不均匀电场下CF3SO2F混合气体的工频击穿特性

胡世卓， 周文俊， 罗 赟， 黄宇婧， 邱 睿

（1.南宁职业技术学院 智能制造学院，广西 南宁 530008；2.武汉大学 电气与自动化学院，湖北 武汉 430072）

0 引 言

SF6具有良好的绝缘、灭弧特性，在气体绝缘电气设备中得到了大规模应用。但SF6的全球变暖潜能值（global warming potential，GWP）为24 600[1]，是已知GWP 值最高的气体。为践行绿色低碳发展和助力实现“双碳”目标，亟需研发新环保绝缘气体[2-4]，逐步减少使用、取代电气设备中的SF6，直至实现SF6零应用。

三氟甲基磺酰氟（CF3SO2F）是具有应用前景的潜在SF6替代气体，国内外学者对CF3SO2F及其混合气体的特性已开展了部分研究。早在1980年代，就有少量关于CF3SO2F气体介电性能试验研究和液化温度的报道。A W BAUER 等[5]和R E WOOTON等[6]的研究结果显示，CF3SO2F 的绝缘强度是SF6的1.41～1.49 倍，而且在CCl2中添加相同含量的CF3SO2F 和CF3NO2时，CF3SO2F 抑制碳元素生成的效果更好[7]。YU X J 等[8]建立了单一气体的绝缘强度构效关系模型，通过杂化方法设计了一系列绝缘强度高于或与SF6相当且液化温度和GWP 均较低的分子结构，提出沸点为-22℃、GWP 预测值为3 678的CF3SO2F具备应用潜力。WANG Y等[9]在实验室合成了CF3SO2F 气体并开展了工频击穿试验，研究发现纯CF3SO2F气体在均匀电场下的工频击穿电压为SF6的1.38 倍。ZHANG L 等[10]对CF3SO2F 气体进行4 h急性吸入毒性测试，结果表明CF3SO2F的半致死浓度（LC50）值为3 400～4 000 mg/m3，属低毒气体，在暴露程度较高的场合需要使用自吸过滤式全面罩防毒面具，但CF3SO2F占比小于68%时，其与N2、CO2等的混合气体属无毒气体[11]。LONG Y X等[12]通过稳态汤逊实验获得了CF3SO2F 的放电参数，结果表明CF3SO2F的临界击穿场强约为SF6的1.6倍。HU S Z 等[13]在稍不均匀电场下研究了CF3SO2F 混合气体的工频击穿特性，指出40%CF3SO2F/60%N2和45%CF3SO2F/55%CO2混合气体的工频击穿电压与SF6相当，CF3SO2F/N2混合气体的协同效应更显著。郑宇等[14]采用稳态汤逊法分别测量了CF3SO2F 占比为10%、20%、30%、40%、100%CF3SO2F/N2混合气体的有效电离系数，研究发现40%CF3SO2F/60%N2混合气体的临界约化场强约为SF6的1.01 倍。除低气压下的电离特性外，他们还研究了CF3SO2F/N2混合气体分别与3A、4A、5A、13X 分子筛和活性氧化铝等5 种常用吸附剂的相容性，结果表明CF3SO2F/N2混合气体与上述5 种吸附剂不发生化学反应、不产生吸附，相容性良好[15]。万旭昊等[16]研究了CF3SO2F 与铜、氧化铜、氧化铝和环氧树脂等常见电工设备表面的气固相容特性，计算模拟和实验结果显示，CF3SO2F 气体与金属铝表面的相容性较差，与其他电工设备表面的相容性良好。

综上所述，研究人员从不同方面评估了CF3SO2F 及其混合气体的特性，取得了不少成果。但目前仍未有CF3SO2F混合气体在极不均匀电场下击穿特性的报道，而电力设备在制造、运输、安装以及运行过程中，难以避免尖端、毛刺和导电微粒等的产生，此时局部电场将发生畸变，形成极不均匀电场。新型CF3SO2F混合气体在缺陷条件下是否会造成绝缘水平的大幅下降，需要通过试验进一步确认。因此本文用尖-板电极模拟电气设备中可能出现的局部电场集中的场景，研究CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合气体在极不均匀电场下的工频击穿特性，并与稍不均匀电场下的放电特性进行对比，研究结果可为CF3SO2F 混合气体的工程配置与应用提供参考。

