0 引言
气体绝缘输电管道（Gas Insulated transmission Line, GIL）是采用气体绝缘、外壳与导体同轴布置的高电压、大电流输电设备，具有可靠性高、传输容量大、电能损耗小、环境适应性强和无电磁干扰等优点。在跨江河输电、城市中心区供电及高落差垂直竖井工程等环境要求高的情况下，起到至关重要的作用。随着我国电网的发展，GIL也将获得更加广泛的应用[1]。
传统GIL采用SF6作为绝缘介质，但SF6是温室气体，其全球变暖潜能值（Global Warming Potential,GWP）高达 23 500，且半衰期为 3 200年[2]，已被《京都议定书》列入限制排放的6类气体。因此寻求其他绝缘气体替代 SF6的研究具有重要而深远的意义。然而，绝缘性能优于 SF6或与 SF6相当的绝缘气体如全氟酮、氢氟烯烃（HFO）、全氟化碳（PFCs）等均存在液化温度过高或者 GWP过高等缺点[3]。综合各方面因素考虑，全氟异丁腈（C4F7N）以其良好的绝缘性能、GWP相对较低等优点，成为SF6替代气体的研究热点。但由于其液化温度相对较高[4]，因此需要与其他缓冲气体如 CO2、N2或空气等混合使用。
近期国内外学者从理化特性、间隙击穿特性、分解特性、气固相容性等方面对C4F7N及其混合气体开展了大量研究[5-7]，为混合气体在高电压等级GIL中的应用提供了依据。间隙绝缘性能方面，H.E.Nechmi等在直流和冲击电压下，对比了不同混合比C4F7N/CO2混合气体与 SF6的间隙击穿电压值[8-9]。研究表明，在均匀和准均匀场中，0.88MPa和1.04MPa总压强使用 3.7%C4F7N/96.3%CO2混合物可获得与0.56MPa和0.65MPa下SF6等效的绝缘强度，且该混合气体可在低温环境（−30℃）下使用。沿面绝缘性能方面，本课题组研究了C4F7N/CO2混合气体在工频及标准雷电冲击电压下的沿面闪络特性，获得了小尺寸下混合气体中沿面闪络特性发展规律，并对252kV盆式绝缘子中工频沿面闪络特性展开研究，获得了在GIL中0.5MPa下SF6气体的替代气体配置方案，同时得到了盆式绝缘子的绝缘设计依据[10-12]。
现阶段对C4F7N混合气体绝缘性能的研究主要集中在工频（Power Frequency, PF）电压及雷电冲击（Lightning Impluse, LI）电压两种电压形式，操作冲击（Switching Impluse, SI）电压下C4F7N/CO2混合气体绝缘特性研究尚未见报道。从绝缘配合的角度看，现行的国标对220kV及以下的系统中的设备没有给出额定操作冲击耐受电压[13]，原因是在220kV及以下系统中，雷电冲击电压起决定绝缘水平的关键作用。随着电压等级的提升，操作冲击电压在绝缘配合中的作用逐渐凸显，在330kV及以上系统的绝缘配合中，需要同时考虑雷电冲击电压及操作冲击电压的影响。但实际上，对252kV的GIL输电管道，系统的计算采用操作过电压最大值已经达到616kV[14]，对以C4F7N/CO2混合气体作为绝缘介质的GIL的影响程度尚不清楚，需要进行探索。
综上所述，本文在工频电压下252kV盆式绝缘子沿面闪络特性实验的基础上，开展了操作冲击电压下252kV GIL放电特性实验，研究GIL中间隙击穿及沿面闪络特性，并论证本课题组此前提出的气体配置方案在操作冲击电压下的可行性；得到252kV盆式绝缘子临界放电场强，探究绝缘设计的主导电压类型。
1 实验装置及实验方法
1.1 实验装置及腔体
图1为实验电路，由冲击电压发生器、电容分压器、550kV套管、252kV GIL实验腔体和252kV盆式绝缘子试品组成。其中冲击电压发生器标称电压4 800kV，可产生波头时间250(1±1%)μs，波尾时间2 500(1±1%)μs的标准操作冲击电压，发生器的效率在50%～70%之间，电容分压器分压比为4 321∶1，高压臂电容值为 479pF。测量系统冲击波形时间参数扩展不确定度为1.6%（扩展因子k=2）。
图1 实验电路
