CF4及其N2混合物的工频击穿特性研究

侯孟希，李卫国，袁创业，阳以歆

(华北电力大学电气工程学院， 北京102206)

CF4及其N2混合物的工频击穿特性研究

侯孟希，李卫国，袁创业，阳以歆

(华北电力大学电气工程学院， 北京102206)

SF6具有高绝缘强度和良好灭弧性能，但其温室效应指数(GWP)过高，且液化温度较高，不适合在极寒地区使用，为研究能在极寒地区使用的绝缘气体，文中针对极寒地区气体绝缘设计的要求，研究了具有低温室效应指数、低液化温度的CF4，及其N2混合物的工频击穿特性，实验结果表明：CF4及其N2混合物的工频击穿电压随气压的增加出现饱和现象；在极不均匀场中击穿电压随电极距离增大也出现饱和现象；20%的CF4/N2混合气体为最佳混合比，其绝缘强度为纯CF4击穿电压80%以上，纯SF6的50%左右，并具有较低液化温度和GWP指数，可作为极寒条件下SF6的替代气体。

SF6替代；CF4；工频击穿；绝缘特性

0 引 言

SF6以其良好的绝缘特性和灭弧能力被广泛运用于GIS、GIL、GIB中。然而,SF6也存在许多缺点[1]：SF6气体对电场的不均匀程度非常敏感；SF6在电弧的高温作用下分解出剧毒物质，对人员健康威胁很大，而且SF6液化温度较高，在极寒地区无法单独使用。

就SF6替代气体研究情况来看，c-C4F8及CF3I是常温环境下最有潜力的替代气体[2]，两者在均匀场下的绝缘强度均高于SF6，其中，c-C4F8绝缘强度为SF6的1.4倍，CF3I绝缘强度为SF6的1.21倍，在不均匀场中c-C4F8的绝缘强度也比SF6的高，但CF3I对电场的不均匀度非常敏感[3-4]。文献[5-6]研究了c-C4F8及其CO2、N2混合物的绝缘特性。文献[7]做了c-C4F8及其CF4混合气体作为SF6替代气体的SST实验研究。文献[8]研究了c-C4F8及CF4混合气体在极不均匀场下的交流击穿特性。文献[9-10]对CF3I作为SF6替代气体做了可行性分析。文献[11]研究了CF3I及其CO2、N2混合物局放特性。

CF3I见光易分解，其绝缘性能随光照急速下降[12]，且CF3I和c-C4F8的液化温度也都较高，尤其在高气压下可能在0 ℃以上就发生液化，虽然它们的N2、CO2混合物能够降低其对电场不均匀时的敏感程度，并降低其液化温度，但依然不适合在极寒地区使用，同时，c-C4F8及CF3I造价都非常昂贵，远高于SF6气体。

CF4造价相对低廉，其GWP指数仅为SF6的三分之一，也比c-C4F8的低。在0.1 MPa时，其液化温度可达-164 ℃。在CF4相关研究中基本上都是研究其灭弧性能[13]，或者作为缓冲气体辅助绝缘，而以其作为主绝缘气体的报道较为罕见。为此，本研究以CF4为主绝缘气体，探讨其混合N2后的工频绝缘特性，旨在拓展SF6替代气体的研究，为在极寒条件下气体绝缘设计提供指导。

1 实验方法

本研究实验原理主接线图如图1所示。变压器型号为YDQ200 kV/20 kVA，配合精度为1%的分压器进行电压测量。腔体采用不锈钢材料制成，腔高198 mm，底面直径为200 mm。为了研究CF4及其N2混合物的工频击穿特性，设计了板板电极(均匀场)和针板电极(极不均匀场)两对电极。其中，板板电极为不锈钢材质制成，直径为40 mm，电极表面经过抛光处理，板电极边缘依照茹科夫斯基曲线进行倒角处理。实验时电极距离设为3 mm；尖板电极采用耐烧蚀的钨钢材料制成。其中，针电极直径为11 mm，针尖部分长5 mm，曲率半径为0.5 mm。实验时，电极距离分别取5、10、15、20 mm。其电场不均匀系数计算结果如表1所示[14]。

图1 实验接线图Fig.1 Experiment circuit

电极距离d/mm5101520不均匀系数f5491125157

实验前将腔体用无水酒精擦拭干净，电极距离用塞尺进行调整。充气时先冲入组分少的气体，再冲入组分大的气体。混合气体的混合比分别为1∶4、1∶1、4∶1(CF4∶N2)，即k分别为20%、50%、80%，同时设纯CF4(k=100%)和纯N2(k=0)作为对照。混合后静置24 h再开始实验，每组实验击穿30次，击穿电压取平均值。

2 实验结果与分析

本研究对CF4及其N2混合物在均匀场和极不均匀场下进行工频击穿实验。实验气体压强取0.1～0.5 MPa。

2.1 均匀场实验结果

图2给出了均匀场下CF4及其混合物工频击穿特性随气压变化情况。由图2可知，CF4及其N2混合气体在0.35 MPa之前的击穿电压随气压升高呈线性变化。当气压超过0.35 MPa，纯CF4出现明显饱和现象，其N2混合物随CF4体积分数不同也出现不同程度的饱和现象。在均匀场条件下，当k=20%时，混合气体的绝缘强度达到纯CF4绝缘强度的80%以上，在低气压条件下甚至达到了纯CF4绝缘强度的90%，而纯CF4的绝缘强度约为同条件下纯SF6绝缘强度的55%左右[15]。因此，仅考虑均匀场击穿情况时，20%混合气体绝缘强度为纯SF6的50%左右。此时CF4/N2混合气体GWP指数非常小，液化温度小于-120 ℃，完全可以在极寒地区使用。

