determine the type and strength of gas mixture synergism. The results show that power frequency puncture voltage performance of CF3I/N2gas mixtures is gradually approaching to SF6with the increase of the mixing ratio and gas pressure. CF3I/N2gas mixtures in relative high pressure have higher application potential. The power frequency puncture voltages of CF3I/N2gas mixtures presentpositive synergistic effect. Furthermore, CF3I gas has excellent insulating recovery property. Considering the power frequency puncture voltage performance, liquefaction temperature and environmental impacts, CF3I/N2(The content of CF3I is 20%～50%) gas mixtures may replace SF6gas for gas-insulated equipment in certain situations.

CF3I/N2gas mixture, power frequency puncture voltage, alternative gases, synergistic effect, liquefaction temperature

TM835

肖 淞 男，1988年生，博士，研究方向为电气设备在线监测与故障诊断、SF6环保替代气体。

E-mail: xiaosongxs@gmail.com（通信作者）

张晓星 男，1972年生，博士，教授，博士生导师，研究方向为电气设备在线监测与故障诊断、绝缘状态评估、新型传感器技术。

E-mail: zhxx@cqu.edu.cn

2014-12-17 改稿日期 2015-06-28