1 气体间隙工频击穿试验研究平台与方法

1.1 工频击穿试验平台

气体间隙工频击穿试验回路如图1所示。其中无局放试验变压器额定容量为10 kVA，额定输入电压为220 V，最高输出电压为100 kV，保护电阻为50 kΩ，C1、C2分压比为1 000∶1。

图1 工频击穿试验回路图Fig.1 Power frequency breakdown test circuit

试验腔体如图2所示。腔体设计最高充气压力为0.5 MPa。采用螺旋测微仪进行电极间距调节，调节精度为±0.01 mm。高、低压电极均为非固定结构，可拆卸更换。试验电极材料为钨铜合金，所用尖电极和球电极尺寸参数如图3所示。电场不均匀度由有限元仿真获得，当尖-板电极间距分别为5 mm、10 mm 时，电场不均匀度f分别为11.2、18.4，属极不均匀电场；当球-球电极间距分别为2.5、5、7.5、10 mm 时，电场不均匀度f分别为1.21、1.30、1.36、1.46，属稍不均匀电场。

图2 试验腔体示意图Fig.2 Schematic diagram of test chamber

图3 尖电极和球电极尺寸参数Fig.3 Size parameters of needle and sphere electrode

1.2 试验预处理与试验方法

试验前准备及充配气和静置：采用5 000 目砂纸对电极表面进行处理，打磨完成后，用无水酒精对电极进行擦拭、清洁，然后将电极安装到腔体上，同时避免对电极及腔体造成二次污染。试验腔体、电极置于无尘、干燥环境下自然风干后，进行正、负压气密性检查验证。对气密性合格的放电腔体进行3 次洗气处理，然后采用道尔顿分压定律配置CF3SO2F 混合气体，为了确保任一比例混合气体都混合均匀，充配气完成后静置3 h。

试验方法与流程：气体间隙的工频击穿试验按照GB/T 16927.1—2011“附录A.1.3 第三类 连续放电试验”方法[17]开展。采用快速升压法进行5 次击穿试验，取5 组有效数据的算术平均值作为工频击穿电压（本试验获得的击穿电压值均为有效值）。为确保气隙击穿后绝缘强度得到充分恢复，两次击穿间隔5 min。

2 试验结果与分析

2.1 稍不均匀电场下CF3SO2F 混合气体的工频击穿特性

2.1.1 气压的影响

稍不均匀电场下CF3SO2F/N2、CF3SO2F/CO2混合气体及SF6的工频击穿电压与气压的关系如图4所示，其中k为CF3SO2F 在混合气体中的占比。从图4可以看出，CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合气体的工频击穿电压均随气压增大呈线性增大，CF3SO2F/N2混合气体工频击穿电压的上升率高于CF3SO2F/CO2混 合气体。在0.10～0.40 MPa 范围内，向N2中加入5%的CF3SO2F 后，混合气体的工频击穿电压相对于N2的提升量为42%～70%，相对于CO2的提升量为39%～69%。相比于CF3SO2F/CO2混合气体，CF3SO2F/N2各比例混合气体的工频击穿电压曲线较“密集”，差异较小，即在较低的CF3SO2F占比下也可以获得较高的绝缘强度，相同CF3SO2F占比下CF3SO2F/N2混合气体的绝缘强度优于CF3SO2F/CO2混合气体。

图4 球-球电极下CF3SO2F混合气体工频击穿电压与气压的关系Fig.4 Relationship between power frequency breakdown voltage and pressure of CF3SO2F mixtures under sphere-sphere electrode

2.1.2 间距的影响

0.1 MPa 下CF3SO2F/N2、CF3SO2F/CO2混合气体及SF6的击穿电压与间距的关系如图5所示。

图5 球-球电极下CF3SO2F混合气体工频击穿电压与电极间距的关系Fig.5 Relationship between power frequency breakdown voltage and electrode spacing of CF3SO2F mixtures under sphere-sphere electrode

从图5 可以看出，CF3SO2F/N2、CF3SO2F/CO2混合气体和SF6的工频击穿电压随间距增大均出现了微弱的饱和现象，即击穿电压偏离了巴申曲线。CF3SO2F 占比越高，则CF3SO2F 混合气体的击穿电压饱和趋势越明显。若要求绝缘强度与SF6相当，则CF3SO2F/N2混合气体中CF3SO2F的占比在30%～40%；对于CF3SO2F/CO2混合气体，CF3SO2F 占比则需要提高到40%左右。

