1、第 49 卷 第 3 期：946-954 高电压技术 Vol.49,No.3:946-954 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20221367 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 基于汤逊放电的 C4F7N/CO2摩尔分数检测 郑 宇1，周文俊1，朱太云2，任书波1，喻剑辉1（1.武汉大学电气与自动化学院，武汉 430072；2.国网安徽省电力有限公司电力科学研究院，合肥 230000）摘 要：C4F7N/CO2混合气体作为一种新型环保绝缘
2、气体应用在实际设备中时，检测混合气体的混合比例是保证设备绝缘可靠性的关键。文中提出了基于汤逊放电的 C4F7N 气体摩尔分数的新检测方法，该方法采用一定条件下汤逊放电电流对应的电压值来表征 C4F7N 气体混合比例。首先开展了不同混合摩尔分数、不同气压下 C4F7N/CO2混合气体的稳态汤逊放电试验，建立了摩尔分数与电压的关系，发现该方法可检测摩尔分数 0100%范围，在可能用到的 5%30%范围的比例检测误差不超过 0.4%；然后从理论上分析了所提出方法的可行性，证明 C4F7N/CO2混合气体中 C4F7N 气体占比在 0100%范围内的汤逊放电电流对应的电压值与混合比例之间存在线性关系。
3、最后，将文中提出的方法与色谱法、红外/紫外光谱法之间进行了对比，指出了该检测方法在成本和耗气量方面的独特优势。研究结果可为所提方法的实际应用提供理论和实验依据。关键词：汤逊放电；环保绝缘气体；C4F7N 气体；摩尔分数检测；新型检测方法 Molar Ratio Detection for C4F7N/CO2 Mixed Gas Based on Townsend Discharge ZHENG Yu1,ZHOU Wenjun1,ZHU Taiyun2,REN Shubo1,YU Jianhui1(1.School of Electrical Engineering and Automation
4、,Wuhan University,Wuhan 430072,China;2.Electric Power Research Institute of State Grid Anhui Electric Power Co.,Ltd.,Hefei 230000,China)Abstract：C4F7N/CO2 mixed gas,as a new type of environment-friendly insulating gas,has been applied in practical equipment.Timely detection to ensure that the mixing
5、 proportion of mixed gas remains stable is the key to ensure the in-sulation reliability of equipment.In this paper,a new molar ratio detection method of C4F7N gas in mixed gas is proposed.In this method,the voltage value corresponding to townsend discharge current under certain conditions is adopte
6、d to characterize the C4F7N gas mixing ratio.Firstly,the steady-state townsend discharge test of C4F7N/CO2 mixed gas under different mixing ratios and different pressures was carried out,and the relationship between molar ratio and voltage was established.It is found that the proposed method can be
7、adopted to detect the mixing ratio range of 0100%,and the de-tection error in the commonly-used range of 5%30%is less than 0.4%.Then,the feasibility of the proposed method is theoretically analyzed,and it is proved that there is a linear relationship between the voltage value corresponding to the to
8、wnsend discharge current and the mixing ratio when the mixing ratio of C4F7N/CO2 is in the range of 0100%.Finally,the method proposed in this paper was compared with chromatography and infrared/ultraviolet spectroscopy,and the unique advantages of the detection method in cost and gas consumption are
