環保型C₄F₇N/CO₂混合氣體的特性分析與應用建議

[摘 要]文章分析了C4F7N/CO2混合氣體的特性，并進行了絕緣驗證試驗，結果表明，5%C4F7N/95%CO2的混合氣體在0.7 MPa氣壓下與0.43 MPa下SF6氣體的絕緣強度相當，液化溫度為–25℃，并順利通過了±550 kV雷電沖擊試驗、230 kV/1 min工頻耐受電壓試驗及184 kV下局部放電試驗，具有一定的絕緣裕度，可滿足實際工程應用，并給出了C4F7N/CO2混合氣體在運行維護、材料相容性及結構設計方面的一些建議。

[關鍵詞]C4F7N/CO2混合氣體；飽和蒸汽壓特性；絕緣特性；應用建議

[中圖分類號]TM213 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0077–03

Characteristic Analysis and Application Suggestions of Environmentally Friendly C4F7N/CO2 Mixed Gas

WANG Xiaohui，ZHAO Yu，LV Yanshuo，GUO Shangwen

[Abstract]This article analyzes the characteristics of C4F7N/CO2 mixed gas and conducts insulation verification tests. The results show that the insulation strength of 5% C4F7N/CO2 mixed gas is equivalent to that of SF6 gas at 0.43 MPa under a pressure of 0.7 MPa， with a liquefaction temperature of -25℃. It has successfully passed the±550 kV lightning impulse test， 230 kV/1 min power frequency withstand voltage test， and 184 kV partial discharge test， with a certain insulation margin that can meet practical engineering applications. Some suggestions for the operation and maintenance， material coMPatibility， and structural design of C4F7N/CO2 mixed gas are also provided.

[Keywords]C4F7N/CO2 mixed gas； saturated vapor pressure characteristics； insulation characteristics； application suggestions

目前，在高壓電氣設備中通常采用SF6氣體作為絕緣介質，其也是目前已知最強的溫室氣體之一，因此，探索可等效替代SF6的新型環保絕緣氣體是電氣工程領域重要的研究方向。

1 C4F7N/CO2混合氣體特性

目前主要研究的環保型絕緣氣體有3類，即常規氣體（空氣、N2及CO2）、SF6混合氣體和強電負性氣體及其混合氣體。相同配比下，C4F7N/CO2混合氣體所能應用的最高壓力高于C5F10O/CO2、C6F12O/CO2混合氣體。C4F7N相比C5F10O、C6F12O在液化溫度上更具優勢，具備在高壓氣體絕緣設備中的應用潛力。

1.1 C4F7N/CO2混合氣體的飽和蒸汽壓特性

通過Antoine蒸汽壓方程得到SF6、C4F7N及CO2 3種氣體的飽和蒸汽壓特性，使用全局最優化算法擬合得到飽和蒸汽壓單位為MPa下SF6、C4F7N和CO2 3種氣體的Antoine特性常數。為了進一步驗證該方法的準確性，得到了3種氣體的飽和蒸汽壓數據與參考文獻[1]的對比曲線，如圖1所示。

由圖1可知，隨氣體溫度升高，SF6、C4F7N和CO2氣體的飽和蒸汽壓均呈非線性增大趨勢，在相同溫度下3種氣體的飽和蒸汽壓排序為CO2>SF6>C4F7N。因此，相比于SF6氣體，C4F7N氣體在常用壓力下會發生液化現象而無法使用，若在C4F7N氣體中充入大量CO2作為緩沖氣體，可大幅降低其液化溫度，從而滿足實際應用。

將Antoine蒸汽壓方程與汽液平衡基本定律相結合，計算得到不同C4F7N摩爾分數和不同溫度下C4F7N/CO2混合氣體的飽和蒸汽壓特性曲線，如圖2所示。

由圖2（a）可以看出，隨著氣體溫度的升高，不同比例C4F7N/CO2混合氣體的飽和蒸汽壓均明顯增大；由圖2（b）可以看出，隨著C4F7N摩爾分數的升高，不同溫度C4F7N/CO2混合氣體的飽和蒸汽壓均明顯減小，證明了在C4F7N氣體中加入CO2緩沖氣體能有效降低混合氣體的液化溫度，進而提高混合氣體的飽和蒸汽壓。根據圖2（b）可進一步得到4%～10%C4F7N混合氣體在典型溫度–15℃和–25℃下的飽和蒸汽壓數據，見表1，可為環保型電力設備在實際環境應用中混合氣體的配比選取提供參考依據。

