操作沖擊電壓下C4F7N/CO2混合氣體252kV GIL間隙及沿面放電特性

鄭忠波 陳 楠 李志闖 李 強 丁衛東

（1.電力設備與電氣絕緣國家重點實驗室（西安交通大學） 西安 710049 2.西安高壓電器研究院有限公司 西安 710077）

0 引言

氣體絕緣輸電管道（Gas Insulated transmission Line, GIL）是采用氣體絕緣、外殼與導體同軸布置的高電壓、大電流輸電設備，具有可靠性高、傳輸容量大、電能損耗小、環境適應性強和無電磁干擾等優點。在跨江河輸電、城市中心區供電及高落差垂直豎井工程等環境要求高的情況下，起到至關重要的作用。隨著我國電網的發展，GIL也將獲得更加廣泛的應用[1]。

傳統GIL采用SF6作為絕緣介質，但SF6是溫室氣體，其全球變暖潛能值（Global Warming Potential,GWP）高達 23 500，且半衰期為 3 200年[2]，已被《京都議定書》列入限制排放的6類氣體。因此尋求其他絕緣氣體替代 SF6的研究具有重要而深遠的意義。然而，絕緣性能優于 SF6或與 SF6相當的絕緣氣體如全氟酮、氫氟烯烴（HFO）、全氟化碳（PFCs）等均存在液化溫度過高或者 GWP過高等缺點[3]。綜合各方面因素考慮，全氟異丁腈（C4F7N）以其良好的絕緣性能、GWP相對較低等優點，成為SF6替代氣體的研究熱點。但由于其液化溫度相對較高[4]，因此需要與其他緩沖氣體如 CO2、N2或空氣等混合使用。

近期國內外學者從理化特性、間隙擊穿特性、分解特性、氣固相容性等方面對C4F7N及其混合氣體開展了大量研究[5-7]，為混合氣體在高電壓等級GIL中的應用提供了依據。間隙絕緣性能方面，H.E.Nechmi等在直流和沖擊電壓下，對比了不同混合比C4F7N/CO2混合氣體與 SF6的間隙擊穿電壓值[8-9]。研究表明，在均勻和準均勻場中，0.88MPa和1.04MPa總壓強使用 3.7%C4F7N/96.3%CO2混合物可獲得與0.56MPa和0.65MPa下SF6等效的絕緣強度，且該混合氣體可在低溫環境（?30℃）下使用。沿面絕緣性能方面，本課題組研究了C4F7N/CO2混合氣體在工頻及標準雷電沖擊電壓下的沿面閃絡特性，獲得了小尺寸下混合氣體中沿面閃絡特性發展規律，并對252kV盆式絕緣子中工頻沿面閃絡特性展開研究，獲得了在GIL中0.5MPa下SF6氣體的替代氣體配置方案，同時得到了盆式絕緣子的絕緣設計依據[10-12]。

現階段對C4F7N混合氣體絕緣性能的研究主要集中在工頻（Power Frequency, PF）電壓及雷電沖擊（Lightning Impluse, LI）電壓兩種電壓形式，操作沖擊（Switching Impluse, SI）電壓下C4F7N/CO2混合氣體絕緣特性研究尚未見報道。從絕緣配合的角度看，現行的國標對220kV及以下的系統中的設備沒有給出額定操作沖擊耐受電壓[13]，原因是在220kV及以下系統中，雷電沖擊電壓起決定絕緣水平的關鍵作用。隨著電壓等級的提升，操作沖擊電壓在絕緣配合中的作用逐漸凸顯，在330kV及以上系統的絕緣配合中，需要同時考慮雷電沖擊電壓及操作沖擊電壓的影響。但實際上，對252kV的GIL輸電管道，系統的計算采用操作過電壓最大值已經達到616kV[14]，對以C4F7N/CO2混合氣體作為絕緣介質的GIL的影響程度尚不清楚，需要進行探索。

