C4 F7 N／CO2 混合氣體中絕緣子表面電荷積聚特征

倪艷榮，李承斌，郭永亮，高俊國

（1.河南工學院a.電纜工程學院；b.河南省線纜結構與材料重點實驗室；c.理學部，河南新鄉 453003；2.哈爾濱理工大學a.電氣與電子工程學院；b.工程電介質及其應用教育部重點實驗室；c.黑龍江省電介質工程重點實驗室，哈爾濱 150080）

0 引言

高壓直流輸電（High-Voltage Direct Current，HVDC）具有低功率損耗和高穩定性的特征，能夠滿足非同步大容量電力傳輸的需求。同時，隨著城市化和新能源一體化，氣體絕緣輸電線路（Gas-Insulated Transmission Lines，GIL）因其結構緊湊、環境影響小和長距離傳輸容量大而成為傳統高壓直流輸電架空線路和電纜的替代方向［1-2］。然而，高壓直流輸電GIL 的發展面臨著一些問題，即GIL 和其他氣體絕緣設備的主要絕緣介質SF6是一種極強的溫室氣體，相對于CO2，其全球變暖潛能值為23 500［3-4］。因此，尋找SF6替代氣體已成為目前亟需解決的問題。

到目前為止，國內外學者已經在這一領域進行了大量研究［5-6］，其中C4F7N具有低毒性、高擊穿場強的特點，被認為是一種具有廣泛應用前景的SF6替代氣體［7］，且其全球變暖潛能值在1 490 和3 646 之間。

表面電荷積聚現象是影響氣體絕緣設備內部絕緣子沿面閃絡性能的重要因素，但尚未深入研究C4F7N／CO2混合氣體中的表面電荷積聚問題及缺乏準確的解釋不同氣體氛圍中的表面電荷特性的差異。為此，本文主要研究C4F7N／CO2混合氣體和SF6中直流電壓下GIL模型絕緣子表面的電荷積聚特性。通過對比實驗來研究混合氣體的絕緣性能、不同氣體環境下的表面電荷積聚機理等，為C4F7N／CO2混合氣體在GIL中的應用提供理論和實驗參考。

1 C4F7N／CO2 混合氣體的基本絕緣性能

本文研究的基本思路是：①測試C4F7N／CO2混合氣體和SF6在均勻電場下的直流擊穿強度；②分別進行C4F7N／CO2混合氣體和SF6氛圍下絕緣子表面電荷的測量實驗，擬取得不同氣體氛圍和氣體濃度條件下的絕緣子表面電荷積聚特征；③開展局部放電測量、絕緣子表面電荷積聚的主要因素研究分析。

為了解C4F7N／CO2混合氣體中基本絕緣特性的擊穿場強，本文采用球-球電極測量C4F7N／CO2混合氣體和SF6的擊穿電壓。2 個球電極由不銹鋼制成，直徑為φ25 mm，表面粗糙度小于2 μm。試驗過程中保持電極間距d≤1 mm，以確保球隙電場為準均勻電場，對每組氣體的擊穿電壓重復測量10 次，獲得擊穿電壓的平均值。

純C4F7N、CO2和SF6的實測擊穿電壓，如圖1 所示，是電極間距和氣體壓力乘積（pd）的函數，對數據進行線性擬合，可得出3 種氣體單位氣壓（MPa）下的擊穿場強。純C4F7N 的單位氣壓下擊穿場強約為205.99 kV／（MPa·mm），是純SF6的2 倍多；CO2的擊穿場強僅有32.85 kV／（MPa·mm），大約是SF6的37.4%。同時，還測試了不同混合比例的C4F7N／CO2混合氣體的擊穿場強，并與SF6進行了比較，由圖2 可知，在CO2 中只添加5%的C4F7N，其擊穿場強就增加了1 倍。隨著C4F7N濃度的增加，C4F7N／CO2混合氣體的擊穿場強近似線性增加。當C4F7N 的濃度在15%～20%左右時，其擊穿場強大致與SF6相當。總的來說，上述結果與文獻［8-10］中結果一致。

