典型断口结构下C4F7N/CO2混合气体绝缘特性实验研究与仿真分析

辛昭昭 姜 旭 霍 鹏

（1. 西安高压电器研究院有限责任公司 西安 710077 2. 西安西电开关电气有限公司 西安 710077）

0 引言

六氟化硫（Sulphur Hexafluoride, SF6）气体具有优秀的绝缘和灭弧性能，一直以来都是高压电器产品最主要的绝缘与灭弧介质。但是相关报告显示，SF6气体的全球变暖指数（Global Warming Potential, GWP）是CO2的23 900倍，且SF6的化学性质极为稳定，基本不会自然分解，大量SF6气体释放于大气中势必会对环境产生破坏性影响，这一问题已经引起广泛关注[1]。随着温室效应的加剧和各国对环保要求的提高，越来越多的研究者开展了SF6替代气体的探索与研究工作。但是这一研究工作并不顺利[2-4]，相关潜在替代气体如c-C4F8、CF4等，绝缘和灭弧性能较好但温室效应指数依然偏高；而温室效应低的气体，如CO2、N2等，往往绝缘和灭弧性能较差[5]。这些气体都未能在高压电器中获得较好的应用。

近几年，由美国3M公司研发的3MTMNovecTM4710（全氟异丁腈C4F7N）气体，其温室效应系数较低（GWP值为2100），绝缘能力强大（约为SF6的2倍），因而成为研究热点，其具有较好的工程应用前景[6-9]。由于该气体的液化温度相对较高（一个大气压下，-4.7℃），需与缓冲气体混合后才能应用，目前普遍采用灭弧性能相对较好的CO2气体作为缓冲气体[10-12]。混合后气体绝缘性能需要更多详细的研究来明确，且从应用角度，需与典型产品结构相结合[13-18]。

本文中为研究C4F7N/CO2混合气体绝缘特性及其与典型断口结构下电场的匹配关系，结合72.5kV开关产品隔离断口、同轴电极两种结构进行了样机设计，开展了相应的实验研究与仿真分析，并对C4F7N/CO2混合气体的工程应用进行了讨论。

1 针对典型断口结构的实验样机设计

1.1 实验样机整体结构

实验样机主要由实验腔体、直动密封装置、手动操动机构、高压出线套管、底架等组成，如图1所示。实验腔体配有观察窗，端部设有充放气自封阀和压力表，满足实验中观察和充放气需要。实验腔体内安装电极结构，可灵活更换及调整电极距离。

图1 实验样机模型Fig.1 Experimental prototype model

基于以上样机模型，本文首先针对样机整体进行了电场计算，对除腔体内电极结构以外的样机本体中电气结构薄弱点进行了优化设计。计算参考额定电压72.5kV设备绝缘水平，以雷电冲击耐受电压通用值325kV作为计算输入，计算获得的实验装置整体电场强度云图如图2所示。计算显示存在多处电场强度集中的位置，高压套管导体表面最大电场强度约为16.9kV/mm，转换接头下端电场强度最大约20.5 kV/mm。样机本体电场强度薄弱点示意如图3所示，对两处薄弱点，尤其是转换接头下端进行了重点优化，使电场强度控制在17.0kV/mm以下，避免了该处误放电的风险。

图2 实验模型整体电场强度云图Fig.2 The overall electric field intensity diagram of the experimental model

图3 样机本体电场强度薄弱点示意图Fig.3 Schematic diagram of the weak point of the electric field of the prototype

针对初步实验中发现的腔体端部盆式绝缘子与外壳三交区位置放电的情况，如图4所示，通过壳体处理使该处电场强度最大值由29.0kV/mm降至22.5kV/mm，未再观察到放电情况。

图4 绝缘盆子与外壳三交区局部电场优化Fig.4 Local electric field optimization in the threeintersection area of the insulating basin and the shell

1.2 隔离断口结构

在样机结构整体合理的基础上，实验腔体内配装隔离断口电极，如图5所示，高压电极固定于绝缘盆子嵌件并向外连接，接地电极可通过操动机构左右平直移动，从而调整实验开距。电极结构的设计应保证实验中击穿发生在高压电极和接地电极间，

