图1 工频击穿试验回路
Fig.1 Power frequency breakdown experimental circuit
摘要 研究表明O2可以抑制C4F7N/CO2混合气体的分解，从而提升气体工程应用可靠性，但C4F7N/CO2/O2混合气体绝缘特性相关研究较少。为评估O2对C4F7N/CO2混合气体工频绝缘特性的影响，该文搭建了击穿试验平台，获得了典型运行气压、O2含量和电场形式下的工频击穿电压。结果表明随着气压增加，1mm气隙准均匀电场下的C4F7N/CO2/O2混合气体击穿电压接近线性增长，而在稍不均匀和极不均匀电场下呈现一定的饱和增长趋势，6mm气隙极不均匀电场下则呈现N形变化规律。C4F7N/CO2/O2混合气体击穿电压对较高气压和较长气隙下的极不均匀场敏感度较高，0.45MPa及以上气压下6mm气隙极不均匀电场与1mm气隙稍不均匀电场的击穿电压接近。O2对部分气压和氧气含量下的击穿电压有一定的负面影响，0.15～0.65MPa气压下，分别添加体积分数为4%、2%、8%、4%、8%和8%的O2时，工频击穿电压最多仅下降6.2%。从工频绝缘设计和提升气体化学稳定性角度考虑，添加2%～8%体积分数的O2是一种可行的三元混合气体方案。
关键词：典型电场 C4F7N/CO2/O2混合气体 工频击穿特性 氧气
随着“碳达峰、碳中和”目标的提出，全氟异丁腈（C4F7N）气体凭借优异的绝缘性能和较低的全球变暖潜能值（Global Warming Potential, GWP），成为最具潜力的SF6替代气体之一[1-3]。C4F7N在标准大气压下的液化温度约为−4.7℃，工程应用中需要将C4F7N与CO2等缓冲气体混合以降低其液化温度[4-6]。研究表明C4F7N/CO2混合气体具有良好的绝缘性能[7-9]，但C4F7N/CO2混合气体在高能放电后会出现碳析出现象，可能影响其工程应用可靠性，因此部分学者提出可以通过加入少量O2来抑制C4F7N的分解和碳析出[10-12]。O2的加入可以提高气体的灭弧和绝缘性能[13]，通用电气研制的C4F7N/CO2混合气体断路器中也加入了5%体积分数的O2以提升多次开断后的灭弧性能[14]，因此将O2作为第二种缓冲气体是一种可行的混气方案。但O2的加入对C4F7N/CO2混合气体工频绝缘性能的影响研究较少，因此在工程应用前有必要系统地研究O2对混合气体工频绝缘性能的影响，进而指导C4F7N/CO2/O2三元混合气体的选型和应用。
近年来围绕C4F7N混合气体绝缘特性开展了不少研究工作，张博雅等研究了5%～20%C4F7N占比的C4F7N/CO2混合气体在不同电场均匀度下的工频击穿特性，测量了局部放电起始电压，结果表明混合气体在极不均匀电场下的敏感度高于SF6[15]；张晓星等研究了0.1～0.3MPa下，2%～8%C4F7N占比的C4F7N/CO2混合气体在准均匀电场下的击穿特性，发现工频击穿电压随气压增加呈线性增长，随混合比的增加呈饱和增长[16]；周文俊等对比了C4F7N/CO2混合气体在均匀和极不均匀电场下的工频击穿电压，研究发现C4F7N占比为7%～13%的C4F7N/CO2混合气体具有替代SF6气体的潜力[9]。目前学者们针对C4F7N/CO2/O2混合气体开展了一定气压下稍不均匀电场下的绝缘特性研究，研究结果显示在0.14MPa气压下15%C4F7N占比的混合气体工频击穿电压随O2的增加先增加后降低[11-12]，但对不同电场和气压下的C4F7N/CO2/O2混合气体工频击穿特性还缺乏系统性的深入研究，难以支撑C4F7N/CO2/O2混合气体工频绝缘性能评估的现实需求。
为了获得较全面的C4F7N/CO2/O2混合气体工频击穿特性，本文搭建了工频击穿试验平台，获得了典型运行气压、氧气体积分数和不均匀系数电场下的C4F7N/CO2/O2混合气体工频击穿特性。研究可为C4F7N/CO2/O2混合气体设备工频绝缘设计参数制定提供试验依据。
本文搭建了一套C4F7N/CO2/O2混合气体工频击穿试验平台，主要由高压电源、试验腔体和工频击穿模型等组成，试验回路如图1所示。文中使用的工频试验变压器额定容量15kV·A，额定电压150kV，额定电流0.1A，由阻值为100kΩ的保护电阻实现过电流保护。试验腔体为一圆柱状不锈钢腔体，最高可承受0.7MPa绝对气压，工频击穿模型接地端与试验大厅接地端相连。
图1 工频击穿试验回路
Fig.1 Power frequency breakdown experimental circuit
