0 引言
气体绝缘金属封闭输电线路（Gas-Insulated Metal-enclosed Transmission Line, GIL或GITL）是采用气体绝缘、金属封闭的输电线。它具有可靠性高、传输容量大、电能损耗小、环境适用性强和无电磁干扰等优点。图1为不同输电方式下420kV系统的输电损耗，其中在多种输电方式中GIL输电损耗最小[3]。输电容量越大，GIL相对其他输电方式在降低损耗方面的优势越大。随着电力系统的不断发展，电力网络逐年扩大，其在大容量电力传输中优势日益凸显，应用也愈加广泛[1-2]。
图1 不同输电方式下420kV系统输电损耗
Fig.1 Transmission losses of different 420kV systems
简单以气体绝缘介质分类，GIL可分为使用六氟化硫（SF6）气体绝缘的“第一代GIL”，使用SF6混合气体绝缘的“第二代 GIL”和使用环境友好型绝缘气体绝缘的“第三代GIL”。目前采用SF6绝缘的特高压GIL每千米SF6用量高达19t，而SF6的全球变暖潜能值（Global Warming Potential，GWP）为23 500，其在大气中的半衰期为3 200年。采用SF6作为特高压GIL的气体绝缘介质必然会对环境产生长期而深远的负面影响，因此开发“第三代”GIL具有重大意义[4-5]。
作为“第三代”GIL的核心组成部分之一，新型环保绝缘介质近年来成为各个国家和机构的研究热点。八氟环丁烷（c-C4F8）、三氟碘甲烷（CF3I）、全氟异丁腈（C4F7N）、全氟五碳酮（C5F10O）和全氟己酮（C6F12O）等新型环保绝缘介质被相继提出和研究。其中C4F7N具有良好的绝缘性能，0.1MPa下C4F7N的绝缘强度约为SF6的2倍，其GWP值为 2 210，臭氧消耗潜能值（Ozone Depression Potential，ODP）为零，且半衰期短[6]。但是与SF6相比，C4F7N具有较高的液化温度，因此需要与缓冲气体混合使用。目前缓冲气体多采用CO2、N2、Air等自然气体。
近期国内外学者对C4F7N及其混合气体开展了大量研究。其中H. E. Nechmi等开展了C4F7N/CO2混合气体间隙击穿特性研究，并且使用稳态汤逊法（Steady State Townsend, SST）测量获得了C4F7N/CO2混合气体有效电离系数密度比。周文俊等使用SST方法测量获得了 C4F7N/N2混合气体有效电离系数密度比[7-9]。此外周文俊等开展了均匀电场和极不均匀电场下C4F7N/CO2混合气体工频绝缘性能研究，观察到极不均匀场中出现了明显的“驼峰”，得出C4F7N占比为 7%~13%的 C4F7N/CO2混合气体具有替代SF6的潜力[10]。屠幼萍等研究发现相同气压下，C4F7N/CO2的直流击穿电场强度大幅高于 C4F7N/N2，并采用分子动力学与密度泛函理论相结合的方法分析固体产物的产生路径[11]。本课题组开展了C4F7N/CO2混合气体中厘米级圆柱型绝缘子的工频和冲击沿面闪络实验研究，获得了小尺寸下的沿面闪络特性[12-13]。
在SF6中GIS盆式绝缘子的沿面闪络特性研究方面，学者们探究了金属颗粒、绝缘子缺陷、表面电荷对绝缘子沿面闪络特性的影响，并且采用外形结构优化和覆盖介电涂层等方法以期提高绝缘子沿面耐受电压[14]。此外国内外研究学者提出了在 SF6设备中控制最大电场强度值的设计原则，主要包含屏蔽件表面的允许最大电场强度、绝缘子表面允许最大电场强度、支撑绝缘件的壳体表面允许最大电场强度和绝缘子内部工作电场强度四个设计参数[15-16]。
综上，C4F7N/CO2混合气体的研究未涉及实际GIL中盆式绝缘子的沿面闪络特性。若在实际应用过程中采用直接更换气体的方式能够大大加快替代气体的推广进程。因此本文参考 SF6中盆式绝缘子的沿面闪络相关研究，开展了C4F7N/CO2混合气体中的252kV盆式绝缘子的工频沿面耐压和闪络实验。目的在于探究C4F7N/CO2混合气体中252kV盆式绝缘子的沿面闪络特性，探讨C4F7N/CO2混合气体在GIL中替代SF6的绝缘有效性和可行性，并提出适用于工程应用的气体配置方案和绝缘设计依据。