2.2 极不均匀电场下CF3SO2F 混合气体的工频击穿特性

2.2.1 气压的影响

CF3SO2F 的占比分别为30%、50%时CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合气体及SF6在尖-板电极下的工频击穿电压与气压的关系如图6 所示。从图6 可以看出，随气压升高，CF3SO2F/N2、CF3SO2F/CO2混合气体及SF6在极不均匀电场下的工频击穿电压都呈现出“上升-下降-上升”的变化规律，因类似单驼峰，被称为“驼峰”曲线。早在1983 年，就已经有学者发现了SF6的雷电冲击放电电压呈“驼峰”现象，并归因于空间电荷的稳定化作用[18]。

图6 尖-板电极下CF3SO2F混合气体工频击穿电压与气压的关系Fig.6 Relationship between power frequency breakdown voltage and pressure of CF3SO2F mixtures under needle-plate electrode

CF3SO2F/N2混合气体的“驼峰”曲线极大值对应的气压范围在0.25～0.35 MPa；CF3SO2F/CO2混合气体的极大值对应的气压范围稍宽，为0.20～0.35 MPa；而SF6的极大值对应的气压范围为0.20～0.25 MPa。CF3SO2F 混合气体的极小值在0.40 MPa 及以上；SF6的极小值在0.35～0.40 MPa。

对于CF3SO2F 混合气体，当CF3SO2F 占比增加时，“驼峰”峰值呈左移趋势。在“驼峰”曲线极值点的左侧区域，CF3SO2F 占比越大则绝缘强度越高，符合一般规律；但在“驼峰”曲线极值点右侧，因不同比例CF3SO2F混合气体极大值点对应的气压不完全相同，这一现象可能发生反转，即CF3SO2F占比低反而击穿电压更高，表明试验条件的变化会显著影响气体的击穿特性。

由图4 可知，在稍不均匀电场中，CF3SO2F 占比为50%的混合气体绝缘强度已与SF6相当或者优于SF6。但图6 中极不均匀电场下的试验结果显示，在0.1～0.3 MPa范围内，50%CF3SO2F混合气体的击穿电压与SF6有较大差距，即电场不均匀度增大时，CF3SO2F混合气体击穿电压的下降幅度大于SF6。

此外，在试验时发现，因极不均匀电场下气体间隙的击穿电压存在“驼峰”特性，为获得较为准确的击穿电压曲线，应增加在极大值、极小值附近的试验气压点数，不宜继续采用较大间隔的等距气压点进行试验。

2.2.2 间距和混合比例的影响

图7 对比了不同间距和混合比例下CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合气体的工频击穿电压“驼峰”特性。从图7 可以看出，当间隙距离从5 mm 增大到10 mm 时，CF3SO2F 混合气体和SF6的“驼峰”区域面积均增大，且SF6的变化范围较为明显。此外，随间距增大，CF3SO2F混合气体和SF6的“驼峰”峰值也呈现出左移趋势。当CF3SO2F在混合气体中的占比由30%增加至50%时，“驼峰”峰值左侧对CF3SO2F 混合气体绝缘强度的提升效果大于“驼峰”峰值右侧。

图7 尖-板电极下间距和混合比例对CF3SO2F混合气体工频击穿电压的影响Fig.7 Influence of electrode spacing and mixing ratios on the power frequency breakdown voltage of CF3SO2F mixtures under needle-plate electrode

当气压大于0.3 MPa（“驼峰”峰值右侧）且间距为5 mm 时，CF3SO2F 混合气体的工频击穿电压与SF6相当；间距为10 mm 时，CF3SO2F 混合气体的工频击穿电压均大于SF6。表明电场不均匀度增加时，较高气压下的CF3SO2F 混合气体具有较好的绝缘性能。

2.2.3 间距和缓冲气体类型的影响

进一步分析缓冲气体类型对CF3SO2F混合气体工频击穿特性的影响，结果如图8 所示。从图8 可以看出，在相同的混合比例和间距下，CF3SO2F/N2混合气体的工频击穿电压“驼峰”峰值及其对应气压均大于CF3SO2F/CO2混合气体。在0.1～0.2 MPa 范围内，不同CF3SO2F 占比下的混合气体工频击穿电压基本一致；随气压继续增大，CF3SO2F/CO2混合气体先达到“驼峰”峰值，然后击穿电压开始下降并低于CF3SO2F/N2混合气体；当气压继续上升，CF3SO2F/N2混合气体的击穿电压达到峰值点后开始下降；当气压大于CF3SO2F/CO2混合气体击穿电压极小值点对应的气压后，CF3SO2F/CO2混合气体的工频击穿电压曲线率先上拐，并有可能大于CF3SO2F/N2混合气体的工频击穿电压。但CF3SO2F/N2的工频击穿电压曲线积分大于CF3SO2F/CO2，可认为CF3SO2F/N2混合气体的工频绝缘表现总体优于CF3SO2F/CO2混合气体。