气体绝缘电力设备内部可能存在不同形式的电场，为全面了解不同典型电场下C4F7N/CO2/O2混合气体的工频击穿特性，设计了球-板电极、棒-板电极和针-板电极，分别模拟准均匀电场、稍不均匀电场和极不均匀电场。为减少电极烧蚀对击穿电压的影响，针电极选用钨材质，其余电极材料均为钨铜。平板电极直径均为48mm，厚度11mm，电极边缘曲率半径5mm。球直径20mm，棒电极尖端圆柱体直径2mm，针电极尖端曲率半径0.3mm，电极间距分别为1mm、1mm、1mm和6mm。利用COMSOL多物理场仿真软件对电场分布进行计算，计算结果表明，1mm球-板电极电场不均匀系数为1.04，属准均匀电场[17]；1mm棒-板电极电场不均匀系数为2.36，属稍不均匀电场；1mm针-板电极电场不均匀系数为4.42，属极不均匀电场；6mm针-板电极电场不均匀系数为9.28，也属极不均匀电场。电极模型及电场分布如图2所示。
图2 不同形式的电极和电场
Fig.2 Different forms of electrodes and electric fields
试验前用无水酒精对腔体内部进行擦拭，并使其自然风干，用砂纸对电极进行打磨、无水酒精清洗和自然风干，以避免电极表面粗糙对击穿电压的影响[18]。试验前向腔体中充入干燥CO2，静置1h后抽真空至50Pa，重复三次以排除腔体中残留水分及其他气体杂质的影响。
为保证气体混合充分均匀，混合气体由定制的动态混气仪按设定的混合比自动均匀混合后充入试验罐体，C4F7N、CO2和O2的体积分数配置精度均为0.1%，同时使用湿度检测仪对试验前的气体进行检测，试验中的混合气体湿度均不大于50μL/L，满足DL/T 603—2017[19]对运行中气体绝缘全封闭组合电器（Gas Insulated Switchgear, GIS）设备微水控制值要求。C4F7N气体由3M公司提供，纯度为99.9%；CO2和O2气体均由北京海谱气体公司提供，纯度均为99.999%。
采用逐级升压法开展工频击穿实验，首先进行一次击穿实验得到击穿电压值
，后续实验以此击穿电压为基准，在
范围内以
速率匀速缓慢升压，然后以
的速率均匀升压直至击穿，以试验台自动记录值作为击穿电压值，取相对标准偏差小于3%的连续5次击穿电压平均值作为最终结果。考虑到击穿后气体绝缘恢复，两次击穿时间间隔设为5min。参考文献[10]中的O2占比，本文选择的O2体积分数分别为0%、2%、4%、6%、8%和10%，气压涵盖不同电压等级开关柜、环网柜、气体绝缘输电线路（Gas Insulated Transmission Lines, GIL）和GIS等气体绝缘电力设备运行气压范围，包括0.15MPa、0.25MPa、0.35MPa、0.45MPa、0.55MPa和0.65MPa。
2.1.1 气压对工频击穿电压的影响
准均匀电场下C4F7N/CO2/O2混合气体工频击穿电压随气压的变化关系如图3所示。可以看出，少量O2的加入并不影响C4F7N/CO2混合气体击穿电压随气压的变化规律，不同O2占比混合气体击穿电压均随气压增大呈近似线性增长的趋势，与文献[9]中0.4MPa下9%C4F7N/91%CO2混合气体在板板电极均匀电场下的规律类似。主要原因是气压升高后气体分子间距离减小，外施电压激发的电子平均自由行程缩短，电子在电场作用下加速，进而激发二次碰撞电离的概率降低，抑制了气隙贯穿性击穿现象的产生，体现为击穿电压随气压上升而增加。
图3 1mm球板电极击穿电压与气压关系
Fig.3 Relationship between breakdown voltage and gas pressure of 1mm ball-plate electrode
2.1.2 氧气含量对工频击穿电压的影响
为了进一步探究准均匀电场下氧气体积分数对C4F7N/CO2/O2混合气体工频击穿电压的影响，绘制了不同气压下混合气体工频击穿电压随氧气含量的变化图，如图4所示。可以看出，添加O2后的混合气体击穿电压呈缓慢下降的趋势。这表明在1mm气隙准均匀电场下，加入10%以内的O2会对C4F7N/CO2/O2混合气体的工频击穿电压产生一定的负面影响。
图4 1mm球板电极击穿电压与氧气体积分数关系
Fig.4 Relationship between breakdown voltage and oxygen content of 1mm ball-plate electrode