Fig.1 Experimental circuit
闪络实验腔体及平台如图2所示，实验平台由一个 550kV套管连接一段 1 000kV GIL，经一段550kV GIL后转接三段252kV GIL组成。实验腔体左右两端均用盆式绝缘子隔绝，左右腔体充入绝对压力0.7MPa的SF6介质，以保证放电在中间段的实验腔体内产生，实验腔体右侧的GIL母线段中装有均压球。实验腔体体积约100L，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，电子气压表精度达0.05级，采用真空计（GD881）检测排气时的真空度。采用图2的GIL实验腔体，可以同时研究盆式绝缘子凹面和凸面两侧的耐电性能。
图2 闪络实验腔体及平台
Fig.2 Surface flashover chamber and the platform
1.2 实验方法
实验采用的实验腔体、绝缘子试品及实验前的充气步骤与文献[12]相同，本文不再赘述。C4F7N/CO2混合气体气压采用 Peng-Robinson状态方程结合道尔顿分压定律建立混合气体状态方程计算获得，气体混合后需静置3h以上，通过气相色谱仪检测可知，混合气体C4F7N摩尔百分比相对误差小于0.5%[11]。由于放电电压高，放电能量大，放电在绝缘子沿面、屏蔽罩及罐体筒壁上留下的痕迹较为明显，为防止放电后的痕迹对实验结果产生影响，每次放电发生后需要利用砂纸打磨放电痕迹，并用清洁剂清洗，随后进行下一次实验准备工作，通过开罐还可记录放电形式。实验采用多级升压的方式，从预期放电电压的70%开始，以预期放电电压的3%为阶梯进行升压，直至放电。由于操作冲击放电电压的分散性较大，故须进行多次实验，以获得50%放电电压U50%和标准偏差σ。
综合考虑腔体及盆式绝缘子的最大使用压力（0.8MPa）和最高液化温度（−15℃），混合气体配置方案选择0.5～0.7MPa 5%C4F7N/95%CO2，0.5～0.7MPa 9%C4F7N/91%CO2和0.5MPa 13%C4F7N/87%CO2。实验的混合气体均按摩尔百分比配置，所选取的气体压强为修正到20℃下的标准压强。为获得实验的统计规律，每个实验点至少进行5次实验，以获取操作冲击电压随气压及C4F7N摩尔百分比的关系。表1列出了文献[12]中工频电压下可替代SF6的气体配置方案的一些特性，每种混合气体配置方案同时规定了混合气体摩尔百分比和相应使用压强。为论证工频下的配置方案在操作冲击电压下的可行性，对表1中每组气体配置方案进行10组实验，研究其50%放电电压、标准偏差及放电形式。此外，本文也开展了0.5MPa SF6中操作冲击电压下252kV GIL的放电实验作为对照。
表1 工频下可行的气体配置方案特性
Tab.1 Characteristics of gas mixtures alternative under AC voltage
介质成分 压强/MPa 液化温度/℃工频绝缘子沿面闪络电压有效值/kV 5%C4F7N/95%CO2 0.7 −32.4 691.4 9%C4F7N/91%CO2 0.6 −23.0 760.5 9%C4F7N/91%CO2 0.7 −19.5 860.4 13%C4F7N/83%CO2 0.5 −18.8 722.1
1.3 数据处理方法
采用极大似然法对实验数据进行处理，求取50%放电电压 U50%及标准偏差σ[15]。其原理为：假设已知总体X的概率密度函数为f(x,)θ，其中θ 为未知参数，在本文中未知参量为 U50%及σ，总体 X的样本为X1, X2, X3,…, Xn，对于总体的一个样本的实现，其联合概率密度函数
是θ 的函数，即似然函数为
利用似然函数求解未知参量的方法是：对于实验中出现的一组事件X1, X2, X3,…, Xn，若存在一个θ的估计值θ~使得似然函数具有最大值，则θ~就是θ的一个极大似然估计值。
对多级法冲击电压实验来说，似然函数为
式中，N为实验电压级数；n为每级电压Ui下的实验次数；ki为Ui电压等级下的击穿次数；Pi为正态分布函数[16]，表达式为
