CF4/CO2混合气体工频击穿特性的试验研究王兴伟1，彭彦卿1，袁传镇2，傅飞峰2，张达敏11. 厦门理工学院 电气工程与自动化学院，福建 厦门 361024；2. 许继（厦门）智能电力设备股份有限公司，福建 厦门 361024摘 要 SF6是目前电气设备中广泛使用的气体绝缘介质，但其产生的温室效应对环境影响极大，因此，研究能替代SF6的环保型气体绝缘介质具有重要的意义。CF4是一种具有低温室效应指数（global warmingpotential, GWP）和低液化温度的强电负性气体。通过工频击穿试验，研究了CF4/CO2混合气体的工频击穿特性，并对其协同效应和GWP值进行分析。结果表明CF4混合比为50的CF4/CO2混合气体的绝缘强度能达到纯CF4的90左右，同时GWP值低，具有用于气体绝缘的潜力；CF4/CO2混合气体的协同效应值在0.120.38，表现出明显的协同效应。关键词 CF4/CO2；工频击穿；绝缘强度；协同效应；GWP中图分类号 TM213 文献标志码 A DOI 10.11930/j.issn.1004-9649.2018081530 引言SF6气体具有良好的绝缘、灭弧能力[1]，在电力设备中应用广泛。然而SF6也存在诸多不足液化温度较高，在高寒地区不能正常工作；在高温高热条件下会分解生成有毒物质[2]；最严重的问题是SF6的低温室效应指数GWP值极高，在大气中寿命可达3 200年，极难降解。联合国气候变化组织早在1997年就将SF6列为全球限制使用的温室气体[3]，并要求到2020年基本限制其使用[4]。为此，研究者们针对CF3I、c-C4F8、C5F10O等一些环保型气体进行了研究[5]。其中，CF3I和c-C4F8的GWP值均比SF6低，且都具有较强的绝缘能力，具备在常温条件下使用的潜力，但两者也有许多缺陷。CF3I在分解过程中会形成碘颗粒附在电极上[6]，污染电极，造成绝缘能力下降；c-C4F8在过热作用下会发生碳堆积现象[7]，也会对设备及自身绝缘强度造成影响。同时，CF3I和c-C4F8都具有较高的液化温度，容易液化[8]。此外，这2种气体的造价都非常昂贵，远高于SF6气体。因此，寻找具有一定绝缘能力，无毒、低液化温度，同时对环境危害小的绝缘气体非常重要。CF4气体呈强电负性，无毒、不易燃，且GWP值较低；在标准大气压下CF4的液化温度为–128 ℃，满足在寒冷地区中使用。文献[9-10]针对CF4/N2混合气体的绝缘特性、协同效应进行了研究，指出CF4混合比为80的CF4/N2混合气体可用作极寒地区的SF6替代气体；文献[11]研究了SF6/CF4混合气体的工频击穿特性，结果表明，SF6/CF4混合气体在均匀电场中的击穿电压与压强基本呈线性关系。CO2的GWP值极低，为了能充分减少气体绝缘介质对环境的危害，文中将CF4与CO2混合，同时对气压为0.30.6 MPa、CF4混合比为0100范围内的CF4/CO2混合气体和纯SF6气体在圆柱–圆柱（指两轴平行，后文不再赘述）和板–板2种电极下进行工频击穿试验，进而对其工频击穿特性、协同效应和GWP值进行分析，旨在扩充CF4气体绝缘性能的研究，也为气体绝缘介质的研究提供新的参考。1 试验装置与方法试验平台主要包括调压器、试验变压器和气体试验装置等，试验接线如图1所示。图2所示为气体试验装置，主要由试验腔体、高压套管、电极板、观察窗等组成。试验腔体为圆筒结构，收稿日期2018−08−28； 修回日期2018−11−01。基金项目国家自然科学基金资助项目51407151。第 52 卷 第 4 期中国电力Vol. 52, No. 42019 年 4 月ELECTRIC POWER Apr. 201974材料为不锈钢，高度为200 mm，厚度为8 mm。文中使用圆柱–圆柱和板–板电极进行试验，能较好地模拟实际工况[12]。圆柱–圆柱电极距离为5 mm，电场不均匀系数为1.05；板–板电极距离为10 mm，电场不均匀系数为1.16。其中，圆柱电极半径7.5 mm，厚15 mm，总长120 mm，设计尺寸见图3a），试验时将电极上下平行放置，实物见图3b）；板电极厚30 mm，直径120 mm，边缘半径15 mm，设计尺寸见图3c），实物见图3d）。试验流程包括抽真空、充气和进行气体试验3个过程。试验前需将试验腔体擦拭干净，对腔体抽真空至10 Pa以下，再进行充气。气体静置的时间需要按照气体性质来确定[13]，充入混合气体时，至少应静置24 h以上。文中使用了CF4、CO2以及SF6 3种气体。由于CF4、CO2不发生化学反应，可将其作为理想气体[14]，按照Dalton分压定律，可通过控制CF4的气压来控制其在混合气体中的含量[15]。