懸浮電極缺陷不同局部放電強度下的C6F12O/CO2混合氣體分解特性研究

饒夏錦， 張曉星， 黎大健， 張 磊， 彭博雅， 黃 煒

（1.廣西電網有限責任公司電力科學研究院，廣西 南寧 530023；2.廣西電力裝備智能控制與運維重點實驗室，廣西 南寧 530023）

0 引 言

SF6因其具有容易實現三工位、開斷小電流不易產生截流過電壓等優勢，廣泛應用于10 kV 配網開關柜類設備中[1]。但SF6溫室效應潛在值（global warming potential，GWP）是CO2的23 500 倍[2]，《巴黎協定》規定在20 世紀下半葉實現溫室氣體零排放，以應對日益嚴重的溫室效應[3]。目前，我國電網建設在快速發展，對中低壓等級氣體絕緣電氣設備的需求逐年增加，為應對“雙碳”戰略及綠色工業的挑戰，尋找環保型絕緣替代氣體一直是近年研究的熱點[4-5]。

C6F12O是一種環境友好型替代氣體，其GWP約為1，臭氧消耗潛勢（ozone depletion potential，ODP）為0，是極有潛力的SF6替代氣體絕緣介質[6-8]。受液化溫度的影響，C6F12O 需要與N2、CO2或干燥空氣混合使用[9]。J D MANTILLA 等[10]研究發現C6F12O 與空氣或CO2的混合氣體作為緩沖氣體時，其在交流和雷電沖擊電壓下的擊穿特性與SF6相似。本課題組前期研究發現在0.10 MPa 的氣壓下，C6F12O 體積分數為3%的C6F12O/N2混合氣體在100 次擊穿實驗中絕緣性能并沒有下降的趨勢[11]。同時經實驗證明，C6F12O 與CO2存在正協同效應，在滿足絕緣要求的條件下，C6F12O 體積分數為4%的C6F12O/CO2混合氣體更具有液化溫度的優勢[12]。綜上所述，C6F12O在環保和電氣強度方面有替代SF6的可能性，具備應用于中低壓氣體絕緣開關柜的潛力。

受制造工藝、運輸條件、內部顆粒等影響，氣體絕緣開關柜內部可能會產生絕緣缺陷，引起局部放電（partial discharge，PD）故障[13-16]。不同放電條件下絕緣氣體的分解特性是評價氣體絕緣性能的重要指標，分解產物的生成規律也可為設備運維提供重要參考[17-20]。目前對環保絕緣氣體的分解特性研究也取得了初步的成果。楊圓等[21]在懸浮放電下對不同微氧及氣壓的C4F7N/CO2/O2混合氣體分解特性進行了研究。楊韜等[22]在局部放電、局部過熱和火花放電條件下對C4F7N/CO2混合氣體分解產物進行了實驗研究。趙明月等[23]對C6F12O/N2與C6F12O/空氣混合氣體的局部放電分解產物進行了分析。本課題組前期探索了工頻交流電壓下C5F10O/N2、C6F12O/N2、C6F12O/CO2混合氣體的擊穿分解特性以及分解產物的生成過程[24-27]。總體而言，目前對環保絕緣氣體的局部放電分解特性研究較少，尤其對于C6F12O 混合氣體的局部放電嚴重程度與分解產物種類和濃度的關系仍不明確。

本文以C6F12O/CO2混合氣體為實驗對象，針對中低壓氣體絕緣開關柜實際運行中可能出現的懸浮電極缺陷，搭建了局部放電分解實驗平臺，借助氣相色譜質譜聯用儀（GC-MS），開展C6F12O/CO2混合氣體PD 分解特性實驗，定量分析分解產物的濃度與產氣速率，建立特征氣體的產氣規律與缺陷放電嚴重程度之間的關聯，為找出適用于C6F12O/CO2混合氣體絕緣設備的新運維檢測手段提供參考。