綜上所述，本文在工頻電壓下252kV盆式絕緣子沿面閃絡特性實驗的基礎上，開展了操作沖擊電壓下252kV GIL放電特性實驗，研究GIL中間隙擊穿及沿面閃絡特性，并論證本課題組此前提出的氣體配置方案在操作沖擊電壓下的可行性；得到252kV盆式絕緣子臨界放電場強，探究絕緣設計的主導電壓類型。

1 實驗裝置及實驗方法

1.1 實驗裝置及腔體

圖1為實驗電路，由沖擊電壓發生器、電容分壓器、550kV套管、252kV GIL實驗腔體和252kV盆式絕緣子試品組成。其中沖擊電壓發生器標稱電壓4 800kV，可產生波頭時間250(1±1%)μs，波尾時間2 500(1±1%)μs的標準操作沖擊電壓，發生器的效率在50%～70%之間，電容分壓器分壓比為4 321∶1，高壓臂電容值為 479pF。測量系統沖擊波形時間參數擴展不確定度為1.6%（擴展因子k=2）。

圖1 實驗電路Fig.1 Experimental circuit

閃絡實驗腔體及平臺如圖2所示，實驗平臺由一個 550kV套管連接一段 1 000kV GIL，經一段550kV GIL后轉接三段252kV GIL組成。實驗腔體左右兩端均用盆式絕緣子隔絕，左右腔體充入絕對壓力0.7MPa的SF6介質，以保證放電在中間段的實驗腔體內產生，實驗腔體右側的GIL母線段中裝有均壓球。實驗腔體體積約100L，側面裝有自封閥，可通過自封閥對腔體進行抽氣或充氣，采用高精度電子氣壓表檢測氣體壓力，電子氣壓表精度達0.05級，采用真空計（GD881）檢測排氣時的真空度。采用圖2的GIL實驗腔體，可以同時研究盆式絕緣子凹面和凸面兩側的耐電性能。

圖2 閃絡實驗腔體及平臺Fig.2 Surface flashover chamber and the platform

1.2 實驗方法

實驗采用的實驗腔體、絕緣子試品及實驗前的充氣步驟與文獻[12]相同，本文不再贅述。C4F7N/CO2混合氣體氣壓采用 Peng-Robinson狀態方程結合道爾頓分壓定律建立混合氣體狀態方程計算獲得，氣體混合后需靜置3h以上，通過氣相色譜儀檢測可知，混合氣體C4F7N摩爾百分比相對誤差小于0.5%[11]。由于放電電壓高，放電能量大，放電在絕緣子沿面、屏蔽罩及罐體筒壁上留下的痕跡較為明顯，為防止放電后的痕跡對實驗結果產生影響，每次放電發生后需要利用砂紙打磨放電痕跡，并用清潔劑清洗，隨后進行下一次實驗準備工作，通過開罐還可記錄放電形式。實驗采用多級升壓的方式，從預期放電電壓的70%開始，以預期放電電壓的3%為階梯進行升壓，直至放電。由于操作沖擊放電電壓的分散性較大，故須進行多次實驗，以獲得50%放電電壓U50%和標準偏差σ。

綜合考慮腔體及盆式絕緣子的最大使用壓力（0.8MPa）和最高液化溫度（?15℃），混合氣體配置方案選擇0.5～0.7MPa 5%C4F7N/95%CO2，0.5～0.7MPa 9%C4F7N/91%CO2和0.5MPa 13%C4F7N/87%CO2。實驗的混合氣體均按摩爾百分比配置，所選取的氣體壓強為修正到20℃下的標準壓強。為獲得實驗的統計規律，每個實驗點至少進行5次實驗，以獲取操作沖擊電壓隨氣壓及C4F7N摩爾百分比的關系。表1列出了文獻[12]中工頻電壓下可替代SF6的氣體配置方案的一些特性，每種混合氣體配置方案同時規定了混合氣體摩爾百分比和相應使用壓強。為論證工頻下的配置方案在操作沖擊電壓下的可行性，對表1中每組氣體配置方案進行10組實驗，研究其50%放電電壓、標準偏差及放電形式。此外，本文也開展了0.5MPa SF6中操作沖擊電壓下252kV GIL的放電實驗作為對照。