采取暴力运算，在最大最小放电电压范围内求取似然函数的最大值，即可获得放电的U50%及标准偏差σ。
2 252kV GIL中操作冲击电压下放电特性
工频电压下，252kV GIL中放电形式主要为沿面闪络，极少会出现间隙击穿的情况[12]。然而在操作冲击电压下，实验结果显示，放电存在间隙击穿及沿面闪络两种形式，且两者出现的频率相当。故本节首先将相同实验条件下的GIL整体的放电数据（包括间隙击穿与沿面闪络数据）作为一个样本，采用极大似然法求取放电的 U50%及标准偏差σ，探究GIL整体绝缘强度随混合气体摩尔比及压强的变化关系，并观察统计放电发展路径，将原先的放电数据样本分成间隙击穿及沿面闪络下的两个数据样本，分别计算放电的 U50%及标准偏差σ，比较分析其沿面绝缘强度与间隙绝缘强度的大小关系。
2.1 GIL 中C4F7N/CO2混合气体的极性效应
GIL绝缘结构通常为稍不均匀电场，在操作冲击电压下具有极性效应[17]。已有研究表明，在同轴圆柱结构下，SF6间隙的正极性操作冲击 50%放电电压远大于负极性，故高电压等级GIL在操作冲击电压下绝缘强度由负极性决定。然而，在C4F7N/CO2混合气体中GIL的极性效应未知，需要进行探索。
选取0.5MPa下5%C4F7N/95%CO2及9%C4F7N/91%CO2两种混合气体进行操作冲击电压下正负极性对比实验，并与0.5MPa下SF6实验结果进行对照。每个数据点至少进行5次实验，所得U50%及σ见表2。表中，在0.5MPa下SF6介质中，正极性操作冲击电压升至 1 500kV，未发生放电，受套管耐压及场地绝缘距离的限制，停止继续升压，降压后重复升压10次，仍未发生放电，可知其放电电压高于1 500kV。
表2 0.5MPa 下正负极性放电电压对比
Tab.2 Comparison of positive and negative breakdown voltage in 0.5MPa
气体介质 极性 U50%/kV σ/kV正极性 1 212.6 144.7 5%C4F7N/95%CO2负极性 893.2 47.6正极性 1 440.1 61.6 9%C4F7N/91%CO2负极性 1 004.8 36正极性 ＞1 500 —SF6负极性 1 237 87.6
由表2可知，对 C4F7N/CO2混合气体及 SF6，虽然正极性放电电压分散性高于负极性放电电压，但正极性放电电压高于负极性放电电压。假设放电概率满足正态分布，可知在负极性下U50%−3σ 至正极性下U50%+3σ 电压区间内，正负极性放电发生在此区间的概率均超过 99.7%。图3为 5%C4F7N/95%CO2混合气体在负极性下 U50%−3σ 至正极性下U50%+3σ 电压区间即电压区间（750.4kV, 1 646.7kV）内正负极性的放电概率曲线。在此电压区间内，施加相同大小的正负极性操作冲击电压，负极性下的放电概率总是大于正极性，负极性操作冲击电压比正极性操作冲击电压更具威胁性。由此可知，对于C4F7N/CO2混合气体，高电压等级设备的绝缘强度由负极性击穿电压决定。
图3 5%C4F7N/95%CO2混合气体中放电概率随电压的变化曲线
Fig.3 The curves of discharge probability with applied voltage in 5%C4F7N/95%CO2 mixtures
2.2 放电电压随压强及C4F4N摩尔百分比变化规律
在252kV GIL中对0.5～0.7MPa下C4F7N质量分数分别为5%、9%及13%的混合气体开展负极性操作冲击放电实验。图4为放电电压随气体压强的变化规律。
由图4可知，0.5MPa下SF6中U50%=1 237.4kV，0.5MPa下5%C4F7N/95%CO2的绝缘强度达到其70%以上，随着C4F7N摩尔百分比及压强的升高，0.6MPa下13%C4F7N/87%CO2的绝缘强度与0.5MPa下SF6相当，而0.7MPa下9%C4F7N/91%CO2已超过0.5MPa下SF6的绝缘强度。从绝缘配合的角度上，各配置方案下的操作冲击放电电压均远高于220kV系统计算采用的操作过电压最大值，可知在220kV电压下，本课题组先前以工频击穿电压为依据选取的配置方案（见表1）满足操作冲击电压下的设计要求。