1 实验装置及实验方法
图2为实验电路，包括工频无局放变压器、保护电阻、电容分压器、1 100kV高压套管、沿面闪络实验腔体和252kV盆式绝缘子试品。其中，工频无局放变压器最高输出电压 1 500kV；电容分压器分压比为9 350:1，电容值1 000pF，测量不确定度为3.3× 10-3，不确定度扩展因子k=2。
图2 实验电路
Fig.2 Experimental circuit
图3 为252kV盆式绝缘子沿面闪络实验腔体。实验腔体为同轴结构，轴线处为屏蔽件和高压导体，外侧为接地金属筒。盆式绝缘子处于轴线和外侧之间，用于支撑高压导体并使之与接地侧绝缘。两个252kV盆式绝缘子将实验腔体隔离为三个独立气室，包括中间充有C4F7N/CO2混合气体的闪络腔体（体积约100L）和两侧充有SF6的耐压腔体。其中闪络腔体左侧的锥形筒将1 100kV筒径转换为252kV筒径，闪络腔体右侧的圆柱筒中装有均压球。为了确保沿面闪络发生在闪络腔体中，耐压腔体中充有绝对气压为0.8MPa的SF6。实验腔体侧面装有自封阀，可通过自封阀对腔体进行抽气或充气，采用高精度电子气压表检测气体压力，采用真空计（GD881）检测真空度。采用图3的沿面闪络腔体，可以同时研究盆式绝缘子凹面和凸面两侧的耐电性能。
图3 252kV盆式绝缘子沿面闪络腔体
Fig.3 Surface flashover chamber of 252kV conical insulator
实验采用西电公司生产的 252kV盆式绝缘子。气体采用纯度大于 99.99%的 CO2和黎明化工研究设计院有限责任公司生产的C4F7N（纯度高于99%，水分小于10μL/L，空气含量不超过0.1%）。综合考虑腔体及盆式绝缘子的极限压力（0.8MPa）和液化温度（-15℃），选择0.5~0.7MPa 5% C4F7N/95%CO2混合气体，0.4~0.7MPa 9% C4F7N/91% CO2混合气体和0.5MPa 13% C4F7N/87% CO2混合气体。此外，本文也开展了0.5MPa SF6中盆式绝缘子的耐压和沿面闪络实验作为对照。
在充气过程中，首先将闪络腔体抽真空至100Pa以下，然后充入CO2气体至0.1MPa，再次抽真空至100Pa以下，往复两次后完成洗气过程。充气方法在文献[12]中已详细说明，在此仅简要介绍充气流程。充气时首先充入含量较低的C4F7N至指定气压值，然后充入缓冲气体CO2达到实验气压值，静置3 h以上进行实验。
文中参照国际和国内标准[17-18]开展 460kV 1min工频耐压试验。若耐压试验通过，则开展沿面闪络实验。实验按照以下流程开展，实验过程中首先升压至460kV，耐受1min，如果通过耐受则继续升压直至沿面闪络发生，每次闪络过后开盖检查放电痕迹。为了避免沿面闪络痕迹对下一次实验结果产生影响，使用清洁剂清理沿面闪络痕迹，之后重新装配，洗气，充气，静置后开展下一次实验。每种实验条件下至少重复实验5次。
2 252kV盆式绝缘子工频沿面耐压及闪络特性
2.1 252kV盆式绝缘子工频耐压结果和绝缘裕度
C4F7N/CO2混合气体的绝缘性能能否满足现有的国标要求是其能否替代 SF6的决定性因素。工频耐压试验结果表明，0.5~0.7MPa 5% C4F7N/95% CO2混合气体、0.4~0.7MPa 9% C4F7N/91% CO2混合气体和0.5MPa 13% C4F7N/87% CO2混合气体均能够通过460kV 1min工频耐压试验。
因此，若仅从工频绝缘性能方面考虑，在不修改现有的盆式绝缘子设计方案的前提下，C4F7N/CO2混合气体能够完全替代SF6应用于实际GIL。但是，满足国标要求仅仅是最基本的条件，研究盆式绝缘子的沿面闪络特性，了解C4F7N/CO2混合气体中绝缘子的绝缘裕度，有助于制定合理的绝缘设计依据。表1为SF6和C4F7N/CO2混合气体的绝缘裕度，以闪络电压有效值（kV）除以460 kV获得。由表1可知，虽然0.5~0.7MPa 5% C4F7N/95% CO2混合气体、0.4~0.7MPa 9% C4F7N/91% CO2混合气体和0.5MPa 13% C4F7N/87% CO2混合气体均能够通过 460kV 1min工频耐压试验，但是其绝缘裕度不同，在充有SF6的252kV GIL中，绝缘裕度达到了1.67。