1.2 C4F7N/CO2混合氣體的絕緣特性

應用玻爾茲曼（boltzmann）解析法，通過計算對比分析C4F7N/CO2混合氣體在工頻電壓工況和負極性雷電沖擊電壓工況下的絕緣特性，如圖3所示。

由圖3可知C4F7N/CO2混合氣體的工頻電壓場強和負極性雷電場強均隨氣壓升高而呈線性增長，因此，通過提高氣壓和C4F7N氣體比重可提高混合氣體的絕緣強度。5%C4F7N/95%CO2的混合氣體在0.7 MPa氣壓下與0.43 MPa下SF6氣體的絕緣強度相當，液化溫度為–25℃，可滿足實際工程應用。而7%和9%的C4F7N/91%CO2混合氣體由于液化溫度較高而無法滿足實際工程應用。

2 C4F7N/CO2混合氣體的絕緣驗證試驗

以126 kVGIS隔離接地開關為試驗樣機，對5%C4F7N/95%CO2混合氣體進行絕緣驗證試驗。

126 kV隔離接地開關裝配完成后，首先充5%C4F7N/95%CO2混合氣體至0.7 MPa，A、B、C三相開展并順利通過±550 kV雷電沖擊試驗（相間和斷口，各3次）、230 kV/1 min工頻耐受電壓試驗（相間和工頻斷口三相同時加壓）及184 kV下局部放電試驗。為進一步驗證5%C4F7N/95%CO2混合氣體配置下試驗樣機的絕緣裕度，將氣體壓力由原來的0.7 MPa降低至0.6 MPa，重新開展絕緣驗證試驗，A、B、C三相開展并順利通過±550 kV雷電沖擊試驗、230 kV/1 min工頻耐受電壓試驗及184 kV下局部放電試驗。

試驗結果表明，在不改動現有設備結構的前提下，0.7 MPa5%C4F7N/95%CO2的配置方案可同時滿足絕緣強度和最低溫度–25℃環境限制。

3 C4F7N/CO2混合氣體的應用建議

3.1 在運行維護方面的建議

C4F7N/CO2混合氣體中C4F7N含量決定了其絕緣性能，因此在實際應用中要監測混合氣體中C4F7N的含量，以判斷其是否處于允許范圍。例如，在運行維護時，通過監測設備混合氣體中C4F7N的含量是否發生變化，來判斷是否存在漏氣等故障，進而做出加強觀察、帶電補氣或停電檢修等決策。

3.2 在材料相容性方面的建議

C4F7N/CO2混合氣體與設備內常用金屬材料和環氧樹脂絕緣材料相容性良好，而與密封材料和吸附劑材料存在相容性較差的問題[1]。未來，要尋求相關替代產品或開發相容性良好的材料，以解決此問題。

3.3 在結構設計方面的建議

5%C4F7N/95%CO2混合氣體在燃弧期間徑向熱傳導能力較弱，僅在原有SF6設備的結構上替換氣體無法達到原有的滅弧性能，因此需要設計與C4F7N/CO2混合氣體性能匹配的設備結構，如優化噴口通道結構，以提高混合氣體在燃弧期間的徑向熱傳導能力，進而提升C4F7N/CO2混合氣體的滅弧性能。

4 結束語

C4F7N/CO2混合氣體在高壓電氣設備中具有較大的應用潛力，以126 kVGIS隔離接地開關為試驗樣機進行絕緣驗證試驗，結果表明，5%C4F7N/95%CO2混合氣體在0.7 MPa氣壓下能夠順利通過±550 kV雷電沖擊試驗、230 kV/1 min工頻耐受電壓試驗及184 kV下局部放電試驗，具有一定的絕緣裕度。結合實際工程應用，給出了C4F7N/CO2混合氣體在運行維護、材料相容性及結構設計方面的一些建議。

參考文獻

[1] 王浩，顏湘蓮，韓冬，等.C4F7N/CO2及其分解氣體與橡膠密封材料的相容性實驗[J].高電壓技術，2022，48（7）：2625-2634.