图8 尖-板电极下间距和缓冲气体类型对CF3SO2F混合气体工频击穿电压的影响Fig.8 Influence of electrode spacing and buffer gas on the power frequency breakdown voltage of CF3SO2F mixtures under needle-plate electrode

2.3 与SF6的对比

2.3.1 稍不均匀电场下相对SF6的绝缘强度

在球-球电极下，CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合气体的工频击穿电压与SF6的工频击穿电压之比称为相对于SF6的绝缘强度，如图9 所示。从图9 可以看出，50%CF3SO2F 混合气体的绝缘强度优于相同压力下的SF6。在0.1～0.4 MPa 范围内，CF3SO2F占比为5%～50%的CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合气体相对于SF6的绝缘强度随气压变化时波动不大，表明CF3SO2F 混合气体随气压变化的工频击穿特 性 与SF6相 似。CF3SO2F 占 比 为30%、50% 的CF3SO2F/N2混合气体相对于SF6的绝缘强度平均值分别为0.89 和1.06，而CF3SO2F 占比为30%、50%的CF3SO2F/CO2混合气体相对于SF6的绝缘强度平均值分别为0.84和1.03。表明CF3SO2F/N2混合气体的工频击穿电压高于CF3SO2F/CO2混合气体，为优选混合气体。

图9 球-球电极下CF3SO2F混合气体相对SF6的绝缘强度Fig.9 Dielectric strength of CF3SO2F mixtures relative to SF6 under sphere-sphere electrode

2.3.2 极不均匀电场下相对SF6的绝缘强度

在尖-板电极下，CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合气体相对于SF6的绝缘强度如图10所示。从图10可以看出，在0.1～0.3 MPa 范围内，两种CF3SO2F 混合气体相对于SF6的绝缘强度均低于稍不均匀电场。但当气压大于0.3 MPa 时，30%、50% 的CF3SO2F/N2混合气体的绝缘强度已与SF6相当或超过SF6，最高可达1.47 倍；相同占比下CF3SO2F/CO2混合气体的绝缘强度则在SF6的80%及以上。

图10 尖-板电极下CF3SO2F混合气体相对SF6的绝缘强度Fig.10 Dielectric strength of CF3SO2F mixtures relative to SF6 under needle-plate electrode

当相对SF6绝缘强度曲线取得极大值时，认为对应的气压为CF3SO2F 混合气体的优化气压值。CF3SO2F 占比为30%、50%的CF3SO2F/N2混合气体优化气压值分别约为0.3 MPa 和0.35 MPa，在该气压下，无论是在稍不均匀电场还是极不均匀电场下（电场不均匀度f变化范围为1.21～18.4），CF3SO2F/N2混合气体相对于SF6的绝缘强度较高且相对稳定。当气压大于0.3 MPa时，CF3SO2F占比为30%及以上的CF3SO2F/N2混合气体绝缘强度在SF6的89%以上。

2.3.3 相对SF6的电场敏感性

为定量比较CF3SO2F 与SF6对电场不均匀度变化时的敏感程度，定义混合气体相对SF6的电场敏感度Sr为式（1）。

式（1）中，Ers、Ere分别为稍不均匀、极不均匀电场下相对于SF6的绝缘强度。当Sr=0 时，表示混合气体的电场敏感度与SF6相同；当Sr＞0 时，表示混合气体对电场的敏感度高于SF6，且Sr值越大，相对敏感程度越高；当Sr＜0 时，表示混合气体的电场敏感度低于SF6。