表1 工頻下可行的氣體配置方案特性Tab.1 Characteristics of gas mixtures alternative under AC voltage

1.3 數據處理方法

采用極大似然法對實驗數據進行處理，求取50%放電電壓U50%及標準偏差σ[15]。其原理為：假設已知總體X的概率密度函數為f(x,)θ，其中θ為未知參數，在本文中未知參量為U50%及σ，總體X的樣本為X1,X2,X3,…,Xn，對于總體的一個樣本的實現，其聯合概率密度函數是θ的函數，即似然函數為

利用似然函數求解未知參量的方法是：對于實驗中出現的一組事件X1,X2,X3,…,Xn，若存在一個θ的估計值θ~使得似然函數具有最大值，則θ~就是θ的一個極大似然估計值。

對多級法沖擊電壓實驗來說，似然函數為

式中，N為實驗電壓級數；n為每級電壓Ui下的實驗次數；ki為Ui電壓等級下的擊穿次數；Pi為正態分布函數[16]，表達式為

采取暴力運算，在最大最小放電電壓范圍內求取似然函數的最大值，即可獲得放電的U50%及標準偏差σ。

2 252kV GIL中操作沖擊電壓下放電特性

工頻電壓下，252kV GIL中放電形式主要為沿面閃絡，極少會出現間隙擊穿的情況[12]。然而在操作沖擊電壓下，實驗結果顯示，放電存在間隙擊穿及沿面閃絡兩種形式，且兩者出現的頻率相當。故本節首先將相同實驗條件下的GIL整體的放電數據（包括間隙擊穿與沿面閃絡數據）作為一個樣本，采用極大似然法求取放電的U50%及標準偏差σ，探究GIL整體絕緣強度隨混合氣體摩爾比及壓強的變化關系，并觀察統計放電發展路徑，將原先的放電數據樣本分成間隙擊穿及沿面閃絡下的兩個數據樣本，分別計算放電的U50%及標準偏差σ，比較分析其沿面絕緣強度與間隙絕緣強度的大小關系。

2.1 GIL 中C4F7N/CO2混合氣體的極性效應

GIL絕緣結構通常為稍不均勻電場，在操作沖擊電壓下具有極性效應[17]。已有研究表明，在同軸圓柱結構下，SF6間隙的正極性操作沖擊 50%放電電壓遠大于負極性，故高電壓等級GIL在操作沖擊電壓下絕緣強度由負極性決定。然而，在C4F7N/CO2混合氣體中GIL的極性效應未知，需要進行探索。

選取0.5MPa下5%C4F7N/95%CO2及9%C4F7N/91%CO2兩種混合氣體進行操作沖擊電壓下正負極性對比實驗，并與0.5MPa下SF6實驗結果進行對照。每個數據點至少進行5次實驗，所得U50%及σ見表2。表中，在0.5MPa下SF6介質中，正極性操作沖擊電壓升至 1 500kV，未發生放電，受套管耐壓及場地絕緣距離的限制，停止繼續升壓，降壓后重復升壓10次，仍未發生放電，可知其放電電壓高于1 500kV。

表2 0.5MPa 下正負極性放電電壓對比Tab.2 Comparison of positive and negative breakdown voltage in 0.5MPa

由表2可知，對 C4F7N/CO2混合氣體及 SF6，雖然正極性放電電壓分散性高于負極性放電電壓，但正極性放電電壓高于負極性放電電壓。假設放電概率滿足正態分布，可知在負極性下U50%?3σ至正極性下U50%+3σ電壓區間內，正負極性放電發生在此區間的概率均超過 99.7%。圖3為 5%C4F7N/95%CO2混合氣體在負極性下U50%?3σ至正極性下U50%+3σ電壓區間即電壓區間（750.4kV, 1 646.7kV）內正負極性的放電概率曲線。在此電壓區間內，施加相同大小的正負極性操作沖擊電壓，負極性下的放電概率總是大于正極性，負極性操作沖擊電壓比正極性操作沖擊電壓更具威脅性。由此可知，對于C4F7N/CO2混合氣體，高電壓等級設備的絕緣強度由負極性擊穿電壓決定。