表1 SF6和C4F7N/CO2混合气体的绝缘裕度
Tab.1 Insulation margin of SF6 and C4F7N/CO2 mixtures
C4F7N气压/MPa SF6 5% 9% 13%0.4 — — 1.3 —0.5 1.67 1.23 1.51 1.58 0.6 — 1.33 1.65 —0.7 — 1.49 1.87 —
2.2 252kV盆式绝缘子沿面闪络放电路径分析
在实验设计中采用提升气压等方法保证沿面闪络发生于闪络腔体中，实验过程中观察到多种放电痕迹。图4归纳了实验中观察到的四种放电痕迹，其特点如下。
（1）凹面全沿面闪络。放电起始于三结合点处，沿绝缘子表面发展，并且随着放电的发展放电痕迹呈放射状分布，闪络痕迹深。
（2）凹面半沿面闪络。放电起始于屏蔽件表面，放电通道经过气体间隙后沿绝缘子表面放射性发展，在盆式绝缘子上留下的放电痕迹较前者浅。
（3）间隙击穿。放电起始于中心导杆，在中心导体与筒壁间发生间隙击穿现象。
（4）凸面全沿面闪络。放电痕迹沿着绝缘子表面，从盆式绝缘子与法兰接触侧沿径向发展至凸面三结合点处。
图4 沿面闪络实验中的四种放电痕迹
Fig.4 Four types of surface flashover traces
实验过程中观察到四种放电痕迹的放电频率各不相同。统计多次沿面闪络实验结果，以放电频率估计放电概率，获得各类型沿面闪络的概率分布见表 2。从放电概率结果可知，凹面半沿面闪络出现概率最高，达到总次数的86%，其余三种情况出现概率较低，为4%或6%。其中放电痕迹统计结果表明主要发生凹面半沿面闪络现象，其余三种出现的概率很小。沿面闪络主要发生在盆式绝缘子的凹面侧而非凸面侧。
表2 各类型沿面闪络的概率分布
Tab.2 Probability distribution of various types of surface flashover
放电痕迹及次数气体类型气压/MPa 凹面全沿面闪络凹面半沿面闪络间隙击穿凸面全沿面闪络SF6 0.5 2 3 0 0 0.5 0 5 1 0 5% C4F7N/95% CO2 0.6 0 5 0 0 0.7 0 5 0 0 0.4 0 5 1 0 0.5 0 5 0 1 0.6 0 5 1 1 0.7 0 5 0 0 13% C4F7N/87% CO2 0.5 0 5 0 0 9% C4F7N/91% CO2总计 — 2 43 3 2占比(%) — 4 86 6 4
2.3 随气压和C4F7N含量的变化规律
如前所述，由于盆式绝缘子中绝大部分沿面闪络现象发生在凹面侧，本文对绝缘子凹面沿面闪络特性进行了细致的研究，为了在放电路径的一致性下比较，以下均为绝缘子凹面闪络的实验数据。
图5为C4F7N含量为5%和9%的C4F7N/CO2混合气体的沿面闪络电压随气压的实验结果。
图5 沿面闪络电压有效值与气压的关系
Fig.5 The relationship between surface flashover voltage and pressure
实验结果中沿面闪络电压分散性较大，标准差约为 40~60kV。从图中可知，在相同含量的混合气体中，沿面闪络电压随气压的增长而增长，沿面闪络电压与气压呈现近似线性的关系。这是因为在三结合点充分屏蔽的情况下，初始电子产生于金属屏蔽件附近，满足稍不均匀场下的流注产生判据。有效电离系数与屏蔽件处的电场强度和气压成正比，因此在有效电离系数一定的情况下，电场强度随着气压的升高而正比升高。体现为理论上沿面闪络电压与气压呈线性关系。
此外，在相同气压下，混合气体中C4F7N含量越高，沿面闪络电压越高。对比0.5~0.7MPa下C4F7N含量分别为5%和9%的沿面闪络电压，相同气压下C4F7N含量为 5%的混合气体的沿面闪络电压约为C4F7N含量为 9%的混合气体的沿面闪络电压的80%，这是因为不同 C4F7N/CO2混合气体的有效电离系数不同。