以不含O2的混合气体击穿电压作为基准值，其他O2含量混合气体的击穿电压标幺值如图5所示。可以看出，在准均匀电场下，O2的加入均会降低混合气体的击穿电压，且下降幅度在8.1%以内。可能的原因是O2与C4F7N的工频协同效应弱于CO2，同时工频击穿时C4F7N分解形成的碳颗粒会在电极表面附着形成碳沉积层[20-22]，O2等分解产生的氧原子会与较均匀的碳沉积层发生反应，导致电极表面粗糙度增大，进而引发电极表面电场畸变，也可能导致击穿电压下降[11, 20, 23]。
图5 1mm球板电极击穿电压对比
Fig.5 Comparison of breakdown voltage of 1mm ball-plate electrode
击穿电压与O2体积分数未呈现规律性关联关系，可能原因是受放电随机性和电极表面状态等因素综合作用，2%级差的O2对工频绝缘性能的影响未占据主导地位，但2%O2混合气体工频击穿电压均高于10%O2混合气体，即8%级差O2对混合气体工频绝缘性能的负面影响占主导地位。将C4F7N/CO2/O2混合气体应用于气体绝缘设备时，应考虑O2对混合气体工频绝缘性能的负面影响，必要时可通过适当提高气压或C4F7N占比等方式来保证工频绝缘设计裕度。
2.2.1 气压对工频击穿电压的影响
稍不均匀电场下C4F7N/CO2/O2混合气体工频击穿电压随气压的变化关系如图6所示。可以看出气压越高，工频击穿电压越高，但与准均匀电场的不同之处在于，混合气体击穿电压随气压升高呈一定饱和增长趋势。可能的原因是棒电极在临近击穿前会在头部形成电晕，电晕对电场有一定均衡作用并有利于击穿电压的增大，当气压较高时，击穿电压较高，电晕现象较明显，进而抑制了击穿电压的升高。
图6 1mm棒板电极击穿电压与气压关系
Fig.6 Relationship between breakdown voltage and gas pressure of 1mm rod-plate electrode
2.2.2 氧气体积分数对工频击穿电压的影响
稍不均匀电场下，不同气压混合气体工频击穿电压随O2体积分数的变化如图7所示。可以看出，与准均匀电场类似，击穿电压随着O2体积分数的增加也基本呈缓慢下降的趋势。
图7 1mm棒板电极击穿电压与氧气体积分数关系
Fig.7 Relationship between breakdown voltage and oxygen content of 1mm rod-plate electrode
稍不均匀电场下，不同O2含量混合气体工频击穿电压标幺值如图8所示。可以看出，不同气压和不同含量O2对工频击穿电压的影响也呈现不同特征，0.45MPa气压下10%O2的混合气体击穿电压下降得最多，达14.3%，而0.25MPa气压下4%O2的混合气体击穿电压上升了0.9%，可能原因是在稍不均匀电场下，混合气体的击穿电压受气压与棒电极头部电晕电荷的综合影响，气体的击穿经过电晕生成、电晕发展和电晕平衡被破坏的过程，微观击穿过程的复杂度大大增加，增大了击穿电压的随机性和分散性。
图8 1mm棒板电极击穿电压对比
Fig.8 Comparison of breakdown voltage of 1mm rod-plate electrode
2.3.1 气压对工频击穿电压的影响
1mm针板电极极不均匀电场下，C4F7N/CO2/O2混合气体的工频击穿电压与气压的关系如图9所示，可以看出工频击穿电压的饱和增长趋势较不明显，可能的原因是在1mm针板电极极不均匀电场下，混合气体工频击穿电压远低于1mm球板电极稍不均匀电场，电极附近的电晕现象不明显，导致电晕对工频击穿电压增大的抑制作用较弱。
图9 1mm针板电极击穿电压与气压关系
Fig.9 Relationship between breakdown voltage and air pressure of 1mm needle-plate electrode
2.3.2 氧气体积分数对工频击穿电压的影响
不同气压下1mm针板电极工频击穿电压随O2含量的变化如图10所示。可以看出，在1mm针板电极极不均匀电场下，C4F7N/CO2/O2混合气体的击穿电压基本保持不变，O2的加入对混合气体自身工频绝缘性能影响较小。
1mm针板电极极不均匀电场下，不同体积分数O2混合气体工频击穿电压相对不加氧气时的击穿电压标幺值如图11所示。可以看出，O2含量与工频击穿电压之间没有明显的关联关系，可能的原因是较大曲率半径针电极在击穿前，针电极附近可能会引发流注，流注的存在增大了击穿过程的随机性和分散性，导致2%含量级差的O2对工频绝缘性能的影响未占据主导地位。
图10 1mm针板电极击穿电压与氧气体积分数关系