图4 放电电压随气体压强的变化规律
Fig.4 The relationship between breakdown voltage and gas pressure
相同C4F7N摩尔百分比气体中，随着混合气体压强的升高，U50%随之增大；相同压强下，随着C4F7N摩尔百分比的升高，U50%也随之升高。这是由于在稍不均匀场中，电场强度一定时，当压强升高或混合气体C4F7N摩尔百分比增大时，密度归一化有效电离系数下降，放电更不易发生，因此放电电压也随之增大[18]。同时，随着介质绝缘强度的提高，高放电电压下，其放电分散性也较大。
2.3 252kV GIL中放电路径分析
每次实验后对罐体进行拆解清理，通过观察其放电痕迹，可分析放电路径的形成规律。如图5所示，与工频下的实验结果不同，操作冲击电压下的痕迹只有两类，其特点如下：
图5 GIL中两类放电路径
Fig.5 Two types of breakdown traces
（1）凹面侧间隙-沿面闪络。放电通道由屏蔽罩表面起始，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放射状放电痕迹。其痕迹深浅由放电电压决定，电压越高，放电能量越大，放电痕迹越深。
（2）屏蔽罩对罐体筒壁间隙击穿。放电起始于中心导体屏蔽罩，在屏蔽罩与筒壁间发生间隙击穿现象，凸面侧及凹面侧屏蔽罩均有概率发生。
实验过程中，随着压强及摩尔百分比的变化，两类放电路径出现的概率随之变化。本节中，结合工频实验结果及2.2节的实验结果，对表1中的配置方案各进行10组实验，统计两种放电路径出现的次数，并与0.5MPa SF6下的结果对比。放电路径与绝缘介质关系见表3。
表3 放电路径与绝缘介质关系
Tab.3 The relationship between breakdown traces and insulation medium
绝缘介质 压强/MPa 沿面闪络次数 间隙击穿次数5%C4F7N/95%CO2 0.7 3 7 9%C4F7N/91%CO2 0.6 7 3 9%C4F7N/91%CO2 0.7 4 6 13%C4F7N/83%CO2 0.5 9 1 SF6 0.5 7 3
统计结果显示，0.5MPa下SF6中间隙击穿的概率达到30%。混合气体C4F7N摩尔百分比9%介质下，0.7MPa相对0.6MPa下间隙击穿的次数增多；0.7MPa气压下，9%相对于5%沿面闪络的次数增多。
2.4 沿面闪络电压与间隙击穿电压变化规律对比
为了分别得到GIL中沿面闪络特性及间隙击穿特性，本节将不同方案下的沿面及间隙击穿数据分开计算，其对比见表4。
表4 不同配置方案下沿面闪络与间隙击穿电压对比
Tab.4 Comparison of surface flashover and gap breakdown voltage under different insulation medium
沿面闪络放电 间隙击穿放电绝缘介质 压强/MPa U50%/kV σ/kV U50%/kV σ/kV 5%C4F7N/95%CO2 0.7 1 132 102.8 1 110 65.4 9%C4F7N/91%CO2 0.6 1 106 81.1 1 051 85.7 9%C4F7N/91%CO2 0.7 1 390 109.8 1 349 104.4 13%C4F7N/83%CO2 0.5 1 132 102.8 — —SF6 0.5 1 268 105.2 1 255 11.3