试验中CF4混合比为0100，气压为0.30.6 MPa，通过调节混合比和气压多次进行试验，每组试验次数大于10次，最后取每组击穿电压的平均值作为试验结果。2 试验结果与分析2.1 圆柱–圆柱电极试验结果圆柱–圆柱电极下，电场不均匀系数为1.05时，CF4/CO2混合气体的击穿电压随气压和CF4混合比变化的曲线分别如图4、图5所示，其中k为CF4的混合比。图4中，CF4/CO2混合气体在0.30.6 MPa下的击穿电压随气压增加而增大，且ACR C1TxVT1 T2 T3C2AC交流电源，380 V；T1调压器；T2、T3试验变压器；R保护电阻；C1分压器高压臂电容；C2分压器低压臂电容；V电压表；TX试品图 1 试验接线Fig. 1 Diagram of test wiring图 2 试验装置实物Fig. 2 Physical diagram of test devicea 圆柱电极尺寸/mm b 圆柱−圆柱电极实物c 板电极尺寸/mm d 板−板电极实物D30R7.5 15D120D105D30R15 30120图 3 试验电极Fig. 3 Test electrodes used for experiment7570656055504540353025击穿电压/kV0.3 0.4 0.5 0.6气压/MPak0；k10；k30；k50；k100图 4 圆柱-圆柱电极下CF4/CO2混合气体的工频击穿电压随气压变化曲线Fig. 4 Variation curves of power frequency breakdownvoltage of CF4/CO2 gas mixture with air pressure undercylinder-cylinder electrode第 4 期 王兴伟等 CF4/CO2混合气体工频击穿特性的试验研究75明显高于相同气压下CO2的击穿电压，说明在CO2气体中加入CF4后，其绝缘强度得到了有效提升。当工频电压施加于CF4/CO2混合气体间隙时，电离产生的电子会被呈强电负性的CF4分子吸附形成负离子，抑制了放电的发展，因此混合气体间隙击穿电压高于CO2。图5中，随着CF4混合比的增加，CF4/CO2混合气体的击穿电压呈非线性增长。0.3 MPa下纯CO2的击穿电压为27.2 kV，而CF4混合比为10的CF4/CO2混合气体的击穿电压相比纯CO2提升了16.7，为纯CF4击穿电压的73.5。继续增加CF4混合比至50时，CF4/CO2混合气体的击穿电压能达到纯CF4的91.4。从图5中可以看出，CF4混合比为50的CF4/CO2混合气体击穿电压能达到相同条件下纯CF4击穿电压的90左右。本文还对圆柱–圆柱电极下纯SF6气体进行了工频击穿试验，并与纯CF4气体进行对比分析。0.5 MPa下纯CF4的工频击穿电压为58.2 kV，约为相同气压下纯SF6气体击穿电压的60.8，与文献[16]的研究结果十分接近。0.6 MPa下纯CF4的击穿电压为70.3 kV，约为0.4 MPa下纯SF6的85.5，并超过了0.3 MPa下纯SF6的击穿电压。可以看出，较高气压下的纯CF4气体可以获得与SF6气体（相对低气压条件下）相当的绝缘强度。2.2 板–板电极试验结果板–板电极下，电场不均匀系数为1.16时，CF4/CO2混合气体的工频击穿电压随气压与CF4混合比变化的曲线分别如图67所示。图6中，CF4/CO2混合气体的击穿电压随气压升高而增大，当气压超过0.5 MPa后，击穿电压增长趋势减缓。由于气压升高，电子自由行程变小，获得能量下降，CO2电离程度降低，使CF4分子能吸附到的电子数量变少，CF4–浓度下降，但电离产生的电子总数仍多于低气压条件下的电子数目，因此出现击穿电压增加，但增长趋势减缓的现象。图7中，CF4/CO2混合气体的击穿电压随CF4混合比的增加呈非线性增长，并逐渐趋于饱和状态。0.3 MPa下纯CO2的击穿电压为46.3 kV，掺入CF4含量为50后混合气体的击穿电压相比纯CO2提高了41.5，为纯CF4击穿电压的92.5。从图7中可以看出，CF4混合比为50的CF4/CO2混合气体的绝缘强度能达到纯CF4的90左右。85756555453525击穿电压/kV0 10 30 50 100混合比 k/0.3 MPa；0.4 MPa；0.5 MPa；0.6 MPa图 5 圆柱-圆柱电极下CF4/CO2混合气体的工频击穿电压随CF4混合比变化曲线Fig. 