图5 隔离断口电极结构示意图Fig.5 Schematic diagram of the disconnecting contact electrode structure

不得出现高压电极对壳体或其他部件放电的情况。电场计算显示，本实验装置断口开距最大应控制在20mm以下，如图6为最大开距下的断口电场云图。

图6 最大开距下的断口电场云图Fig.6 The electric field distribution of the clearance under the maximum opening distance

1.3 同轴电极结构

实验腔体内配装同轴电极结构如图7所示。高压电极支座与绝缘盆子嵌件相连，在高压电极支座上安装高压电极圆棒、在地电极法兰上安装地电极圆筒。通过电场计算保证实验间隙下圆棒表面始终是最大电场强度位置，计算优化了高压电极圆棒与接地后端盖距离，地电极端部弯边圆弧大小、地电极距离高压电极支座距离，以及地电极安装方式等。本实验装置中最大设计间隙为25mm，图8所示为最大同轴间隙下的电场分布云图，符合设计要求。

图7 同轴电极结构示意图Fig.7 Schematic diagram of coaxial electrode structure

图8 最大同轴间隙25mm时电场分布云图Fig.8 Electric field distribution diagram when the maximum coaxial gap is 25mm

2 气体绝缘特性实验

2.1 实验准备

结合已准备的实验样机，搭建了C4F7N/CO2混合气体实验研究平台，如图9所示。其中C4F7N气体由美国3M公司提供，缓冲气体选用纯度大于99.999%的工业用高纯CO2，实验在西安高压电器研究院进行。试验前，利用已多次校验的“新型绝缘气体配气灌充装置”进行不同比例C4F7N、CO2气体的混配和充气；试验后，通过回收装置进行废气回收。在采用SF6气体进行对比研究前后，进行充分地洗气和抽真空。实验在两种电极结构下进行，以C4F7N/CO2混合气体作为主要的研究气体，并对比纯SF6气体，研究了雷电冲击电压下，不同充气压力、不同断口开距等对气体绝缘性能的影响。实验利用冲击电压发生器产生标准雷电冲击电压波形，并通过升降压法获得典型断口或间隙下的50%击穿电压值。

图9 C4F7N/CO2混合气体实验研究平台Fig.9 C4F7N/CO2 mixed gas experimental research platform

2.2 隔离断口结构下实验结果

根据应用实际，本文重点研究表压0.4MPa和0.5MPa下的气体绝缘性能。实验中调整电极开距为分别为2mm、4mm、6mm和8mm。实验显示：

（1）在隔离断口电极结构下，对于SF6气体及C4F7N/CO2混合气体，皆为负极性冲击电压下的50%击穿电压值低于正极性冲击电压下的值。

（2）在负极性电压下，表压0.4MPa时，对比纯SF6气体和C4F7N/CO2混合气体（C4占比20%）的50%击穿电压与开距的关系，如图10所示。随着开距的增大，C4F7N/CO2混合气体绝缘性能与纯SF6气体相比差距有增大的趋势。在8mm开距下，C4F7N/CO2混合气体50%击穿电压为246kV，纯SF6气体为296kV，认为该条件下，C4F7N/CO2混合气体绝缘强度为纯SF6气体的83.1%。

图10 50%击穿电压与开距的关系（0.4MPa）Fig.10 The relationship between 50% breakdown voltage and distance (0.4MPa)

（3）表压0.5MPa时，对比纯SF6气体和C4F7N/CO2混合气体（C4占比16.7%）的50%击穿电压与开距的关系，如图11所示。当开距8mm时，C4F7N/CO2混合气体的50%击穿电压为301.6kV，纯SF6气体为345.9kV，认为该条件下，C4F7N/CO2混合气体绝缘强度为纯SF6气体的87%。

图11 50%击穿电压与开距的关系（0.5MPa）Fig.11 The relationship between 50% breakdown voltage and open distance (0.5MPa)

（4）C4F7N/CO2两种气压配比下的50%击穿电压与SF6的比较，如图12所示。以8mm开距为例，当气压由0.4MPa提高到0.5MPa时，C4F7N/CO2混合气体的50%击穿电压由246kV提高至301.6 kV，增大了55.6kV，超过0.4MPa下纯SF6气体296kV的绝缘水平。同样地，为达到表压0.4MPa、6mm开距下纯SF6气体的绝缘水平（50%击穿电压为235.5kV），C4F7N/CO2混合气体的压力可增大到0.5MPa（50%击穿电压为239.2kV），或断口距离增大到约8mm（50%击穿电压为246kV）。