Fig.10 Relationship between breakdown voltage and oxygen content of 1mm needle-plate electrode
图11 1mm针板电极击穿电压对比
Fig.11 Comparison of breakdown voltage of 1mm needle-plate electrode
2.4.1 气压对工频击穿电压的影响
6mm针板电极极不均匀电场下C4F7N/CO2/O2混合气体的工频击穿电压随气压的变化关系如图12所示。可以看出，在O2体积分数一定的情况下，随着气压的增大，混合气体工频击穿电压呈现N形变化趋势。
图12 6mm针板电极击穿电压与气压关系
Fig.12 Relationship between breakdown voltage and air pressure of 6mm needle-plate electrode
6mm针板电极的电场不均匀系数较大，此时混合气体击穿电压主要受气体压力和尖电极附近电晕层叠加影响[17]，击穿电压出现了明显的驼峰现象。当气压较低时，随着气压升高，电子在电场作用下的平均自由行程缩短，电子加速行程减小限制了电子激发的碰撞电离，进而抑制了气体的击穿，同时随着电压的升高，尖电极附近会形成较明显的电晕层，电晕层产生的空间电荷改善了间隙中的电场分布[9]，从而提高了气隙的击穿电压，因此击穿电压随气压的上升而上升。随着击穿电压的增大，针电极附近的电晕层不断扩大并开始形成正流注，正流注的存在大大加强了流注头部的电场，进而降低了击穿电压，在正流注和气压的共同作用下，击穿电压出现饱和并开始下降。当电压降低至正流注的生成受到抑制时，气压对击穿电压重新起主导作用，体现为击穿电压开始回升。因此在气隙较长且电场不均匀系数较大时，气体击穿电压随气压呈现N形变化趋势，这与SF6气体在电场不均匀系数为12.9的极不均匀电场下的规律类似[9]。
2.4.2 氧气体积分数对工频击穿电压的影响
不同气压下6mm针板电极击穿电压随O2体积分数的变化如图13所示。可以看出，不同O2含量的C4F7N/CO2/O2混合气体击穿电压均在0.25MPa左右出现极大值，而在0.45MPa左右出现第二极小值，与N形曲线对应的击穿电压规律保持一致。运行气压在0.25MPa附近的环网柜等设备对较长间隙金属尖刺缺陷具有良好的工频绝缘耐受强度，同时C4F7N/CO2/O2混合气体设备工频绝缘设计时，应考虑0.45MPa气压和较长间隙极不均匀电场下工频击穿电压极小值的负面影响。
图13 6mm针板电极击穿电压与氧气体积分数的关系
Fig.13 Relationship between breakdown voltage and oxygen content of 6mm needle-plate electrode
6mm针板电极极不均匀电场下，不同O2体积分数的混合气体工频击穿电压相对不加O2时的标幺值如图14所示。可以看出，O2含量与工频绝缘性能的关联关系不明显，可能原因是在强烈发展的流注情况下，引起驼峰效应的主要原因与间隙中空间电荷运动和分布特征有关[24]，少量O2的存在可能对针电极附近的流注空间电荷影响较小，因此不同体积分数O2对工频击穿电压的影响特征不明显。
图14 6mm针板电极击穿电压对比
Fig.14 Comparison of breakdown voltage of 6mm needle-plate electrode
为了综合比较电场不均匀度对C4F7N/CO2/O2混合气体工频击穿电压的影响，绘制了不同均匀系数电场下击穿电压随气压的变化如图15所示。
图15 不同均匀度电场下击穿电压随气压变化关系
Fig.15 Relationship between voltage with air pressure under different uniformity electric fields
可以看出，对于1mm气隙下不均匀系数为1.04、2.36和4.42的准均匀、稍不均匀和极不均匀电场，C4F7N/CO2/O2混合气体击穿电压在准均匀电场下随气压增加近似呈线性增长，而在稍不均匀电场和极不均匀电场下则呈现一定的饱和增长趋势。对于6mm气隙下不均匀系数为9.28的极不均匀电场，在较高的0.45MPa及以上气压下，由于击穿电压较高，击穿前针电极附近强烈发展的正流注对击穿电压存在明显的抑制作用，进而大大降低了气隙的击穿电压，导致6mm针板气隙极不均匀电场击穿电压接近1mm球板气隙下的准均匀电场，间隙距离的显著增大并没有显著提高击穿电压，即C4F7N/CO2/O2混合气体击穿电压对较高气压和较长气隙下的极不均匀场敏感度较高。因此对于GIS、GIL等运行气压较高的气体绝缘电力设备，金属尖刺的存在会极大地降低C4F7N/CO2/O2混合气体绝缘电力设备的工频绝缘强度，因此在绝缘设计时应充分考虑可能存在的极不均匀电场对工频绝缘性能的负面影响，同时在制造和安装阶段应严控工艺，以避免金属尖刺等影响电场均匀分布情况的出现。