5 Variation curves of power frequency breakdownvoltage of CF4/CO2 mixed gas with CF4 mixing ratio undercylinder-cylinder electrode13011510085705540击穿电压/kV0.3 0.4 0.5 0.6气压/MPak0k10k30k50k100图 6 板-板电极下CF4/CO2混合气体的工频击穿电压随气压变化曲线Fig. 6 Variation curves of power frequency breakdownvoltage of CF4/CO2 mixed gas with air pressure underplate-plate electrode13011510085705540击穿电压/kV0 10 30 50 100混合比k/0.3 MPa；0.4 MPa；0.5 MPa；0.6 MPa图 7 板-板电极下CF4/CO2混合气体的工频击穿电压随CF4混合比变化曲线Fig. 7 Variation curves of power frequency breakdownvoltage of CF4/CO2 mixed gas with CF4 mixing ratio underplate plate electrode中国电力第 52 卷76对板-板电极下纯SF6气体进行了工频击穿试验后发现0.4 MPa下纯CF4的击穿电压为84.5 kV，约为相同气压下纯SF6气体击穿电压的58.3。提高气压后，0.6 MPa下纯CF4的击穿电压为110.7 kV，约为0.4 MPa下纯SF6的76.2，并与0.3 MPa下纯SF6的击穿电压相当。可以发现，2种电极下CF4/CO2混合气体的击穿电压随CF4混合比的增加均呈非线性增长，但在0.50.6 MPa气压范围内，圆柱–圆柱电极下的击穿电压提升效果明显强于板-板电极。圆柱–圆柱电极下50CF4/50CO2混合气体在0.6 MPa的击穿电压是0.3 MPa的2.1倍左右，而板–板电极下50CF4/50CO2混合气体在0.6 MPa的击穿电压是0.3 MPa的1.6倍左右。对比相同条件下的试验结果可以看出，电场不均匀程度的提高使CF4/CO2混合气体的击穿电压增长变缓。3 CF4/CO2混合气体的协同效应将一种电负性气体与另一种气体混合后，混合气体的绝缘特性随电负性气体含量的增加呈现非线性变化，这种现象称为协同效应[17]。从图5中可以看出，CF4/CO2混合气体击穿电压随CF4混合比的增加呈非线性增长，具有协同效应。协同效应对混合气体的绝缘强度影响很大。可根据协同效应计算公式来判断协同效应的强弱程度[18]，即C [kUCF4 UCO2Um UCO2 k]1 k（1）式中C为协同效应值，0＜C＜1，且C值越小协同效应越明显；UCF4、UCO2、Um分别为CF4、CO2以及CF4/CO2混合气体的击穿电压；k为混合比。将试验数据带入式（1）可计算出相应的协同效应值，结果分别如表1、表2所示。从表1、表2中可以看出，CF4/CO2混合气体的协同效应随气压升高而增强，并在高气压下逐渐趋于稳定。气压升高时，电子的碰撞频率增大，使CF4分子能捕获到电子的概率增加，因此协同效应随气压增加变得更明显。而进一步增大气压后，试验腔体内粒子基数增加，电子浓度下降，CF4分子能捕获到电子的概率接近饱和，因此在高气压下协同效应趋于稳定。2种电极下，CF4/CO2混合气体协同效应值在0.120.38，表现出明显的协同效应，使得CF4/CO2混合气体具备一定的应用价值。4 CF4/CO2混合气体的GWP值分析可根据CF4/CO2混合气体的绝缘强度对其GWP值进行分析，计算公式[19]为OGWP 1Uk2∑k1GkXk（2）式中OGWP为气体的GWP值；Uk为混合气体中第k种气体相对SF6气体的击穿电压；Gk、Xk分别为混合气体中第k种气体的OGWP值与混合比。利用式（2）可计算出CF4/CO2混合气体的OGWP值，如图8所示。图8中，CF4/CO2混合气体与的OGWP值随CF4混合比的增加呈线性增长，CF4混合比为50的CF4/CO2混合气体OGWP值远低于纯SF6气体OGWP值，对环境影响较小。