通过公式计算可得C4F7N含量分别为5%、9%的C4F7N/CO2混合气体的归一化临界击穿电场强度值为 57.1kV·mm-1/MPa 和 68.6kV·mm-1/MPa。
式中，x为C4F7N占C4F7N/CO2混合气体的比例；k1、k2为拟合系数，k1=0.43，k2=1.76。
理论计算结果表明 5% C4F7N/95% CO2混合气体的临界击穿电场强度值约为 9% C4F7N/91%CO2混合气体的 83%。实验结果与理论计算的结果较为吻合[8]。
在 GIL中多采用 0.5MPa SF6作为气体绝缘介质，研究相同气压下不同含量的C4F7N/CO2混合气体的沿面闪络电压，结果如图6所示。从图中可以看到，C4F7N含量为5%、9%、13%的C4F7N/CO2混合气体的沿面闪络电压均低于SF6，并且随着C4F7N含量的提升，绝缘强度呈现饱和趋势。因此在相同绝缘能力下，需要从提升气压的方面选择替代 SF6的方案。
图6 沿面闪络电压有效值与C4F7N含量的关系
Fig.6 The relationship between surface flashover voltage and molar fraction of C4F7N
盆式绝缘子的极限压力为 0.8MPa左右，若增大气压需保证气体在不液化的情况下低于盆式绝缘子的极限压力。定义相对绝缘强度为C4F7N/CO2混合气体中绝缘子的平均沿面闪络电压与0.5MPa下SF6中绝缘子的平均沿面闪络电压的比值。表 3为C4F7N/CO2混合气体相对SF6的绝缘强度。由表3可知，0.6MPa C4F7N含量为9%的C4F7N/CO2混合气体与 0.5MPa下 SF6的绝缘性能基本相同。0.7MPa C4F7N含量为 9%的 C4F7N/CO2混合气体其绝缘性能高于0.5MPa下SF6。若从绝缘性能不低于SF6考虑，0.6MPa、0.7MPa下9% C4F7N/91% CO2混合气体可以替代0.5MPa SF6。
表3 C4F7N/CO2混合气体相对SF6的绝缘强度
Tab.3 The relative dielectric strength of C4F7N/CO2 mixtures
绝缘强度（%）气体类型0.4MPa 0.5MPa 0.6MPa 0.7MPa 5% C4F7N/ 95% CO2 — 74 80 90 9% C4F7N/ 91% CO2 78 91 99 112 13% C4F7N/ 87% CO2 — 94 — —SF6 — 100 — —
3 盆式绝缘子的绝缘设计基准
本文结合沿面闪络电压峰值数据，根据西电公司提供的252kV GIL模型开展了工频下的仿真（混合气体相对介电常数为 1，盆式绝缘子相对介电常数为4）。盆式绝缘子沿面仿真结果如图7所示（工频电压有效值750kV），绝缘子表面电场呈现环状分布，其中绝缘子凸面和凹面的表面电场强度最大处出现在中部，并且凹面最大电场强度高于凸面最大电场强度。
图7 绝缘子表面电场分布仿真结果
Fig.7 Simulation results of electric field distribution on the insulator surface
学者E. Volpov提出对于圆柱形或盆式绝缘子，绝缘结构优化设计要满足绝缘子沿面电场条件[15]，即
式中，Esmax为绝缘子表面最大电场强度值；λ为保护系数，λ＜1；Egmax为相邻间隙的最大电场强度值。
此外国内在以往 SF6绝缘设计中提出了相关设计基准，其中对屏蔽件、绝缘件内部和表面以及壳体表面的电场强度做出了规定[16]。本文结合实验结果和仿真结果，借鉴 SF6中的设计基准，提出的电场强度临界值见表4~表6。表 4~表 6中 E1为屏蔽件表面的允许最大电场强度，E2为绝缘子表面允许最大电场强度，E3为支撑绝缘件的壳体表面允许最大电场强度。
表4 0.5MPa下表面场强临界值
Tab.4 Critical value of surface field intensity in 0.5MPa
C4F7N含量电场强度SF6 5% 9% 13%E1/(kV/mm) 24.5 18.0 22.2 23.1 E2/(kV/mm) 11.6 8.6 10.6 11.0 E3/(kV/mm) 23.2 17.1 21.0 21.9