图12 C4F7N/CO2两种气压配比下的50%击穿电压与SF6的比较Fig.12 The comparison of 50% breakdown voltage between C4F7N/CO2 at two gas pressure ratios and SF6

2.3 同轴电极结构下实验结果

采用10mm同轴间隙，分别充入C4F7N/CO2混合气体及纯SF6气体进行雷电冲击电压下的实验研究，实验结果见表1。实验表明：

表1 同轴电极结构下雷电冲击实验结果Tab.1 Lightning impact test results under the coaxial electrode structure

（1）两种气体的负极性电压下的50%击穿电压值更低。

（2）10mm同轴间隙及负极性电压下，气体压力0.4MPa的20%C4F7N+80%CO2混合气体的50%击穿电压为228.5kV；达到同气压纯SF6气体50%击穿电压264.0 kV的86.6%。

（3）10mm同轴间隙及负极性电压下，气体压力0.5MPa的16.7% C4F7N+83.3%CO2混合气体的50%击穿电压为244.8kV；达到同气压纯SF6气体50%击穿电压303.8 kV的80.6%。

虽然特定压力下C4F7N/CO2混合气体的绝缘强度与纯SF6气体还有差距，但是已经达到SF6的80%以上，这一结果对于开关设备中应用C4F7N/CO2混合气体时的绝缘结构设计具有指导意义。

3 仿真分析

3.1 隔离断口结构下的电场仿真分析

隔离断口电场计算测点的分布如图13所示，测点1、3为高压电极上的两处电场强度集中点，测点2、4为接地电极上的电场强度集中点，测点5为壳体上的监测点。显然，同为接地的测点2、4处电场强度值应始终大于测点5处的值，因此，装置在实验中存在最大电极距离的限制。

图13 隔离断口电场计算测点图分布Fig.13 Measurement point diagram of the disconnecting contact for the electric field calculation

以雷电冲击电压通用值325kV作为计算输入，对开距在8~25mm之间变化时的电场强度进行计算，各测点电场强度值的变化情况如图14所示。可以看到：①小开距时测点1和2处的电场强度更大，显示击穿更容易发生在测点1和2之间；②随着开距增大，测点1和2的值几乎等比例下降，测点4有相同趋势；③测点3的值随开距增大有“上翘”的趋势，开距20mm时测点3的值等于测点2的值；

图14 各测点电场强度值随开距的变化趋势Fig.14 The electric field value of each measuring point changes with the distance

开距8mm时的电场分布云图如图15所示，以雷电冲击电压325kV为计算输入时，对应的最大电场强度位于高压电极上的测点1，电场强度值为50.6kV/mm。以实验获得的表压0.4MPa时，8mm开距下的C4F7N/CO2混合气体50%击穿电压246kV为计算输入，对应的电场强度最大值为38.3kV/mm，以这一值作为该条件下的50%击穿电场强度E50%。同样地，以实验获得的0.5MPa时，8mm开距下的混合气体50%击穿电压306.1kV为计算输入，可获得该条件下的50%击穿电场强度E50%为47.6 kV/mm。

图15 开距8mm时的电场分布云图Fig.15 Electric field distribution diagram when the opening distance is 8mm

3.2 同轴电极结构下的电场仿真分析

同轴电极结构下的电场强度最大值出现在同轴电极间隙平行段的高压圆棒表面。以雷电冲击电压325kV为计算输入，间隙10mm时，电场分布云图如图16所示，电场强度最大值约为38.2kV/mm；间隙20mm时，电场强度最大值为23.5kV/mm；间隙25mm时，电场强度最大值为17.8 kV/mm。

图 16 同轴间隙10mm时电场分布云图Fig.16 Electric field distribution diagram when the coaxial gap is 10mm