圖3 5%C4F7N/95%CO2混合氣體中放電概率隨電壓的變化曲線Fig.3 The curves of discharge probability with applied voltage in 5%C4F7N/95%CO2 mixtures

2.2 放電電壓隨壓強及C4F4N摩爾百分比變化規律

在252kV GIL中對0.5～0.7MPa下C4F7N質量分數分別為5%、9%及13%的混合氣體開展負極性操作沖擊放電實驗。圖4為放電電壓隨氣體壓強的變化規律。

由圖4可知，0.5MPa下SF6中U50%=1 237.4kV，0.5MPa下5%C4F7N/95%CO2的絕緣強度達到其70%以上，隨著C4F7N摩爾百分比及壓強的升高，0.6MPa下13%C4F7N/87%CO2的絕緣強度與0.5MPa下SF6相當，而0.7MPa下9%C4F7N/91%CO2已超過0.5MPa下SF6的絕緣強度。從絕緣配合的角度上，各配置方案下的操作沖擊放電電壓均遠高于220kV系統計算采用的操作過電壓最大值，可知在220kV電壓下，本課題組先前以工頻擊穿電壓為依據選取的配置方案（見表1）滿足操作沖擊電壓下的設計要求。

圖4 放電電壓隨氣體壓強的變化規律Fig.4 The relationship between breakdown voltage and gas pressure

相同C4F7N摩爾百分比氣體中，隨著混合氣體壓強的升高，U50%隨之增大；相同壓強下，隨著C4F7N摩爾百分比的升高，U50%也隨之升高。這是由于在稍不均勻場中，電場強度一定時，當壓強升高或混合氣體C4F7N摩爾百分比增大時，密度歸一化有效電離系數下降，放電更不易發生，因此放電電壓也隨之增大[18]。同時，隨著介質絕緣強度的提高，高放電電壓下，其放電分散性也較大。

2.3 252kV GIL中放電路徑分析

每次實驗后對罐體進行拆解清理，通過觀察其放電痕跡，可分析放電路徑的形成規律。如圖5所示，與工頻下的實驗結果不同，操作沖擊電壓下的痕跡只有兩類，其特點如下：

圖5 GIL中兩類放電路徑Fig.5 Two types of breakdown traces

（1）凹面側間隙-沿面閃絡。放電通道由屏蔽罩表面起始，經過氣體間隙后沿絕緣子表面放射性發展，在盆式絕緣子上留下放射狀放電痕跡。其痕跡深淺由放電電壓決定，電壓越高，放電能量越大，放電痕跡越深。

（2）屏蔽罩對罐體筒壁間隙擊穿。放電起始于中心導體屏蔽罩，在屏蔽罩與筒壁間發生間隙擊穿現象，凸面側及凹面側屏蔽罩均有概率發生。

實驗過程中，隨著壓強及摩爾百分比的變化，兩類放電路徑出現的概率隨之變化。本節中，結合工頻實驗結果及2.2節的實驗結果，對表1中的配置方案各進行10組實驗，統計兩種放電路徑出現的次數，并與0.5MPa SF6下的結果對比。放電路徑與絕緣介質關系見表3。

表3 放電路徑與絕緣介質關系Tab.3 The relationship between breakdown traces and insulation medium

統計結果顯示，0.5MPa下SF6中間隙擊穿的概率達到30%。混合氣體C4F7N摩爾百分比9%介質下，0.7MPa相對0.6MPa下間隙擊穿的次數增多；0.7MPa氣壓下，9%相對于5%沿面閃絡的次數增多。