圖1 球-球電極下C4F7N、CO2 和SF6 的擊穿電壓

圖2 C4F7N／CO2 混合氣體與SF6 擊穿場強的比值

2 試驗模型和測量方法

2.1 GIL單元模型

本文采用的絕緣子模型由微米級α-氧化鋁填充的工業用環氧樹脂真空澆注而成，外徑φ100 mm，內徑φ12 mm，厚度17.5 mm。絕緣子模型安裝在接地的空心外殼和中央導桿之間，形成1 個縮比GIL單元，如圖3 所示。

圖3 GIL單元縮比模型

2.2 測量平臺

圖4 為表面電荷測量平臺的示意圖，該平臺采用自動表面電位掃描系統實現絕緣子的表面電位測量。中心導桿通過1 MΩ的保護電阻與直流高壓相連。整個測量裝置放置在密封室內，密封室內相對濕度控制在5%以內，實驗在室溫下進行。

圖4 表面電荷測量平臺

每次測量前：①將絕緣子模型在70 ℃下干燥至少24 h；②將絕緣子模型安裝在GIL 模型中后，用異丙醇仔細清潔絕緣子去除殘余電荷，并將密封室抽真空30 min；③用壓縮二氧化碳填充密封室后再次抽真空，重復這一步驟3 次，以清除其他氣體；④根據氣體分壓將C4F7N和CO2按一定的混合比填充到密封室中，密封室內氣壓維持在0.1 MPa左右。

該系統采用開爾文探針和靜電電壓表測量絕緣子的表面電位，測量過程由四軸運動控制器自動完成。測量前將高壓電源關閉，利用控制器控制探針沿著絕緣子的半徑方向平移，同時控制旋轉臺帶動絕緣子勻速旋轉，從而以螺旋軌跡掃描絕緣子的整個表面。旋轉方向和徑向方向的取樣步長分別為1°和1 mm，因此絕緣子表面被劃分為N＝360 ×44 個單元。探頭的輸出信號由12 位示波器直接采集和存儲。

2.3 表面電荷計算方法

由于1 個元件上測得的表面電勢實際上由被測表面上的所有電荷決定，因此，表面電勢向量φ對應于所有表面電荷σ的效應的線性疊加，可以表示為

式中，H為N×N的矩陣，矩陣中元素hij是點j處的單位電荷在點i處產生的測量電勢，V／pC。

為了得到表面電荷密度分布，需根據式（1）進行反演計算。同時，為了消除反演計算中的不適定問題，采用Tikhonov正則化方法［11］計算表面電荷密度分布：

式中：I是單位矩陣，α是正則化參數。

3 表面電荷分布特征

3.1 CO2 中絕緣子表面電荷分布

由圖5 所示的CO2在不同持續時間的+20 kV直流電壓作用下的絕緣子表面電荷分布圖可知：表面電荷密度達μC／m2數量級，即pC／mm2。絕緣子表面既有正電荷，也有負電荷，且正電荷占主導地位；大多數電荷分布區域位于外部法蘭附近，并且其密度隨著時間的增加而顯著增加；施加電壓120 min后，最大電荷密度達25 pC／mm2。

圖5 CO2 中絕緣子表面電荷分布

3.2 C4F7N／CO2 混合氣體中的表面電荷分布

由圖6 所示的具有不同混合比的C4F7N／CO2混合氣體中絕緣子的表面電荷分布圖可知：正極性表面電荷仍占主導地位，絕緣子表面電荷密度同樣是在pC／mm2數量級；緣子表面出現了隨機分布的電荷斑點，尤其是圖6 中（a）組中有明顯的電荷斑，即藍色和紅色斑點。這可能是由于絕緣子表面上的黏附微粒或微缺陷造成的。與純CO2中的結果相比，絕緣子表面電荷的聚集程度隨混合氣體中C4F7N 的比例的增大而有所降低。當混合氣體中C4F7N的濃度較低，即占比約為5%～15%時，C4F7N 對表面電荷的抑制效果并不顯著，在外側法蘭附近區域仍存在相當數量的表面電荷；當C4F7N 的含量達到20%～25%時，絕緣子表面電荷密度顯著減小。