以实验获得的间隙10mm时0.4MPa下20%C4F7N+80%CO2混合气体的50%击穿电压228.5kV作为计算输入，可获得该条件下混合气体的50%击穿电场强度E50%为26.8kV/mm；以实验获得的间隙10mm时0.5MPa下16.7% C4F7N+83.3%CO2混合气体的50%击穿电压244.8kV作为计算输入，可获得该条件下混合气体的50%击穿电场强度E50%为28.7 kV/mm。

3.3 C4F7N/CO2混合气体的电场强度设计基准探讨

目前，高压产品基于电场强度计算的设计方法越来越被认可。通过C4F7N/CO2混合气体和SF6气体的对比实验和仿真研究可以总结环保C4F7N/CO2气体电场强度设计的一些准则。基本方法有以下两种：

（1）采用类比法获取电场强度设计基准，如图17所示。因为纯SF6气体的电场强度设计基准相对成熟，可认为是已知条件E1，通过实验比较环保C4F7N/CO2气体和纯SF6气体在特定条件下的50%击穿电压，得到相应比例系数K，即可得到环保气体的电场强度设计基准E2。本文中两种典型电极结构下的K值均大于0.8，详见第2节。考虑到新型气体与SF6气体绝缘特性上的差异，本方法只具有粗略的指导意义。

图17 类比法获取电场强度设计基准的流程图Fig.17 Flow chart for obtaining field strength design basis by analogy

（2）通过实验与仿真计算结合，获取特定条件下C4F7N/CO2混合气体的50%击穿电场强度E50%；本文中3.1及3.2节进行了相应尝试，使C4F7N/CO2混合气体绝缘特性与典型断口结构下的电场形成匹配关系，见表2。实际产品设计中可用的允许雷电冲击电场强度值（或电场强度设计基准值）需考虑不同结构和导体尺寸、制造工艺及生产管理等因素，并留有设计裕度，因此其基于50%击穿电场强度E50%，但要低很多，需更多研究和经验的总结。

表2 C4F7N/CO2混合气体特定条件下的50%击穿电场强度E50%Tab.2 50% breakdown field strength E50% under specific conditions of C4F7N /CO2 mixed gas

4 结论

本文为研究环保C4F7N/CO2混合气体绝缘特性及其与典型断口结构下电场的匹配关系，结合72.5kV开关产品隔离断口、同轴电极两种结构进行了样机设计。通过实验研究了雷电冲击电压下，不同充气压力、不同断口开距等对气体绝缘性能的影响；通过仿真计算获得了不同断口结构、不同断口开距下的电场强度分布变化，得到的主要结论如下：

1）隔离断口结构及同轴电极结构下，表压0.4MPa的20%C4F7N+80%CO2混合气体、表压0.5MPa的16.7% C4F7N+83.3%CO2混合气体，其绝缘强度均可达到同等气压下纯SF6气体的80%以上。

2）隔离断口结构下，为达到表压0.4MPa，6mm开距下纯SF6气体的绝缘水平，C4F7N/CO2混合气体的压力可增大到0.5MPa，或断口距离增大到约8mm。

3）以实验获得的表压0.4MPa时，隔离开距8mm下的C4F7N/CO2混合气体50%击穿电压246kV为计算输入，计算获得的50%击穿电场强度E50%为38.3kV/mm；采用同样方法可得到，表压0.5MPa、8mm开距下，混合气体的E50%为47.6 kV/mm。

4）以实验获得的同轴间隙10mm、表压0.4MPa下20%C4F7N+80%CO2混合气体的50%击穿电压228.5kV作为计算输入，计算得到该条件下混合气体的50%击穿电场强度E50%为26.8 kV/mm；采用同样的方法可得到，同轴间隙10mm、气压0.5MPa下16.7%C4F7N+83.3%CO2混合气体的E50%为28.7 kV/mm。

5）文中通过类比法和实验与仿真的结合，对C4F7N/CO2混合气体的电场强度设计基准进行了探讨，实际产品设计中可用的电场强度设计基准值基于50%击穿电场强度E50%，但需考虑加工工艺等因素，需要更多研究和经验的总结。

本文的实验研究与仿真分析，验证了C4F7N/CO2混合气体工程应用的可行性，尤其对开关设备中应用C4F7N/CO2混合气体时的绝缘结构设计具有指导意义。