2.4 沿面閃絡電壓與間隙擊穿電壓變化規律對比

為了分別得到GIL中沿面閃絡特性及間隙擊穿特性，本節將不同方案下的沿面及間隙擊穿數據分開計算，其對比見表4。

表4 不同配置方案下沿面閃絡與間隙擊穿電壓對比Tab.4 Comparison of surface flashover and gap breakdown voltage under different insulation medium

由表4可看出，在操作沖擊電壓下，252kV GIL屏蔽罩的 50%間隙擊穿電壓與盆式絕緣子凹面的50%沿面閃絡相近。且操作沖擊電壓下，放電分散性較大，這就造成放電可能為沿面閃絡也可能是間隙擊穿。但不同配置方案下各自的間隙與沿面的絕緣強度及放電分散性不同，故兩種放電路徑出現的概率也各不相同。對比表3及表4，由0.6MPa 9%C4F7N/91%CO2及0.7MPa 9%C4F7N/91%CO2的實驗結果可知，兩種放電路徑出現的相對概率與U50%有關，如沿面閃絡U50%越低，放電路徑為沿面閃絡的概率越大；由0.7MPa 5%C4F7N/95%CO2及0.5MPa SF6中的實驗結果可知，在U50%相近的情況下，放電路徑還與放電的分散性有關，不同路徑放電分散性越大，其放電路徑出現概率越大。

為進一步闡述U50%及放電分散性與放電路徑概率的關系，作出0.6MPa 9%C4F7N/91%CO2下的放電概率密度分布，如圖6所示。假設沿面閃絡及間隙擊穿放電概率密度函數滿足正態分布，沿面閃絡的U50%=1 106kV，σ=81.1kV，間隙擊穿的U50%=1 051kV，σ=85.7kV。

圖6 0.6MPa 9%C4F7N/91%CO2介質下沿面閃絡及間隙擊穿概率密度分布Fig.6 Probability density distribution of surface flashover and gap breakdown in 9%C4F7N/91%CO2 mixtures under 0.6MPa

0.6MPa 9%C4F7N/91%CO2介質下的放電電壓均落在（U50%?2σ,U50%+2σ）電壓區間內。由圖4可知，放電的U50%=1 093.3kV，標準偏差σ=81.7kV。假設放電滿足正態分布，則其在電壓區間（929.9kV,1 256.7kV）放電的概率為 95.45%。故計算兩種放電落在（929.9kV, 1 256.7kV）間的概率，便可比較兩種放電出現的相對概率的大小關系。將概率密度函數在電壓區間（929.9kV, 1 256.7kV）積分，可得沿面閃絡發生的概率為95.34%，而間隙擊穿發生概率為88.63%，沿面閃絡發生的相對概率較大。由表2可知，在0.6MPa下9%C4F7N/91%CO2介質中，沿面閃絡發生次數（7次）大于間隙擊穿次數（3次），計算結果與理論分析結果相同。

2.5 252kV 盆式絕緣子中沿面閃絡電壓隨壓強及摩爾百分比變化規律

為進一步探究252kV盆式絕緣子中沿面閃絡電壓隨壓強及C4F7N摩爾百分比變化規律。提取表3中不同配置方案下的沿面閃絡電壓，得到不同配置方案下 50%沿面閃絡電壓見表5。表中，E2為操作沖擊電壓下絕緣子表面允許最大電場強度[12]，可為高電壓等級下盆式絕緣子的電場設計提供參考。

表5 不同配置方案下50%沿面閃絡電壓Tab.5 The U50%under different insulation medium

由表5可知，四種混合氣體配置方案下沿面閃絡U50%均超過 0.5MPa下 SF6介質的 87%，增加氣體壓強及 C4F7N摩爾百分比均可提高沿面絕緣強度。此外，操作沖擊電壓下的沿面閃絡電壓分散性大，分散性為7%～9%U50%。這對高電壓GIL的絕緣設計提出更高的要求。