1 實 驗

1.1 局部放電分解實驗平臺

局部放電分解實驗平臺包括感應調壓器、工頻實驗變壓器、缺陷模型、反應氣室、局部放電檢測回路等，如圖1所示。

圖1 局部放電分解實驗平臺Fig.1 The experimental platform of partial discharge decomposition

調壓器型號為YDTW-50 kVA/100 kV，最大輸出電壓為100 kV，額定容量為50 kVA，提供交流高電壓。保護電阻阻值為4 kΩ，用于電路的過流保護。分壓電容用于檢測變壓器提供的工頻交流電壓。檢測阻抗（阻值為8.2 kΩ）、耦合電容、電極共同構成局部放電檢測回路，將局部放電的電流信號轉換成電壓信號，利用示波器采集局部放電信號，示波器采樣頻率為2.5 MHz/s。

懸浮電極缺陷模型如圖2 所示，實驗中設置懸浮電極與板電極距離為25 mm，板電極接地，材料設置為黃銅。

圖2 懸浮電極缺陷模型及實物圖Fig.2 Floating electrode defect model and physical drawing

1.2 氣體分解產物檢測

采用島津公司生產的P-2020NX 型氣相色譜質譜聯用儀，對C6F12O/CO2混合氣體分解組分進行分析，配備特制毛細柱（型號為CP-Sil5CB），采用純度為99.999%的He 作為載氣，進樣量為300 μL，進樣口溫度為200℃，流量控制采用恒線速度控制，分流比為50∶1，柱流量為0.99 mL/min，離子源溫度為200℃。

C6F12O/CO2局放分解產物的分析基于標準氣體和相應的GC-MS化合物庫，進而得到具體的化學成分。圖3 為C6F12O/CO2混合氣體局放分解組分GCMS 檢測結果，從圖中可以看出典型分解產物包括CF4、C2F6、C3F8和C3F7H等。

1.3 實驗方法

1.3.1 實驗條件

實驗前首先用無水乙醇仔細清洗罐體內壁和人工缺陷模型，將懸浮電極缺陷模型放入實驗氣室，抽至真空（相對氣壓＜100 kPa），再充入高純干燥CO2吹掃罐體，靜置10 min 后再抽真空，反復3 次抽真空-吹掃操作，排除微量H2O、O2等對放電強度的影響。實驗過程中的環境溫度約為15℃，環境濕度為30%～35%。

實驗通入壓力為0.14 MPa、C6F12O 體積分數為4%的C6F12O/CO2混合氣體，采用逐步升壓法對缺陷模型緩慢加壓，確定該缺陷模型下局放起始電壓U0為10.5 kV，再選取1.52U0（16 kV）、1.90U0（20 kV）、2.29U0（24 kV）3 個電壓等級分別進行實驗，以便產生不同的放電強度，利用回路無感電阻監測放電脈沖和放電量。在不同電壓等級下分別進行96 h 氣體分解試驗，每隔12 h采集1次放電量，同時采集放電分解氣體，利用GC-MS 對分解組分進行定量分析。

1.3.2 PD特征量的選取

實驗采用脈沖電流法檢測氣體絕緣介質的局部放電特性。采用脈沖電流法檢測PD 電信號時，缺陷的視在放電量q與脈沖電壓幅值U成正比，定義刻度因數Kc如式（1）所示。

通過求得刻度因數Kc，便可以得知示波器PD脈沖幅值對應的放電量數值。

在圖1 所示的電路中，將可調的校正脈沖發生器與缺陷模型并聯，分別施加5、10、20、50 pC 的校正脈沖信號，記錄脈沖信號峰值的平均值，并對其數據進行擬合，繪制對應缺陷下的視在放電量q與脈沖電壓幅值U的關系，結果如圖4 所示。從圖4可以看出，所得擬合直線誤差在允許的范圍內。