9、 pointed out.The results can provide theoreti-cal and experimental bases for the practical application of this method.Key words：Townsend discharge;eco-friendly gas;C4F7N gas;detection of molar ratio;new detection method 0 引言1 气体绝缘电气设备中广泛使用的六氟化硫(SF6)气体具有强温室效应，采用环保绝缘气体进行 SF6替代是“碳达峰，碳中和”背景下电气设备环保化升级的重要
10、需求1-2。C4F7N 气体具有绝缘性能高、GWP 低、液化温度相对较低、生物安全性好的优点，基金资助项目：国家自然科学基金(52107161)；国家电网有限公司科技项目(5500-202255133A-1-1-ZN)。Project supported by National Natural Science Foundation of China(52107161),Science and Technology Project of SGCC(5500-202255133A-1-1-ZN).是国内外重点关注的环保绝缘气体之一3-4。在设备中通常使用 C4F7N 气体与 CO2气体混合，降低最
11、低使用温度。目前以 C4F7N/CO2混合气体作为绝缘的1000 kV 交流 GIL 已经研制成功并通过了带电考核试验5-6，10 kV 交流环网柜也已经在安徽电网挂网运行。国内外正在研制不同电压等级的 C4F7N/CO2混合气体电气设备，研究 C4F7N/CO2混合气体设备的可靠运行具有重要意义。由于 C4F7N/CO2混合气体的摩尔分数不仅会影响其绝缘性能，也会影响其液化温度7-10，因此对于设备运行而言，检测C4F7N/CO2混合气体的摩尔分数对于设备可靠性至郑 宇，周文俊，朱太云，等：基于汤逊放电的 C4F7N/CO2摩尔分数检测 947 关重要，后文将摩尔分数统称为混合比例。在 C4
12、F7N 混合气体比例研究方面，河南日立信公司赫树开等采用气相色谱氢火焰离子化检测器(GCFID)建立了C4F7N/CO2混合气中的C4F7N气体混合比例的色谱检测方法，在 4%20%比例范围内的线性度良好11。湖北工业大学张晓星团队研究了基 于 傅 里 叶 红 外 光 谱(FTIR)和 紫 外 光 谱 的C4F7N/CO2混合气体混合比例检测方法，发现在2%10%比例范围内 C4F7N 气体的红外吸收峰面积、紫外吸收峰面积均与混合比例之间呈现较好的线性关系，因此可用标定后的标准曲线进行 C4F7N气体混合比例的检测12-13。安徽电科院刘伟基于FTIR研究了1%10%范围C4F7N/CO2混合
13、比例检测技术14。上述研究为实际应用中进行 C4F7N/CO2混合气体比例检测提供了参考。目前在 C4F7N/CO2混合气体比例检测方面尚无标准参考，从现有研究看，色谱法和光谱法虽然满足工程检测的精度需求，但是在比例检测范围、效率和成本等方面仍有待进一步提升，有必要研究新的检测方法。考虑汤逊放电阶段气体放电电流随电场增大以指数形式增大15，而混合气体比例影响气体电离、吸附系数，进而显著影响放电电流的增长规律，利用该规律建立汤逊放电电流特征与混合比例之间的关系16，理论上可以实现混合气体比例检测。本文首先开展了 C4F7N 气体占比在 0100%范围内C4F7N/CO2混合气体的比例检测实验，并
14、研究了气压、放电电流等因素对检测效果的影响；然后从理论上分析了基于汤逊放电的 C4F7N/CO2混合气体比例检测的科学原理；最后将本文提出的方法与色谱法、红外/紫外光谱法之间进行了对比，指出了本文提出的检测方法的独特优势。研究成果可为本方法的实际应用提供理论和实验依据。1 混合比例对稳态汤逊放电电流的影响实验 通过稳态汤逊放电实验测量汤逊放电电流，采用的电极示意图见图 1。实验采用平行圆板电极产生均匀电场，阴极嵌入表面镀铂的石英玻璃，通过紫外光照射石英玻璃使得表面产生初始电子，在均匀电场中发生汤逊放电，检测外回路中的放电电流。在电负性气体中，汤逊放电电流 I 可以用式(1)表示17，其中 I0
15、为汤逊放电初始电流，和 分别为电负性气体的电离系数和吸附系数，d 为平行板电极的间距。()0edII=(1)1.1 混合比例的影响 在试验腔体中通过分压法充入C4F7N/CO2混合气体，电极距离d=10 mm，混合气体气压为1000 Pa，得到不同混合比例下C4F7N/CO2混合气体的汤逊放电电流随电压的关系，见图2。可以看出，汤逊放电电流随电压升高呈现先保持不变(接近0)，再近似呈现指数增大趋势，并且随着混合比例增大，电流开始出现指数增大时所需的电压升高。基于上述特点，试图通过建立C4F7N/CO2混合气体的混合比例与达到特定电流值所需电压之间的关系，进而利用该关系来反算混合比例。为验证上述
16、想法的合理性，采用C4F7N/CO2混合气体的混合比例与U50pA、U100pA和U200pA之间的关系进行检验，其中U50pA、U100pA和U200pA分别表示使得汤逊放电 图 1 稳态汤逊实验电极示意图 Fig.1 Schematic diagram of steady-state townsend electrode 图 2 不同比例 C4F7N/CO2混合气体的汤逊放电电流 Fig.2 Townsend discharge current in C4F7N/CO2 mixture with different ratios 948 高电压技术 2023,49(3)电流达到50、100和200 pA时施加的电压。首先通过指数拟合得到图2中电流与电压的关系，拟合公式见式(2)，其中A、B为常数。拟合效果如图3所示，优异系数均能达到0.999以上，表明该拟合公式具有合理性。/1+eU BIIA=(2)拟合得到不同混合比例下C4F7N/CO2混合气体的U50pA、U100pA和U200pA，结果见表1。将U50pA、U100pA和U200pA作为因变量，混合比例r(C4F7N)作为自