假设稍不均匀电场下，间隙距离在2.5～10 mm范围内时，CF3SO2F混合气体相对于SF6的绝缘强度基本不变，则CF3SO2F混合气体相对SF6的电场敏感性Sr与气压的关系如图11所示。从图11可以看出，在0.1～0.3 MPa 范围内，CF3SO2F 混合气体相对于SF6表现出较高的电场敏感性，击穿电压受电场畸变影响下降的幅度较大。其原因可能是CF3SO2F是强电负性气体，吸附截面大于SF6[13]，相同的尖电极表面场强下产生的稳定化电晕半径小于SF6，对尖电极附近畸变电场的均匀化作用较弱，导致CF3SO2F混合气体的击穿电压较低。在0.35 MPa 附近CF3SO2F 混合气体相对SF6的电场敏感度Sr最小，这是由于此时SF6在该气压下的击穿电压为“驼峰”极小值，放电形式可能已由流注转化为先导，而CF3SO2F 混合气体仍处于“驼峰”区间，为流注放电范畴[19]。

图11 CF3SO2F混合气体相对SF6的电场敏感度Sr与气压的关系Fig.11 Relationship between electric field sensitivity relative to SF6 Sr and pressure of CF3SO2F mixtures

2.4 电场不均匀度对CF3SO2F 混合气体工频击穿特性的影响

0.1 MPa 下，电场不均匀度为1.46～18.4 时，CF3SO2F混合气体的平均击穿电压变化情况如图12所示。从图12 可以看出，随电场不均匀度的增加，CF3SO2F 混合气体的平均击穿电压出现了饱和下降趋势。该特性与文献[20]中类似，在达到“临界电场不均匀度”后，混合气体相对SF6的击穿电压不再随电场不均匀度的增加而降低，趋于稳定。具体为：当电场不均匀度由1.46 增大到11.2 时，CF3SO2F 占比为30%、50%的CF3SO2F/N2混合气体平均击穿电压下降程度分别为38%和34%，CF3SO2F 占比为30%、50%的CF3SO2F/CO2混合气体平均击穿电压下降程度分别为32%和33%，稍好于CF3SO2F/N2混合气体；由于空间电荷对尖电极附近电场的畸变作用，当电场不均匀度大于11.2 后，平均击穿电压基本不变。

图12 CF3SO2F混合气体击穿电压与电场不均匀度的关系Fig.12 Relationship between breakdown strength and electric field non-uniformity of CF3SO2F mixtures

2.5 CF3SO2F混合气体的液化温度-气压曲线

一个标准大气压下，CF3SO2F 的液化温度为-22℃。基于Clausius-Claperyron 方程与Trouton 规则，混合气体的液化温度可以由式（2）估算[21]。

式（2）中：TMb为混合气体的液化温度，单位为K；k为CF3SO2F的占比；pv是气体的蒸气压，单位为MPa；Tb是气体的沸点（或液化温度），单位为K；R是理想气体常数，其值为8.314 J·mol-1·K-1；X代表Trouton 常数，通常为85～88 J·K，本文取X=85 J·K。CF3SO2F及其混合气体的液化温度-气压曲线计算结果如图13 所示。从图13 可以看出，在相同压力下，随着CF3SO2F 含量的增加，混合气体液化温度增长幅度变缓。在典型限制温度-10℃下（参考GB 50545—2010[22]的要求），气压为0.3 MPa 时CF3SO2F 混合气体中的CF3SO2F 占比可提升至50%，结合2.3 节，该比例下的CF3SO2F/N2混合气体的绝缘强度优于SF6。

图13 CF3SO2F及其混合气体的液化温度-气压曲线Fig.13 Liquefaction temperature-pressure curve of CF3SO2F and its mixtures

3 结 论

（1）在球-球电极构成的稍不均匀电场下，CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合气体的工频击穿电压均随气压增大呈线性变化，CF3SO2F/N2混合气体的工频击穿电压高于CF3SO2F/CO2混合气体。CF3SO2F 占比分别为5%、10%、15%、20%、30%、40%、50%的CF3SO2F/N2混合气体相对于SF6的绝缘强 度 分 别 约 为0.66、0.73、0.77、0.82、0.89、0.98、1.06倍。

（2）在尖-板电极构成的极不均匀电场下，CF3SO2F/N2和CF3SO2F/CO2混合气体的工频击穿电压均随气压增大呈“驼峰”曲线。CF3SO2F/N2混合气体的“驼峰”曲线极大值对应的气压范围在0.25～0.35 MPa，优化气压值为0.30～0.35 MPa。

（3）综合稍不均匀和极不均匀电场下的工频击穿特性，0.30 MPa 及以上的新环保绝缘混合气体CF3SO2F/N2具有较大的应用潜力。