1、第 49 卷 第 3 期：1007-1014 高电压技术 Vol.49,No.3:1007-1014 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20220778 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March C4F7N/CO2/O2混合气体局部放电起始电压的试验研究 仝殿杰，赵秋琳，曹人杰，王 璁，屠幼萍，郑 重（华北电力大学高电压与电磁兼容北京市重点实验室，北京 102206）摘 要：研究 C4F7N/CO2/O2环保绝缘气体的局部放电特性，可为环保型气体绝
2、缘电气设备的设计制造及运维提供技术支撑。为此，利用针板电极研究了极不均匀电场中 C4F7N/CO2/O2混合气体的交流局部放电起始电压(partial discharge initial voltage,PDIV)，并分析了 O2的体积分数、气压以及电场不均匀系数对其 PDIV 的影响。试验结果表明：在 0.150.25 MPa 气压范围内，C4F7N/CO2混合气体中加入 O2体积分数不宜超过 4%；而在 0.350.65 MPa气压范围内，3 种 O2占比中，在 C4F7N/CO2混合气体加入体积分数为 4%的 O2的方案相对最优。混合气体的 PDIV随气压的变化会出现“驼峰效应”；O2体
3、积分数小于 8%时，不均匀系数的增加能够有效减少 C4F7N/CO2/O2和C4F7N/CO2这 2 种混合气体 PDIV 幅值的差别；而 O2体积分数高于 8%时，不均匀系数的变化对 2 种混合气体幅值差别的改变影响很小。因此，从混合气体交流局部放电起始电压角度考虑，C4F7N/CO2/O2混合气体具备应用于气体绝缘交流设备的可行性。关键词：C4F7N/CO2/O2；局部放电起始电压；不均匀电场；脉冲电流法；驼峰效应 Experimental Study on Partial Discharge Initial Voltage of C4F7N/CO2/O2 Mixed Gas TONG D
4、ianjie,ZHAO Qiulin,CAO Renjie,WANG Cong,TU Youping,ZHENG Zhong(Beijing Key Laboratory of High Voltage&EMC,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)Abstract：Studying the partial discharge characteristics of C4F7N/CO2/O2 environmentally friendly insulating gas can provide technical s
5、upports for the design,manufacture,and operation and maintenance of environmentally friendly gas-insulated electrical equipment.The partial discharge initial voltage(PDIV)of C4F7N/CO2/O2 mixture gas in an ex-tremely non-uniform electric field is studied by using a needle-plate electrode,and the effe
6、cts of O2 volume fraction,air pressure and electric field non-uniformity coefficient on PDIV are analyzed.The experimental results show that,in the pressure range of 0.150.25 MPa,the volume fraction of O2 added into the C4F7N/CO2 mixture should not exceed 4%,while in the pressure range of 0.350.65 M
7、Pa,among the three proportions of O2,the scheme of adding 4%O2 by volume to the C4F7N/CO2 mixture is relatively optimal.The“hump effect”will appear in PDIV of mixed gas with the change of air pressure.When the volume fraction of O2 is less than 8%,the increase of the inhomogeneity coefficient can ef
8、fectively reduce the difference of PDIV amplitude between C4F7N/CO2/O2 and C4F7N/CO2,however,when the volume fraction of O2 is higher than 8%,the change of inhomogeneity coefficient has a negligible influence on the change of amplitude dif-ference between the two mixed gases.Therefore,from the persp