圖6 C4F7N／CO2 混合氣體中絕緣子表面電荷分布

由圖1 已知，混合氣體中C4F7N的占比為15%～20%時，其擊穿場強大致與SF6相當。因此，需對C4F7N／CO2混合氣體中和SF6中絕緣子的表面電荷分布情況進行比較。

3.3 SF6 中絕緣子表面電荷分布

由圖7 所示的SF6中+20 kV直流電壓下絕緣子的表面電荷分布圖可知：在相同的充電條件下，純SF6中的絕緣子表面電荷密度遠小于C4F7N／CO2混合氣體中的表面電荷密度，且總的電荷分布非常均勻，特別是在外側法蘭附近，正負電荷斑點幾乎消失，這一現象進一步得到了證實。

圖7 SF6 中絕緣子表面電荷分布

3.4 不同氣體中絕緣子表面充電水平的比較

圖8 所示為+20 kV 充電120 min 后不同氣體中絕緣子表面的徑向平均電勢分布的平均值，反映了不同氣體中絕緣子表面的總體充電水平。由圖8 可知：在所有氣體類型中，純CO2的總表面電位最高，最大表面電位約為2 kV；在純CO2中加入少量C4F7N可以略微降低表面電位，進一步增加C4F7N的濃度可以較顯著地降低表面電位水平，但混合氣體中的絕緣子表面電位水平仍遠高于SF6，SF6中的絕緣子表面電位峰值小于0.8 kV。

圖8 絕緣子表面的徑向平均電勢分布

圖9 為+20 kV充電120 min后CO2、C4F7N／CO2、SF6這3 類氣體中絕緣子表面10 mm≤R≤45 mm 范圍內的正負電荷密度的統計結果，其中5%～25%編號表示C4F7N／CO2混合氣體中C4F7N的比例。由圖9可知：純CO2、5%和10% C4F7N／CO2中的平均正電荷密度幾乎相同，約為3.0～3.2 pC／mm2；隨著C4F7N濃度的進一步增加，平均正電荷密度顯著降低，在25%C4F7N／CO2混合氣體中，平均正電荷密度降至2.2 pC／mm2，但仍遠高于SF6中的正電荷密度（1.7 pC／mm2）；隨著C4F7N含量的增加，平均負電荷密度略有降低。SF6中的絕緣子表面平均負電荷密度遠低于本文所研究的C4F7N／CO2混合氣體中的平均負電荷密度。

圖9 絕緣子表面的正負電荷密度

4 結果與分析

前述結果可以發現，盡管15%～20% C4F7N／CO2混合氣體在均勻電場下的擊穿場強與SF6相當，但2種氣體中的絕緣子表面電荷累計特性卻顯著不同，即15%～20% C4F7N／CO2混合氣體中絕緣子表面電荷的積聚程度明顯大于SF6中的電荷積聚程度。從圖6中的表面電荷分布特征可知，法蘭附近的正負電荷積聚程度較高，其積聚的電荷可能來源“絕緣子-法蘭-空氣”三結合點處的局部放電［12］，因為該區域的局部電場相對較高，并且法蘭和絕緣子之間可能隱藏有氣隙。導體表面出現的微缺陷或局部突出群可能會增強氣體側的氣體電離［13］，并導致絕緣子表面的電荷積聚［14］。因此，可以合理地推斷，C4F7N／CO2混合氣體和SF6中絕緣子表面的電荷積聚特性與其局部放電特性密切相關。