图2 均匀场下CF4及其N2混合物在工频条件下的击穿电压(d=3 mm)Fig.2 Breakdown voltage of CF4 and its N2 mixtures under homogeneous field(d=3 mm)

2.2 极不均匀场实验结果

图3给出了CF4及其N2混合物在不同均匀系数条件下的击穿电压随气压的变化曲线。实验结果表明，N2在0.5 MPa内随气压饱和效应不明显，N2中掺杂CF4后其绝缘强度明显提升。纯CF4在0.3 MPa后出现饱和效应。混合气体击穿电压的上升率与气压的饱和程度和CF4含量相关，CF4含量越高，则饱和气压值越低，但是饱和现象都基本出现在0.3 MPa之后。

在极不均匀电场作用下，N2首先电离，CF4可以吸附电子阻碍电子崩的发展，导致混合气体的击穿电压高于同条件下N2的击穿电压。当电极距离和混合比一定时，在极不均匀电场条件下，随着气压升高，实验腔体内分子数目增大，电子自由程减小，电子获得能量降低，氮气电离程度下降，因此，CF4-离子浓度下降，但电离出来的电子总数多于低气压条件下所产生的电子数量，所以出现击穿电压升高，但出现升高速率降低的饱和现象。

CF4含量达到20%时，混合气体的击穿电压不低于纯CF4绝缘强度的80%，且高于CF4含量为50%时的击穿电压。由于其CF4含量较低，在高气压、高电极距离条件下其击穿电压随气压升高的饱和现象并不如其他高CF4含量混合气体明显，在极寒条件下，由于温度影响，其绝缘强度还能进一步提高。当CF4含量达到80%时，气压大于等于0.4 MPa时，其击穿电压高于纯CF4的，此时CF4/N2混合气体表现出明显的正协同效应。

(a)d=5 mm,f=5.4

(b)d=10 mm,f=9.1

(c)d=15 mm,f=12.5

(d)d=20 mm,f=15.7

图3 CF4及CF4/N2击穿电压随气压变化情况
Fig.3 Breakdown voltage of CF4and CF4/N2in different pressure

图4给出了CF4及其N2混合物在恒定压力和不同混合比条件下击穿电压随电极距离变化情况。可见，CF4及其N2混合气体击穿电压随电极距离增加而升高，当电极距离超过15 mm时，其电压上升速率明显减慢。

在极不均匀场下，间隙距离较大时，电场强度较高，此时气体混合物电离程度较高，初始电子崩较为容易产生，当电极距离进一步增大时，最大电场强度Emax变化不大，所以气体电离程度并未同步升高，因而击穿电压随电极距离增大呈现饱和现象。Emax计算结果如表2所示。

综合均匀场和极不均匀场击穿电压情况，20%CF4/N2具有很好的绝缘强度，且GWP指数较低，性价比最高，是CF4/N2混合物的最佳配比。

(a)P=0.1 MPa

(b)P=0.3 MPa

(c) P=0.5 MPa

Tab.2 Emax under unhomogeneous field kV

3 结 论

本研究对具有在极寒地区使用潜力的SF6替代气体CF4及其N2混合物的工频绝缘特性进行了相关研究，分析了不同压力、混合比对气体绝缘特性的影响，得到以下结论：

①CF4及其N2混合气体在工频均匀场条件下的击穿电压随气压(0.3 MPa之前)升高呈线性增长，在0.35 MPa左右出现饱和现象。

②CF4及其N2混合气体在工频极不均匀场条件的击穿电压随电极距离和气压增加都存在饱和现象。混合比80%时出现正协同效应。

③CF4/N2混合物最佳配比为20%，此时绝缘强度为纯CF4击穿电压的80%以上，为纯SF6的50%左右，同时具有较低的液化温度和GWP指数，可作为极寒条件下SF6的替代气体。

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(责任编辑 裴润梅)

Study on AC breakdown characteristics of CF4and its N2mixtures

HOU Meng-xi, LI Wei-guo, YUAN Chuang-ye, YANG Yi-xin

(Scool of Electrical and Electronic Engineering，North China Electric Power University， Beijing 102206,China)

SF6has excellent dielectric and arc extinguishing properties, but due to its extremely high global warming potential (GWP) index and liquefaction temperature, so that normally it cannot be used in extremely cold regions. In order to find dielectric gas used in extremely cold regions, the breakdown characteristics of CF4and N2mixtures which has low GWP index and liquefaction temperature under condition of power frequency is studied. It is concluded that the breakdown voltage of CF4and its N2mixtures at power frequency is saturated with the increase of air pressure and the breakdown voltage is also saturated with the increase of the distance between electrodes under extremely non-uniform field. 20% CF4/N2is the best mixing ratio. And its dielectric strength is 80% of CF4and 50% of SF6. Taking GWP and dew-point temperature into consideration, 20% CF4/N2can be the one of potential mixture in extremely cold regions.

SF6substitution; CF4; AC breakdown; insulation property

2016-09-22；

2016-10-08

国家自然科学基金资助项目(51277063)

李卫国(1954—)，男，北京人，华北电力大学教授，博士生导师；E-mail：407979351@qq.com。

侯孟希，李卫国，袁创业，等.CF4及其N2混合物的工频击穿特性研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(6)：1863-1868.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1863

TM855

A

1001-7445(2016)06-1863-06