9、ective of the initial voltage of the mixed gas AC partial discharge,the C4F7N/CO2/O2 mixed gas has the feasibility of being applied to gas-insulated AC equipment.Key words：C4F7N/CO2/O2;partial discharge initial voltage;non-uniform electric field;pulse current method;hump ef-fect 0 引言1 全氟异丁腈(C4F7N)因其
10、优异的绝缘和环保性能得到了广泛关注1-5。由于 C4F7N 的液化温度仅为4.7，因此在工程应用中需要将 C4F7N 与 CO2等缓冲气体混合使用6-9。另外 C4F7N/CO2混合气体在使用过程中金属电极表面常出现碳析现象，为了 基金资助项目：北京市自然科学基金(3192083)。Project supported by Beijing Natural Science Foundation(3192038).抑制碳析，O2被作为第2种缓冲气体加入其中10-11。同时一些研究表明，O2的加入不会影响气体的击穿性能12。但是在交流设备的制造、运输、安装、运行和检修等环节中，其内部都不可避免地会引
11、入各种绝缘缺陷，例如金属表面的突起物，这类缺陷的存在使得设备内部形成了极不均匀电场，进而可能会导致产生局部放电现象，严重时甚至会导致绝缘击穿放电13-16。因此有必要研究极不均匀电场下C4F7N/CO2/O2混合气体的交流局部放电特性。1008 高电压技术 2023,49(3)目前国内外学者针对环保型绝缘气体C4F7N在极不均匀电场中局部放电特性的研究，主要集中在C4F7N/CO2等 2 元混合气体方面。清华大学张博雅等人研究了 C4F7N/CO2混合气体和 SF6气体的局部放电特性，获得并对比分析了 2 种气体的局部放电起始电压，结果表明，在 80 kPa、100 kPa 和 120 kPa
12、下，C4F7N 体积分数为 15%的 C4F7N/CO2混合气体和 SF6的局部放电起始电压(partial discharge initial voltage，PDIV)几乎相同17；武汉大学张晓星等人研究了 C4F7N/CO2混合气体的局部放电特性，测试了不同电场下气体压力和混合比对 C4F7N/CO2混合气体 PDIV 的影响，研究发现 C4F7N 体积分数为2%8%的 C4F7N/CO2混合气体在高度不均匀电场中的 PDIV 随气体混合比和气压的增加呈饱和增加的趋势18。广州供电局曾炼等人研究了 C4F7N 体积分数为 2%12%的 C4F7N/CO2混合气体在极不均匀场中的交流局部放
13、电特性，探究了气压、C4F7N 体积分数等因素对混合气体局部放电特性的影响19；本 课 题 组 研 究 了 C4F7N 体 积 分 数 为 4%的C4F7N/CO2混合气体在直流极不均匀电场中的局部放电起始电压，讨论了气压、电场不均匀系数以及电压极性对其在直流电压下局部放电特性的影响20。然而，目前国内外鲜见 C4F7N/CO2/O2混合气体在极不均匀电场中的交流局部放电特性研究成果。本文采用针板电极模拟金属导体表面突出物，试验测量了极不均匀场中 C4F7N/CO2/O2混合气体的 PDIV，讨论了 O2体积分数、气压以及电场不均匀系数对 PDIV 的影响，为其作为交流电气设备的绝缘介质奠定了
14、一定的理论基础。1 试验方法 1.1 试验平台 试验测试平台的实验电路图如图 1 所示，主要由工频试验变压器、保护电阻、检测电阻、分压电容、试验腔体以及针板电极组成。工频试验变压器的型号为 BGYDQ，最大可输出电压为 50 kV，额定容量为 5 kVA；保护电阻的电阻值为 10 k，用于防止针板电极瞬间击穿而产生过电流；电容分压器用于测量试验电极两端的电压；检测电阻的电阻值为 1，检测电阻将脉冲电流转换为电压信号，由示波器进行显示与测量。模拟金属表面突出物的二维轴对称的针板电极结构如图 2 所示，圆形平板电极为地电极，由不 图 1 试验电路图 Fig.1 Test circuit diagr
15、am 图 2 针板电极 Fig.2 Needle-plate electrode 锈钢材料加工而成，直径长 50 mm，厚度为 8 mm，上下边缘倒角 R5=2 mm，底座中央加工有内螺纹，用于固定针电极，上半部分直径为 20 mm，边缘倒角 Rdown=2 mm，下半部分直径为 14 mm。针电极为高压电极，直径 d=2 mm，针尖曲率半径为 0.15 mm，由钨合金制成。针板电极的电场不均匀度不仅取决于针电极的曲率半径，还取决于极间的距离。曲率半径一定时，极间距离越大电场不均匀系数越大。试验中极间距离由试验腔体自带的毫米刻度尺进行测量。电场不均匀度用电场不均匀系数 f 表征，电场不均匀系数
16、 f21-22的表达式为 21010004lnddfdrrr=，(1)式中：r 为针尖曲率半径；d 为针板电极间的距离。本文采用同一曲率半径的针电极，通过改变针板电极间的距离来改变电场的不均匀系数 f，针板电极间距离依次设为4 mm、7 mm、10 mm、13 mm。通过式(1)得到不同距离依次下的电场不均匀系数 f见表 1。本文中选取的不均匀系数 f 范围较为有效地模拟了电气设备中不同严重程度的不均匀电场。仝殿杰，赵秋琳，曹人杰，等：C4F7N/CO2/O2混合气体局部放电起始电压的试验研究 1009 表 1 针板电极间距离对应的不均匀系数 Table 1 Non-uniformity coefficient corresponding to the distance between the needle plate electrodes d/mm 4 7 10 13 f 11.42 17.84 23.87 29.64 1.2 试验方案 根据文献23-25的研究成果，选定 C4F7N 的体积分数为 9%。为了探究 O2的体积分数对局部放电特性的影响，设定 O2的体积分数分别为 0%、