由表4可看出，在操作冲击电压下，252kV GIL屏蔽罩的 50%间隙击穿电压与盆式绝缘子凹面的50%沿面闪络相近。且操作冲击电压下，放电分散性较大，这就造成放电可能为沿面闪络也可能是间隙击穿。但不同配置方案下各自的间隙与沿面的绝缘强度及放电分散性不同，故两种放电路径出现的概率也各不相同。对比表3及表4，由0.6MPa 9%C4F7N/91%CO2及0.7MPa 9%C4F7N/91%CO2的实验结果可知，两种放电路径出现的相对概率与U50%有关，如沿面闪络U50%越低，放电路径为沿面闪络的概率越大；由0.7MPa 5%C4F7N/95%CO2及0.5MPa SF6中的实验结果可知，在U50%相近的情况下，放电路径还与放电的分散性有关，不同路径放电分散性越大，其放电路径出现概率越大。
为进一步阐述 U50%及放电分散性与放电路径概率的关系，作出0.6MPa 9%C4F7N/91%CO2下的放电概率密度分布，如图6所示。假设沿面闪络及间隙击穿放电概率密度函数满足正态分布，沿面闪络的 U50%=1 106kV，σ =81.1kV，间隙击穿的 U50%=1 051kV，σ =85.7kV。
图6 0.6MPa 9%C4F7N/91%CO2介质下沿面闪络及间隙击穿概率密度分布
Fig.6 Probability density distribution of surface flashover and gap breakdown in 9%C4F7N/91%CO2 mixtures under 0.6MPa
0.6MPa 9%C4F7N/91%CO2介质下的放电电压均落在（U50%−2σ, U50%+2σ）电压区间内。由图4可知，放电的U50%=1 093.3kV，标准偏差σ =81.7kV。假设放电满足正态分布，则其在电压区间（929.9kV,1 256.7kV）放电的概率为 95.45%。故计算两种放电落在（929.9kV, 1 256.7kV）间的概率，便可比较两种放电出现的相对概率的大小关系。将概率密度函数在电压区间（929.9kV, 1 256.7kV）积分，可得沿面闪络发生的概率为95.34%，而间隙击穿发生概率为88.63%，沿面闪络发生的相对概率较大。由表2可知，在0.6MPa下9%C4F7N/91%CO2介质中，沿面闪络发生次数（7次）大于间隙击穿次数（3次），计算结果与理论分析结果相同。
2.5 252kV 盆式绝缘子中沿面闪络电压随压强及摩尔百分比变化规律
为进一步探究252kV盆式绝缘子中沿面闪络电压随压强及C4F7N摩尔百分比变化规律。提取表3中不同配置方案下的沿面闪络电压，得到不同配置方案下 50%沿面闪络电压见表5。表中，E2为操作冲击电压下绝缘子表面允许最大电场强度[12]，可为高电压等级下盆式绝缘子的电场设计提供参考。
表5 不同配置方案下50%沿面闪络电压
Tab.5 The U50%under different insulation medium
绝缘介质 压强/MPa U50%/kV σ/V E2/(kV/mm)5%C4F7N/95%CO2 0.7 1 132 102.8 8.86 9%C4F7N/91%CO2 0.6 1 106 81.1 9.28 9%C4F7N/91%CO2 0.7 1 390 109.8 11.41 13%C4F7N/83%CO2 0.5 1 132 102.8 8.86 SF6 0.5 1 268 105.2 10.25
由表5可知，四种混合气体配置方案下沿面闪络 U50%均超过 0.5MPa下 SF6介质的 87%，增加气体压强及 C4F7N摩尔百分比均可提高沿面绝缘强度。此外，操作冲击电压下的沿面闪络电压分散性大，分散性为7%～9% U50%。这对高电压GIL的绝缘设计提出更高的要求。
在高电压等级下，系统的绝缘强度由雷电冲击电压转变为同时考虑雷电冲击和操作冲击放电电压。为进一步探究252kV盆式绝缘子绝缘设计的主导电压类型，本文进行了负极性雷电冲击电压下的252kV盆式绝缘子沿面闪络实验，结合文献[12]的实验结果，得出各电压类型下的绝缘裕度，绝缘裕度由闪络电压除以国标规定的额定耐受值得到。其中，220kV系统额定工频耐受值为460kV，额定雷电冲击耐受值为 1 050kV。表6为系统额定冲击耐受值与电压等级的关系[13]，由于220kV系统额定操作冲击耐受值未规定，采用多项式拟合的方法，得到系统电压等级与耐受值的拟合函数为