在高電壓等級下，系統的絕緣強度由雷電沖擊電壓轉變為同時考慮雷電沖擊和操作沖擊放電電壓。為進一步探究252kV盆式絕緣子絕緣設計的主導電壓類型，本文進行了負極性雷電沖擊電壓下的252kV盆式絕緣子沿面閃絡實驗，結合文獻[12]的實驗結果，得出各電壓類型下的絕緣裕度，絕緣裕度由閃絡電壓除以國標規定的額定耐受值得到。其中，220kV系統額定工頻耐受值為460kV，額定雷電沖擊耐受值為 1 050kV。表6為系統額定沖擊耐受值與電壓等級的關系[13]，由于220kV系統額定操作沖擊耐受值未規定，采用多項式擬合的方法，得到系統電壓等級與耐受值的擬合函數為

表6 系統額定沖擊耐受值與電壓等級的關系Tab.6 Relationship between rated impulse withstand value and voltage level of the power system

式中，x為系統電壓等級；y為額定操作沖擊耐受值，代入數據，得到220kV系統額定操作沖擊耐受值為737kV。不同電壓類型下 SF6及 C4F7N/CO2混合氣體的絕緣裕度計算結果見表7。

表7 不同電壓類型下SF6及C4F7N/CO2混合氣體的絕緣裕度Tab.7 Insulation margin of SF6 and C4F7N/CO2 mixtures under different voltage types

由表7可看出，各配置方案下絕緣裕度關系為：工頻及負極性操作沖擊大于負極性雷電沖擊，而工頻與負極性操作沖擊相近（PF＞LI(?), SI(?)＞LI(?),PF≈SI(?)），可知對 252kV盆式絕緣子沿面的絕緣設計，雷電沖擊電壓為其主導電壓類型。C4F7N/CO2混合氣體中，操作沖擊電壓下的絕緣裕度僅略高于雷電沖擊電壓下的絕緣裕度，而與工頻電壓下絕緣裕度相近。考慮到操作沖擊電壓下放電電壓的分散性大于雷電沖擊，在高電壓等級下，需要考慮系統操作過電壓對絕緣設計的影響。

3 結論

本文開展了操作沖擊電壓下不同C4F7N摩爾百分比、不同壓強的 C4F7N/CO2混合氣體和 0.5MPa SF6中252kV GIL間隙擊穿及沿面閃絡實驗研究，得到以下結論：

1）對C4F7N/CO2混合氣體，操作沖擊電壓下負極性放電電壓遠低于正極性放電電壓，故操作沖擊電壓下設備的絕緣強度由負極性放電電壓決定。

2）放電電壓隨壓強及 C4F7N摩爾百分比的增大而增大，操作沖擊電壓下放電的分散性較大，在(2%～12%)U50%之間。

3）放電存在兩種形式：凹面側間隙-沿面閃絡及屏蔽罩對罐體筒壁間隙擊穿。放電路徑出現的概率受U50%及放電分散性影響，U50%越小，其放電路徑出現的概率越大，此外放電路徑出現的概率還受放電分散性影響，分散性越大，越易形成相應放電路徑。

4）盆式絕緣子絕緣性能方面，沿面閃絡電壓隨壓強及 C4F7N摩爾百分比的增長而增長。0.5MPa 13%C4F7N/87%CO2、0.6MPa 9%C4F7N/91%CO2下沿面絕緣強度達到 0.5MPa下 SF6絕緣強度的 87%以上，而0.7MPa 9%C4F7N/91%CO2下沿面絕緣強度已超過0.5MPa下SF6的絕緣強度。

5）各配置方案下絕緣裕度關系為 PF＞LI(?),SI(?)＞LI(?), PF≈SI(?)，可知，對 252kV 盆式絕緣子沿面的絕緣設計，雷電沖擊電壓為其主導電壓類型，操作沖擊電壓不是主導其絕緣設計的主要原因。對C4F7N/CO2混合氣體，操作沖擊電壓下的絕緣裕度與雷電沖擊電壓下的絕緣裕度相差不大，考慮操作沖擊電壓下的放電電壓具有更大的分散性，在330kV及以上系統中，需要考慮操作沖擊電壓對絕緣設計的影響。