圖4 放電量校準曲線Fig.4 Calibration curve of partial discharge quantity

由脈沖檢測單元獲取3組不同電壓等級下的放電信號，對放電信號進行統計計算，選用每秒平均放電量QSEC和單次放電量的最大值QMAX來表征放電強度，結果如表1所示。

表1 不同電壓下PD特征值Tab.1 PD characteristic value under different voltages

2 結果與討論

2.1 分解組分濃度與PD強度的關系

對3 組實驗電壓下的C6F12O/CO2放電分解樣氣進行檢測，對4種典型的分解組分進行定量測試，得到不同PD強度下組分濃度變化曲線。

2.1.1 不同PD強度下CF4濃度變化情況

不同PD 強度下CF4濃度變化如圖5 所示。由圖5(a)可知，隨著外加電壓等級的上升，即PD 強度的增加，以及放電時間的延長，CF4濃度總體上呈增加趨勢，在PD 強度較低（16 kV、20 kV）時，CF4濃度在短時間（t≤96 h）內基本以線性增長為主，出現飽和增長趨勢可能需要更長的時間（t＞96 h），只有在較高電壓等級（24 kV）下，CF4濃度在短時間（t≤96 h）內出現飽和增長趨勢。

圖5 不同PD強度下CF4濃度變化Fig.5 The change of CF4 concentration under different PD intensity

CF4的反應途徑如式（2）～（6）所示[28]。

從式（2）～（6）中可以看出，CF4的濃度與體系中C6F12O 的分解程度有密切關系。由于16 kV、20 kV 實驗組中整體放電強度低，CF3、F 濃度限制了CF4的生成，表現為CF4濃度少。隨著放電強度逐漸增加，C6F12O電離分解程度加劇，CF4生成速率加快。因此，CF4可作為判斷PD強弱的特征組分。

由圖5(b)可知，CF4濃度隨QSEC呈“線性-飽和”的增長關系：在36 h之內呈線性增長，36 h之后呈飽和增長。因此，將整個實驗以36 h 為界限，近似分為“放電時間較短”及“放電時間較長”兩個階段：

①放電時間較短階段（t≤36 h）。CF4濃度隨QSEC呈線性增長關系。這是因為懸浮電極缺陷下PD 穩定，放電頻率變化較小，PD 強度成為CF4產量的決定性影響因素。實驗檢測的QSEC代表相應PD脈沖每秒平均放電量，與PD 中的活躍電子數對應，而活躍電子的碰撞必然引起各種粒子間的相互反應，故在一定時間內一定數量的活躍電子必然產生一定濃度的CF4，可認為放電時間較短（t≤36 h）時，CF4濃度隨QSEC呈線性增長關系。

②放電時間較長階段（t＞36 h）。CF4濃度隨QSEC呈飽和增長關系，相關研究表明，絕緣氣體PD分解反應是雙向的[28]，即C6F12O/CO2在PD 分解的同時也存在復合還原反應，在一定的放電能量和分子密度下，分解-復合反應會達到一個平衡值。即CF4的濃度在更大的PD 強度、更長的放電時間下，體現出飽和的趨勢。

2.1.2 不同PD強度下C2F6和C3F8濃度變化情況

不同PD 強度下C2F6與C3F8濃度變化分別如圖6 和圖7 所示。從圖6(a)和圖7(a)可以看出，C2F6與C3F8濃度變化規律較為類似，均表現為在電壓等級較低（16 kV）時，氣體濃度增長較為緩慢，在電壓等級較高（20 kV、24 kV）時，氣體濃度成倍增長，達到飽和所需時間較長，說明PD強度對C2F6與C3F8產生有明顯的促進作用。

圖6 不同PD強度下C2F6濃度變化Fig.6 The change of C2F6 concentration under different PD intensity

圖7 不同PD強度下C3F8濃度變化Fig.7 The change of C3F8 concentration under different PD intensity

C2F6、C3F8的反應途徑如式（7）～（10）所示。

從式（7）～（10）可以看出，自由基CF3、C2F5和C3F7易與氧化性強的F 原子自由反應，生成C2F6、C3F8等反應物，放電強度的增加促進了自由基粒子的大量生成，從而使得C2F6與C3F8濃度激增。因此可以利用C2F6與C3F8作為判斷PD強弱的特征組分，利用它們的濃度變化或增長速率來判斷PD 的情況。