四种典型电场下不同体积分数O2混合气体击穿电压相对于不加O2时的击穿电压比值范围见表1。综合考虑四种不均匀度电场下的击穿电压比值范围，0.15MPa气压下添加4%的O2对气体工频绝缘能力影响最小，击穿电压下降仅3.2%，因此对于环网柜等运行气压较低的设备，可考虑添加4%左右的O2。对于0.25MPa、0.35MPa、0.45MPa、0.55MPa和0.65MPa气压下的C4F7N/CO2混合气体，从影响工频绝缘强度最小的角度，推荐的O2添加量分别为2%、8%、4%、8%和8%，击穿电压下降最大幅度仅6.2%。从文献[10]和文献[11]可知4%左右O2的加入，可以较好地抑制C4F7N/CO2混合气体的分解和碳析出，进而提升气体在长期工程应用中的可靠性，因此在工频绝缘强度满足设计要求时，可考虑添加适量O2以提升混合气体的分解稳定性。
表1 不同电场下击穿电压的对比
Tab.1 Comparison of breakdown voltage under different electric fields（%）
氧气体积分数击穿电压变化范围 0.15MPa0.25MPa0.35MPa0.45MPa0.55MPa0.65MPa 0100.0100.0100.0100.0100.0100.0 295.3～103.098.5～101.290.3～10088.6～101.489.6～101.091.4～102.0 496.8～103.792.4～100.693.5～98.394.3～100.793.2～100.295.8～100.3 695.1～103.094.7～102.392.3～97.987.2～10089.1～99.086.0～100.5 890.4～103.694.8～103.594.4～98.789.5～99.693.8～100.499.4～100.8 1089.9～103.491.4～104.987.5～10085.7～99.889.6～99.691.7～98.3 2～1089.9～103.791.4～104.987.5～10085.7～101.489.1～101.086.0～102.0
1）在本文研究的四种典型电场下，O2的加入不会影响C4F7N/CO2混合气体工频击穿电压随气压的变化规律，但O2对部分气压和电场下的工频击穿电压有一定的负面作用，因此在制定C4F7N/CO2/O2混合气体绝缘设备工频绝缘设计依据时，应充分考虑O2对工频绝缘性能的影响。
2）对于1mm气隙下的C4F7N/CO2/O2混合气体，在0.65MPa气压范围内，工频击穿电压在准均匀电场随气压增加接近线性增长，而在稍不均匀电场和极不均匀电场下均呈现一定的饱和增长趋势。
3）对于6mm气隙下的C4F7N/CO2/O2混合气体，工频击穿电压随气压增加呈现N形变化规律。在0.45MPa及以上气压下，6mm气隙极不均匀电场与1mm气隙准均匀电场的工频击穿电压接近，C4F7N/CO2/O2混合气体工频击穿电压对较高气压和较长气隙下的极不均匀场敏感度较高。
4）对于开关柜、GIL和GIS等运行气压在0.15～0.65MPa范围内的C4F7N/CO2混合气体绝缘设备，从工频绝缘设计和气体长期运行稳定性角度考虑，根据设备运行气压，分别添加体积分数为2%～8%的O2是一种可选的技术方案。
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Research on the Power Frequency Breakdown Characteristics of C4F7N/CO2/O2 Gas Mixture under Typical Electric Fields