圖10 為采用“針-板”電極進行局部放電試驗的平臺簡圖，利用工頻交流局部放電測量系統模擬測試在C4F7N／CO2混合氣體和SF6中絕緣子與法蘭表面的局部缺陷下放電特性。針和板的直徑分別為φ6 和φ60 mm，針尖部分為圓錐形，高度為10 mm，針尖的曲率半徑為0.25 mm。為了確定局部放電起始電壓，外施電壓從零逐漸增加，直到出現達20pC 閾值的明顯放電脈沖時，記錄此時的外施電壓為局放起始電壓。繼續升壓至20 kV，采集局放的PRPD 數據，每組PRPD 采樣時長為90 s。進一步升壓到間隙擊穿，記錄擊穿電壓。

圖10 局部放電試驗平臺

圖11 為CO2、C4F7N／CO2、SF63 類氣體的局放起始電壓（PDIV）和擊穿電壓（UBD）測量統計，結果表明：純CO2的PDIV最低，僅為6.5 kV；隨著混合氣體中C4F7N 含量的進一步增加，PDIV 相應增加；當C4F7N濃度高于15%時，PDIV 趨于飽和，SF6的PDIV介于C4F7N 占比20%和25%的混合氣體二者之間。擊穿電壓幾乎隨C4F7N／CO2混合氣體中C4F7N 的濃度線性增加，但25% C4F7N／CO2混合氣體的擊穿電壓仍然低于SF6，這與均勻電場下的擊穿電壓結果顯著不同。

圖11 不同氣體中針板電極的局放起始電壓和擊穿電壓

為進一步研究不同氣體的局部放電特性，本文比較了15%～25% C4F7N／CO2混合氣體和純SF6中的PRPD譜圖，如圖12 所示。圖13 為不同放電量下的局放脈沖數目的統計結果，每20pC 劃分為一個區間，從圖可知，15、20 和25%的C4F7N／CO2混合氣體的放電量分布情況較為類似，而SF6放電量較低的局放脈沖數更多，放電量較高的脈沖數較少。此外，隨著C4F7N濃度的增加，C4F7N／CO2混合氣體中的局放脈沖數有所減少，這與表面電荷積聚程度的變化規律是相符的。

圖12 15%～25% C4F7N／CO2 和SF6 中的PRPD譜圖

圖13 不同放電量下的局部放電脈沖數目的統計分布

根據上述分析，C4F7N／CO2混合氣體和SF6中不同的局放特性應該是其表面電荷積聚特征差異的原因。在同樣的外施電壓水平下，更多的高幅值脈沖放電會在氣體中產生更多的離子，這些離子漂移到絕緣子表面，導致絕緣子的表面電荷積聚程度更高。另一方面，根據表面電荷測量結果，在GIL 中使用C4F7N／CO2混合氣體時，應特別注意氣固界面的絕緣強度，因為C4F7N／CO2混合氣體在直流應力下的絕緣子表面電荷積聚程度可能顯著高于SF6。

5 結語

本文研究了C4F7N／CO2混合氣體和SF6中直流電壓下GIL模型絕緣子表面的電荷積聚特性，開展了混合氣體的局放和擊穿特性測試、不同氣體環境下的表面電位測量等對比實驗，結果表明：①純C4F7N 的擊穿場強是純SF6的2 倍多，15%～20% C4F7N／CO2混合氣體的擊穿場強大致與SF6相當；②純CO2中絕緣子的表面電荷積聚程度最高，C4F7N／CO2混合氣體中的表面電荷積聚程度次之，純SF6中的電荷積聚程度最低；③不同氣體中絕緣子表面電荷積聚程度和其局放特性相關，相比于SF6，C4F7N／CO2混合氣體中高放電量的局放脈沖數目較多，因此更容易引起表面電荷的積聚。本文的結果可以為C4F7N／CO2混合氣體的應用提供參考。