表6 系统额定冲击耐受值与电压等级的关系
Tab.6 Relationship between rated impulse withstand value and voltage level of the power system
系统电压等级/kV 操作冲击耐受值/kV 雷电冲击耐受值/kV 220 — 1 050 330 950 1 175 500 1 300 1 670 750 1 550 2 100 1 000 1 800 2 400
式中，x为系统电压等级；y为额定操作冲击耐受值，代入数据，得到220kV系统额定操作冲击耐受值为737kV。不同电压类型下 SF6及 C4F7N/CO2混合气体的绝缘裕度计算结果见表7。
表7 不同电压类型下SF6及C4F7N/CO2混合气体的绝缘裕度
Tab.7 Insulation margin of SF6 and C4F7N/CO2 mixtures under different voltage types
绝缘裕度绝缘介质 压强/MPa PF LI(−) SI(−)SF6 0.5 1.67 1.45 1.72 5%C4F7N/95%CO2 0.7 1.49 1.34 1.53 9%C4F7N/91%CO2 0.6 1.65 1.32 1.50 9%C4F7N/91%CO2 0.7 1.87 1.42 1.89 13%C4F7N/83%CO2 0.5 1.58 1.28 1.54
由表7可看出，各配置方案下绝缘裕度关系为：工频及负极性操作冲击大于负极性雷电冲击，而工频与负极性操作冲击相近（PF＞LI(−), SI(−)＞LI(−),PF≈SI(−)），可知对 252kV盆式绝缘子沿面的绝缘设计，雷电冲击电压为其主导电压类型。C4F7N/CO2混合气体中，操作冲击电压下的绝缘裕度仅略高于雷电冲击电压下的绝缘裕度，而与工频电压下绝缘裕度相近。考虑到操作冲击电压下放电电压的分散性大于雷电冲击，在高电压等级下，需要考虑系统操作过电压对绝缘设计的影响。
3 结论
本文开展了操作冲击电压下不同C4F7N摩尔百分比、不同压强的 C4F7N/CO2混合气体和 0.5MPa SF6中252kV GIL间隙击穿及沿面闪络实验研究，得到以下结论：
1）对C4F7N/CO2混合气体，操作冲击电压下负极性放电电压远低于正极性放电电压，故操作冲击电压下设备的绝缘强度由负极性放电电压决定。
2）放电电压随压强及 C4F7N摩尔百分比的增大而增大，操作冲击电压下放电的分散性较大，在(2%～12%)U50%之间。
3）放电存在两种形式：凹面侧间隙-沿面闪络及屏蔽罩对罐体筒壁间隙击穿。放电路径出现的概率受U50%及放电分散性影响，U50%越小，其放电路径出现的概率越大，此外放电路径出现的概率还受放电分散性影响，分散性越大，越易形成相应放电路径。
4）盆式绝缘子绝缘性能方面，沿面闪络电压随压强及 C4F7N摩尔百分比的增长而增长。0.5MPa 13%C4F7N/87%CO2、0.6MPa 9%C4F7N/91%CO2下沿面绝缘强度达到 0.5MPa下 SF6绝缘强度的 87%以上，而0.7MPa 9%C4F7N/91%CO2下沿面绝缘强度已超过0.5MPa下SF6的绝缘强度。
5）各配置方案下绝缘裕度关系为 PF＞LI(−),SI(−)＞LI(−), PF≈SI(−)，可知，对 252kV 盆式绝缘子沿面的绝缘设计，雷电冲击电压为其主导电压类型，操作冲击电压不是主导其绝缘设计的主要原因。对C4F7N/CO2混合气体，操作冲击电压下的绝缘裕度与雷电冲击电压下的绝缘裕度相差不大，考虑操作冲击电压下的放电电压具有更大的分散性，在330kV及以上系统中，需要考虑操作冲击电压对绝缘设计的影响。
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