Abstract Studies have shown that O2 can inhibit the decomposition of C4F7N/CO2 gas mixture, thereby improving the reliability of the gas engineering applications, however, there are few studies on the insulation characteristics of C4F7N/CO2/O2 gas mixture. To evaluate the influence of O2 on the power frequency insulation characteristics of C4F7N/CO2 gas mixture, a breakdown test platform was established in this paper, and the power frequency breakdown voltage under typical operating gas pressure, oxygen content and electric field form was obtained. The results show that with the increase of air pressure, the breakdown voltage of C4F7N/CO2/O2 gas mixture under the quasi uniform electric field with 1 mm gas gap is almost linearly increased, while it shows a certain saturation growth trend under slightly and extremely uneven electric fields, and the breakdown voltage shows a N-type variation law under the extremely uneven electric field with 6 mm gas gap. The breakdown voltage of C4F7N/CO2/O2 gas mixture is sensitive to the extremely uneven electric field at high air pressure and long gas gap, the breakdown voltage of 6 mm gas gap under extremely uneven electric field is close to that of 1 mm gas gap under slightly uneven field at 0.45MPa and above. O2 has a certain negative impact on the breakdown voltage under certain air pressure and oxygen content, when 4%, 2%, 8%, 4%, 8% and 8% volume fraction of O2 were added at 0.15MPa to 0.65MPa, the power frequency breakdown voltage decreases by only 6.2% at most. From the perspective of power frequency insulation design and improvement of gas chemical stability, adding 2% to 8% volume fraction O2 is a feasible ternary gas mixture solution.
keywords：Typical electric field, C4F7N/CO2/O2 gas mixture, power frequency breakdown characteristics, oxygen
DOI:10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.220169
中图分类号：TM855
国家电网公司总部科技项目——环保GIL设备绝缘气体介质劣化机理及传感技术研究（5442GY200024）资助。
收稿日期 2022-01-29
改稿日期 2022-03-25
杨 圆 男，1986年生，博士，高级工程师，研究方向为状态检测技术、设备运维技术和环保替代气体等。E-mail：yangyuan@epri.sgcc.com.cn（通信作者）
高克利 男，1966年生，博士生导师，教授级高工，研究方向为特高压输变电设备绝缘及运行技术、环保替代气体等。E-mail：gaokl@epri.sgcc.com.cn
（编辑 郭丽军）