由圖6(b)和圖7(b)可以看出，C2F6和C3F8濃度與放電量的關系曲線與CF4類似，在放電時間較短（t≤36 h）時，C2F6和C3F8濃度與QSEC呈線性增長關系，放電時間較長（t＞36 h）時，C2F6和C3F8濃度與QSEC呈飽和增長關系，但是整體飽和程度弱于CF4。

2.1.3 不同放電強度下C3F7H濃度變化情況

不同放電強度下C3F7H 濃度變化如圖8 所示。從圖8 可 以看 出，C3F7H 的 濃度 變化 與CF4、C2F6、C3F83 種氣體的濃度變化相似，且同樣以36 h 為界限，氣體濃度隨QSEC呈“線性-飽和”關系，因此，C3F7H同樣可作為判斷PD強弱的特征組分。

圖8 不同PD強度下C3F7H濃度變化Fig.8 The change of C3F7H concentration under different PD intensity

不同的是，CF4、C2F6、C3F8濃度均在24 kV 出現飽和趨勢，而C3F7H 濃度在20 kV 即出現飽和趨勢，且飽和濃度遠低于CF4、C2F6、C3F8。

C3F7H主要形成途徑如式（11）所示。

式（11）中H原子主要來源于有機絕緣材料和氣室中的微量H2O，因此反應體系中的H 原子非常有限，在PD 強度較弱時更容易出現飽和趨勢，C3F7H整體濃度也遠低于CF4、C2F6、C3F8。

2.1.4 C6F12O/CO2混合氣體分解組分含量特點

總體來看，懸浮電極缺陷下4 種氣體組分濃度關系為c（CF4）＞c（C2F6）≈c（C3F8）＞c（C3F7H）。由文獻[28]可知，從微觀反應能量角度分析，CF4的生成反應能量為-122.289 kcal/mol，C2F6、C3F8生成路徑的能量變化較為接近，且兩者均小于CF4的能量變化，因此可大致判斷CF4、C2F6、C3F8較容易生成。C3F7H 濃度主要受有機絕緣材料和微量H2O 中H 原子制約，總體產量最小。

2.2 分解組分產氣速率與PD強度的關系

上述分析中，分解組分的濃度隨著PD 時間的延長穩定增加，不同的PD 強度下曲線斜率變化趨勢各不相同，因此可以根據分解組分產氣速率與放電量的關系來判定PD 強度。懸浮電極缺陷在各個時段下的產氣速率可以用絕對產氣速率來表征，其公式如式（12）所示。

式（12）中：va為絕對產氣速率；vi為第i次采集的氣體濃度；vi-1為i前一次采集的氣體濃度，Δt為兩次采集氣體體積濃度的間隔時間，即12 h，共8個數據。

為使產氣速率更具有統計性，采用氣體產氣速率的均方根值來表征懸浮電極缺陷在各個時段下的產氣速率vm，其公式如式（13）所示。

式（13）中，vaj為第j個時間段內的絕對產氣速率，單位為(μL/L)/12 h。

根據式（13）計算的結果，可以繪制分解組分產氣速率均方根值與放電量的關系曲線，如圖9所示。

圖9 4種分解組分產氣速率與放電量的關聯特性Fig.9 Correlation between gas production rate and QSEC of four decomposition components

C6F12O/CO2混合氣體的PD 分解過程比較復雜，是一個強烈的吸熱反應過程，因此QSEC的增加可以促進分解組分的生成，隨著放電量增加，生成速率也有一定的增加。從圖9可以看出，CF4、C2F6、C3F8、C3F7H 的產氣速率隨QSEC增加呈飽和趨勢，CF4的產氣速率最大，遠高于其他3 種組分，C2F6和C3F8的產氣速率幾乎相同，C3F7H 的產氣速率隨QSEC變化不明顯，各組分產氣速率的關系為：v（CF4）＞v（C2F6）≈v（C3F8）＞v（C3F7H）。產氣速率的關系與上文中C6F12O/CO2混合氣體分解組分含量的分析密切相關，反應能量變化大，產物相對更容易生成，產氣速率越大。