表5 0.6MPa下表面场强临界值
Tab.5 Critical value of surface field intensity in 0.6MPa
C4F7N含量电场强度5% 9%E1/(kV/mm) 19.5 24.2 E2/(kV/mm) 9.3 11.5 E3/(kV/mm) 18.5 23.0
表6 0.7MPa下表面场强临界值
Tab.6 Critical value of surface field intensity in 0.7MPa
C4F7N含量电场强度5% 9%E1 /(kV/mm) 21.9 27.4 E2 /(kV/mm) 10.4 13.0 E3 /(kV/mm) 20.8 26.0
研究表明当电场强度超过30~50kV/mm时，固体材料开始出现电老化[19]。因在实验过程从未出现过体击穿现象，维持绝缘子内部工作场强 3.0kV/mm的设计标准即可[16]，这个值远远低于电气老化的限制。
参考表4~表6的场强临界值标准，选择合适的绝缘裕度就可以获得表面允许最大电场强度，选取绝缘子内部工作电场强度 3.0kV/mm，即可成为C4F7N/CO2混合气体中的设计基准。
4 分析与讨论
从上述实验结果可以看出，工频电压下252kV盆式绝缘子的沿面闪络中出现了多种闪络痕迹。其中放电痕迹统计结果表明:主要发生凹面半沿面闪络现象，其余三种出现的概率很小。沿面闪络主要发生在盆式绝缘子的凹面侧而非凸面侧。凹面半沿面闪络中气体侧和沿面上均有闪络通道，并且在沿面发展的过程中呈现放射性发展的痕迹。放射性发展的痕迹也出现在凹面全沿面闪络和凸面全沿面闪络中。
研究认为沿面闪络可以分为两个阶段:起始阶段和传播阶段[20]。起始阶段的初始电子可能来源于气体-固体-金属的三重结合点、导电微粒、导杆表面毛刺、宇宙射线等。然而在设计和实验中充分考虑了三重结合点屏蔽、导杆表面处理和导电微粒抑制等问题。因此从初始电子崩产生的角度理解，实验结果中出现凹面全沿面闪络、间隙击穿、凹面全沿面闪络的概率非常小。
至于沿面闪络，主要发生在盆式绝缘子的凹面侧而非凸面侧。从仿真结果（施加电压峰值为750kV）可以看出绝缘子凹面电场强度最大处出现在绝缘子中部，大约为11.7kV/mm，绝缘子凸面电场分布较为均匀，最大电场强度约为10.7kV/mm。从电场分布的角度，绝缘子沿面闪络多发生于凹面侧。此外，凸面侧的盆式绝缘子与水平线呈现钝角结构，凹面侧的盆式绝缘子与水平线呈现锐角结构，也是沿凸面难以发展的原因之一。
本文认为，凹面半沿面闪络的放电过程包含气体和沿面发展两个部分。放电产生并发展于气体侧，电子崩撞击绝缘子表面，沿表面发展形成闪络痕迹。
5 结论
本文开展了工频电压下不同C4F7N含量、不同气压的C4F7N/CO2混合气体和0.5MPa SF6中252kV盆式绝缘子耐压及沿面闪络实验研究，得到以下结论:
1）绝大部分沿面闪络发生在盆式绝缘子的凹面侧而非凸面侧，并且大多为凹面半沿面闪络，沿面闪络电压标准差在40~60kV。
2）同种气体中，沿面闪络电压随气压的增长而增长，沿面闪络电压与气压呈现近似线性的关系。0.5MPa下随着C4F7N含量的增加，绝缘子的沿面闪络电压增加并呈现饱和趋势，且都低于 SF6中的沿面闪络电压。
3）仅从工频绝缘性能出发，0.6MPa、0.7MPa 9%C4F7N/91% CO2混合气体能够完全替代 SF6应用于现有GIL中并通过国标考核。但是其他方面，如相容性、灭弧性能、分解气体方面还需要开展进一步研究。
4）结合实验数据和有限元仿真，制定表面电场强度临界值见表4~表6，配合绝缘裕度可用于指导绝缘件和金属件的设计。以0.7MPa 9% C4F7N/91%CO2混合气体为例，选择绝缘裕度为 1.2时凹面屏蔽件表面的允许最大电场强度应低于 22.8kV/mm，绝缘子凹面的允许电场强度应低于10.8kV/mm，支撑绝缘件的壳体表面最大电场强度应低于 13.3kV/mm，绝缘子内部工作电场强度为3.0kV/mm。
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