C3F7CN/CO2混合气体在准均匀电场中的绝缘性能

    SF6气体具有优异的绝缘性能和良好的灭弧能力，因而目前被大量应用于气体绝缘开关设备(GIS)、气体绝缘传输线(GIL)和断路器等各种中压及高压设备中。然而SF6的温室效应潜在值 (GWP)值是 CO2的 23 500倍，大气寿命高达 3 200 a。1997年颁布的《京都议定书》将其列为 6大温室气体之一，2015年通过的《巴黎协定》也明确提出 把全球平均气温较工业化前水平升高控制在 2 ℃之内。因此，寻找一种新型环保气体来替代 SF6作为电气设备气体绝缘介质成为本领域近年来的研究热点。

C3F7CN气体是一种新型环境友好气体，它的 GWP值仅为 2 090，臭氧消耗潜值 (ODP)为 0，不会对臭氧层产生破坏，介电强度大约为 SF6的 2倍[7-8]。由于 C3F7CN的液化温度高达 −4.7 ℃，因此它不适宜单独作为气体绝缘介质使用，需要混合液化温度较低的 CO2、N2等缓冲气体。

近年来国内外诸多学者也对 C3F7CN/CO2混合气体的绝缘性能进行了一系列的实验研究。Kieffel等测试发现 C3F7CN体积分数为 18%~20%的 C3F7CN/CO2混合气体的绝缘性能可以和纯 SF6相媲美[9-10]；Seeger等人测试发现 C3F7CN/CO2混合气体的开断性能优良， 4%体积分数下 C3F7CN/CO2混合气体的燃弧时间平均为 12 ms，低于相同条件下纯 SF6的 15 ms[11]；西安交通大学李兴文课题组对 C3F7CN/CO2混合气体的雷电冲击特性进行了试验研究，指出 0.4 MPa、0.6 MPa下混合气体的 50%击穿电压约为 SF6气体的 72.45%和 71.59%[12]；在工程应用方面，一条以 C3F7CN/CO2混合气体为绝缘介质的 GIL在 2015年已经试验运行 [13-14]。

尽管目前针对 C3F7CN及其混合气体的绝缘特性的研究取得了一定成果，但国内外鲜有系统探究气压、混合比等因素对 C3F7CN/CO2混合气体的工频击穿特性及绝缘自恢复特性影响情况的相关报道。本文利用搭建的气体绝缘试验平台，利用球电极模拟准均匀电场，对不同气压、混合比条件下 C3F7CN/CO2混合气体的绝缘性能进行了测试，系统探究了气压、混合比对混合气体绝缘性能的影响情况。相关研究成果一方面全面揭示了 C3F7CN/CO2混合气体的工频击穿特性及自恢复性能，另一方面也为 C3F7CN/CO2混合气体的工程应用提供了参考。

当 C3F7CN与 CO2组成混合气体时，由于 C3F7CN分子中的 CN基团及 F原子具有很强的电负性，容易吸附电子形成负离子，阻碍碰撞电离的形成和发展，因而即使少量 C3F7CN的加入就能大大提高 CO2的绝缘性能，例如在各试验气压下，含 2% C3F7CN的混合气体其工频击穿电压较 CO2分别提高了 40%、53.59%、54.48%、49.81%和 57.13%。

另外， C3F7CN分子的体积较大，自由电子在高混合比气体中的平均自由程将小于低混合比，不易积累能量，同时 C3F7CN分子本身的电离能较高（与 SF6相当）^[18]，因此减小了电子碰撞电离的可能性。当自由电子与 C3F7CN分子相遇时，还会因为极化等过程增加能量损失，进一步减弱其碰撞电离能力。因此，混合气体的绝缘特性随 C3F7CN体积分数的增加而增加。但随着 C3F7CN体积分数的继续提高，上述绝缘性能的增加会出现饱和趋势，这是因为少量的 C3F7CN分子已能起俘获电子而形成负离子的作用。

同时，试验发现，低气压条件下提升混合比 k对 C3F7CN/CO2混合气体工频击穿电压的提升效果较小。而高气压下增大混合比 k能够显著提升混合气体的绝缘性能。比如，在 0.10 MPa~0.30 MPa 5个试验气压条件下，混合比 k从 2%增加到 8%，混合气体的工频击穿电压分别增加 5.375 kV、8.368 kV、10.05 kV、11.908 kV和 13.265 kV。

因此，可以通过增加 C3F7CN的含量来提高 C3F7CN/CO2混合气体的绝缘强度，文献 [8-9]指出，当 C3F7CN的含量提高到 18%~20%时，C3F7CN/CO2混合气体的绝缘性能可以达到相同条件下的纯 SF6气体。尽管增加 C3F7CN气体的含量能够有效地提升混合气体的绝缘性能，但 C3F7CN体积分数增加也会使相同气压下混合气体的液化温度升高，在一定程度上限制其应用。

图 9给出了在准均匀电场下， C3F7CN/CO2混合气体的相对绝缘强度随混合比的变化情况。可以看到混合气体的相对绝缘强度随混合比的增加呈饱和增长趋势，这一结论与文献 [8-9]相一致。另外，计算发现含 2% C3F7CN混合气体的绝缘性能可以达到相同条件下纯 SF6的 50%，含 8% C3F7CN混合气体的绝缘性能可以达到纯 SF6的 75%。

实际上，这种非线性增长趋势在一定程度上也反映出了 C3F7CN和 CO2在试验混合比区间内具有明显的协同效应。协同效应是指当电负性气体与

2.2 C3F7CN/CO2混合气体的复原特性

复原特性用来衡量气体绝缘介质发生击穿后绝缘性能的恢复情况，良好的气体绝缘介质应当具备出色的复原能力。另外，复原特性也与气体绝缘介质的灭弧性能息息相关。为进一步探究 C3F7CN/CO2混合气体的复原特性，本文利用已搭建的试验平台，对混合比为 2%的 C3F7CN/CO2混合气体开展了 50次工频击穿试验，试验间隔为 1 min，实验气压选择为 0.15 MPa。图 10给出了混合气体的工频击穿电压随击穿次数的变化情况。

由图 10可以看出，随着击穿次数 N的增加， C3F7CN/CO2混合气体的工频击穿电压有一定程度的下降。对击穿电压与击穿次数的对应关系进行线性拟合，得到的拟合方程式如式 (5)所示

U =−0.004 72 N +16.808 24 (5)其中 U为混合气体的击穿电压， N为击穿次数。根据式 (5)的结果，可以推断 100次击穿后， C3F7CN/CO2混合气体的工频击穿电压将下降2.81%。综合来看，混合气体的绝缘复原特性良好。

3 结论

1）在准均匀电场条件下， C3F7CN/CO2混合气体的工频击穿电压随气压、混合比的增加而增大。混合气体的相对绝缘强度随混合比的增加呈饱和增长趋势，气压对混合气体相对绝缘强度的影响弱于混合比。 2）含 2%C3F7CN的混合气体在准均匀电场下的工频击穿强度能够达到相同条件下纯 SF6的 50%，含 8%C3F7CN混合气体的绝缘性能可以达到纯 SF6的 75%。C3F7CN及 CO2气体间存在良好的协同效应，协同效应系数在 0.005~0.035之间。

3）C3F7CN/CO2混合气体具备良好的绝缘自恢复性能。综合工频击穿特性的试验结果，本文认为环保型绝缘介质 C3F7CN/CO2混合气体具备替代 SF6气体应用于气体绝缘设备的潜力。