2.3 特征氣體比值與PD強度的關系

在局部放電研究中，經常使用特征氣體之間的比值作為特征量來衡量PD 的嚴重程度。參考該方法，對C6F12O/CO2混 合 氣 體PD 分 解 的CF4、C2F6、C3F8、C3F7H 4 種組分的比值進行分析。盡管懸浮電極缺陷在不同電壓下PD 強度不同，4 種分解組分濃度的變化存在差異，但4種組分濃度比值仍具有統計學意義。本文對c（CF4）/c（C3F7H）、c（C2F6）/c(C3F8)、c（CF4+C2F6+C3F8）2/c（C3F7H）23 組分濃度比值進行計算分析，結果如表2所示。

表2 懸浮電極絕緣缺陷下分解組分濃度比值Tab.2 Concentration ratio of decomposed components under floating electrode insulation defect

由表2 可知，c（CF4）/c（C3F7H）的值整體穩定在9～13，其中16、20、24 kV 電壓等級下比值分別位于9～11、11～12、12～13，隨不同PD 強度體現出差異性，但其整體數值差異化較小，可作為PD 強度判斷的輔助依據。

c（C2F6）/c（C3F8）的變化范圍較為穩定，幾乎都分布在0.8～1.1 區間內，比值波動小，表明C2F6和C3F8產氣速率相近且穩定，受PD 強度影響較小，不適合作為判斷PD強度的依據。

由于CF4、C2F6、C3F8和C3F7H的生成特性與產氣速率存在差異，前3 種分解產物主要生成路徑來源于C6F12O/CO2混合氣體的PD 分解反應，而C3F7H 的生成主要受反應體系中有機絕緣材料和微量H2O的影響。因此對CF4、C2F6、C3F8與C3F7H的比值進行分析，為了增加其差異性，采用濃度的平方進行計算。在16、20、24 kV 3 組實驗中，隨著PD 強度的增大，c（CF4+C2F6+C3F8）2/c（C3F7H）2的變化區間可近似劃分為260～360、360～440、450～490，差異性較為明顯，可作判斷PD強度的主要依據。

綜上所述，可以初步認為懸浮電極缺陷下c（CF4+C2F6+C3F8）2/c（C3F7H）2可作為判斷PD強度和缺陷嚴重程度的主要依據，將c（CF4）/c（C3F7H）作為輔助依據，根據特征量大小的變化判斷缺陷局部放電是否有加劇的趨勢。

3 結 論

本文通過局部放電分解實驗，探究了懸浮電極缺陷下C6F12O/CO2混合氣體的分解組分特性，主要得到如下結論：

（1）懸浮電極缺陷下的局部放電會使C6F12O/CO2混合氣體發生分解，典型產物為CF4、C2F6、C3F8、C3F7H 等，且這4 種產物濃度、產氣速率的變化規律上存在差異，可選擇作為判斷PD強度的特征組分。

（2）當PD 強度較低時，CF4、C2F6、C3F8、C3F7H 4種特征組分濃度呈線性穩定增長，隨著PD 強度增加，4 種組分濃度成倍增長，且在放電后期呈現飽和趨勢；4 種特征組分濃度與QSEC的關聯特性類似，均表現為以36 h 為界，隨著放電時間延長，特征組分濃度隨QSEC增加呈“線性-飽和”的增長關系。

（3）4 種特征組分濃度關系體現為c（CF4）＞c（C2F6）≈c（C3F8）＞c（C3F7H），產 氣 速 率 關 系 為v（CF4）＞v（C2F6）≈v（C3F8）＞v（C3F7H），與C6F12O/CO2混合氣體放電分解產物形成的理論分析結果相印證。

（4）討論了懸浮電極缺陷下PD 強度對分解組分濃度比值變化的影響，可利用c（CF4）/c（C3F7H）作為輔助依據，c（CF4+C2F6+C3F8）2/c（C3F7H）2作為主要依據，同時結合組分含量變化以及產氣速率進一步判斷PD 強度和缺陷嚴重程度，為氣體絕緣設備的狀態評估提供參考。