5 结论本文针对圆柱–圆柱与板–板电极下，不同气压、不同混合比的CF4/CO2混合气体的工频击穿表 1 圆柱–圆柱电极下CF4/CO2混合气体协同效应值Table 1 Synergistic effect value of CF4/CO2 gas mixtureunder cylinder-cylinder electrode气压/MPa混合比k/平均值/10 30 500.3 0.18 0.35 0.38 0.300.4 0.14 0.21 0.22 0.190.5 0.12 0.20 0.23 0.180.6 0.11 0.17 0.13 0.14表 2 板-板电极下CF4/CO2混合气体协同效应值Table 2 Synergistic effect value of CF4/CO2 gas mixtureunder plane-plane electrode气压/MPa混合比k/平均值/10 30 500.3 0.19 0.25 0.35 0.260.4 0.17 0.24 0.32 0.240.5 0.16 0.22 0.33 0.240.6 0.15 0.22 0.32 0.23第 4 期 王兴伟等 CF4/CO2混合气体工频击穿特性的试验研究77特性、协同效应和GWP值进行研究，得出如下结论。（1）CF4/CO2混合气体的击穿电压随着CF4混合比的增加呈非线性增长，混合比超过50后，击穿电压增长率明显降低。CF4/CO2混合气体的击穿电压随气压增加而增大，在0.50.6 MPa气压范围内，圆柱–圆柱电极下的击穿电压提升效果明显强于板-板电极。（2）CF4/CO2混合气体协同效应值在0.120.38，具有明显的协同效应，且协同效应随气压升高而增强。（3）CF4混合比为50的CF4/CO2混合气体的绝缘强度能达到纯CF4的90，同时GWP值较低，具有用于气体绝缘的潜力。参考文献肖登明. 环保型绝缘气体的发展前景[J]. 高电压技术, 2016, 4241035–1046.XIAO Dengming. 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School of Electrical Engineering and Automation, Xiamen University of Technology, Xiamen 361024, China;2. XujiXiamen Intelligent Power Equipment Co., Ltd., Xiamen 361024, ChinaAbstract SF6 is a widely used as gas insulating medium in electrical equipment at present, but its greenhouse effect has a greatimpact on the environment. Therefore, it is of great significance to study the environmental friendly gas insulating medium which canreplace SF6. CF4 is a strong electronegative gas with low global warming potential GWP index and liquefaction temperature. In thispaper, the power frequency breakdown characteristics of CF4/CO2 mixture were studied by power frequency breakdown test, and itssynergistic effect, GWP value are also analyzed. The results show that the insulation strength of CF4/CO2 mixture with 50 CF4mixing ratio can reach about 90 of pure CF4, and the GWP value is low, so it has potential for gas insulation. The synergistic effectof CF4/CO2 mixture is between 0.12 and 0.38, showing obvious synergistic effect.This work is supported by National Natural Science Foundation of China No.51407151.Keywords CF4/CO2; AC breakdown; insulation strength; synergistic effect; GWP第 4 期 王兴伟等 CF4/CO2混合气体工频击穿特性的试验研究79