0 引言
气体绝缘输配电设备（Gas Insulated Equipment,GIE）具有占地面积小、可靠性高、维度周期长等优势，在各电压等级的输配电系统中发挥了重要作用。气体绝缘输配电设备主要包括气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）、气体绝缘输电管道（Gas Insulated Line, GIL）、气体绝缘变压器 （Gas Insulated Transformer, GIT）和气体绝缘环网柜（Gas Insulated Cabinet, GIC）等，其内部多充以高气压（0.13~0.6MPa）的六氟化硫（SF6）气体作为绝缘或灭弧介质[1]。然而，SF6是一种极强的温室气体，其温室效应潜在值（Global Warming Potential, GWP）是CO2的23 500倍，大气寿命长达3 200年[2]。1997年，《京都议定书》将SF6列为六大类温室气体之一[3]。据监测，全球大气环境中的SF6含量已由1994年的3.67×10-7%增加到2020年的10.41×10-7%，增长了265%，仅过去五年SF6的全球大气环境含量增加了16.3%，由SF6引起的全球温升达到了0.004℃，且呈现上升趋势[4-5]。
目前，全球电力行业SF6的使用量占其年产量的80%[5]。根据2019年发布的《电力行业六氟化硫替代技术调研报告》，2018年我国仅GIS设备SF6气体的使用量接近7 000t，相当于1.65亿t CO2[6]。为限制SF6的使用和排放带来的气候问题，部分国家已经出台了一系列政策法规和征税措施。例如，欧盟成员国中目前已有西班牙、瑞典、波兰、丹麦、挪威、斯洛文尼亚开始针对包括SF6在内的氢氟碳化物（Hydrofluorocarbons, HFCs）气体征收排放税，税额按照每吨（等当量CO2）15~50欧元（1欧元=7.87人民币）收取[7]；法国政府对新安装的含氟气体设备强制征收6.52欧元/kg的排放税，并对每吨（等当量CO2） HFCs气体征收30.5欧元的排放税；另外，美国《清洁空气法》第202（a）条款将SF6列为“对当代和后代的健康和福利造成威胁的温室气体”[5]。然而，世界主要国家和地区的SF6排放量仍呈增长趋势，其中我国SF6年排放量由2000年的523t增加到了2010年的2 573t（增长了391%）。国务院《控制温室气体排放工作方案》明确指出要进一步加大SF6等非CO2温室气体控排力度。习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上提出了我国应对气候变化新的国家自主贡献目标和长期愿景，即“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。”综上所述，寻找环保型气体绝缘介质应用于电气设备符合绿色、低碳的发展理念，也是解决输配电装备制造业对强温室气体SF6依赖使用的根本之策。
本系列文章综述了近五年来国内外有关环保绝缘气体全氟异丁腈（C4F7N）的主要研究成果，分为Ⅰ、Ⅱ两个部分。其中，本文Ⅰ首先简述了环保绝缘气体的研究历史，对比分析了近年来受关注度较高的几类环保型气体绝缘介质基本特性；其次，综述了现阶段针对C4F7N混合气体绝缘及灭弧性能研究进展；最后，总结了有关C4F7N混合气体电、热稳定性及分解特性的最新研究成果，展望了未来针对C4F7N绝缘及电、热分解特性的研究趋势。
1 常见环保型气体绝缘介质
20世纪70年代，SF6被成功合成并作为绝缘和灭弧介质应用于GIS设备[8]。早期针对SF6替代气体的探索主要为解决SF6液化温度较高的问题。1980年，通用电气J. C. Devins等对35种潜在绝缘气体的性能进行了测试，并结合饱和蒸气压特性分析了应用可行性，指出0.2MPa气压下应用时CF3-C≡C-CF3、C2F5Cl、C2F5CN、C4F7N的性能优于SF6；其他气体只有在更高设备运行温度下才具备替代SF6的潜力，综合来看SF6仍是最为理想的气体绝缘介质[9]。1997年签署的《京都议定书》将SF6列为六大温室气体目录后，国内外学者针对环保绝缘气体的研究逐步展开。
环保绝缘气体根据研究对象主要分为三类：一是传统气体，包括CO2、N2及干燥空气；二是SF6混合气体，包括SF6-N2、SF6-CO2、SF6-CF4等；三是氟碳类强电子亲和性气体，包括HFCs、全氟化碳（Perfluorinated Compounds, PFCs）、CF3I、全氟化腈（Perfluornitriles, PFNs）、全氟化酮（Perfluorinated Ketone, PFK）等[10-11]。表1给出了目前关注度较高的环保绝缘气体基础理化参数。
表1 SF6及环保绝缘气体的基础参数
Tab.1 Basic parameters of SF6 and eco-friendly gas insulating medium
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传统气体在环保特性、液化温度、安全性方面表现优异，但其绝缘性能仅为SF6的30%~38%，因此常作为缓冲气体与SF6或强电子亲和性气体混合使用。针对SF6混合气体的研究一方面是为了解决SF6液化温度较高无法在高寒地区使用的问题，另一方面也能够有效减少SF6使用量。2001年，西门子公司推出了世界首条以SF6-N2混合气体为绝缘介质的GIL，并在瑞士日内瓦国际机场示范运行[12]。2018年，华东首条30%SF6-70%N2混合气体母线在安徽芜湖220kV普庆变电站成功投运。国家电网公司研发的1 100kV特高压SF6-N2混合气体GIL样机也在武汉特高压交流试验基地通过一年带电考核[13]。随着“双碳”目标的提出，国家电网公司也决定自2021年起开展SF6混合气体母线、隔离及接地开关试点应用，并从2023起全面推进混合气体的使用，新建站全部采用混合气体GIS设备，并逐步开展旧站改造，力争2030年SF6使用达峰。然而，SF6混合气体方案对SF6的使用量仍在30%左右，并不能从根本上解决输配电设备对SF6的依赖及SF6使用所带来的温室效应问题。
随后，性能优异的氟碳类强电子亲和性气体被广泛关注。针对全氟碳气体的研究主要集中在C2F6、C3F8、c-C4F10三种，其中C2F6、C3F8由于其较高的GWP（11 100和8 900）和大气寿命（10 000年和8 900年）并不适宜作为环保绝缘气体应用[14]；c-C4F10的绝缘性能达到了SF6的1.27倍，但其液化温度高达-6℃，且GWP和大气寿命分别为8 700年和3 200年，相对SF6混合气体这一方案并未显现出优势；另外，c-C4F10混合气体在放电分解时存在固体碳析出的情况，会导致气固界面绝缘性能的降低[15-17]。CF3I的GWP仅为0.4，且绝缘性能达到了SF6的1.2倍，但CF3I被列为致癌、致突变和生殖毒性（Carcinogenic, Mutagenic and Reprotoxic, CMR）三类诱变剂，其作为气体绝缘介质应用存在安全隐患[18]。同时，由于CF3I分子结构中的C-I键强度较弱，导致混合气体在放电条件下会发生分解，析出碘单质并沉积于设备内部，引发气体绝缘性能降低的同时造成设备严重腐蚀，影响设备的可靠性及使用寿命[19-21]。因此，全氟化碳和CF3I存在液化温度高、环保性能不好、安全性差、固体析出严重等缺点，不能作为环保型气体绝缘介质获得工程应用。
2015年起，国内外学者将研究目光聚焦在绝缘性能远高于SF6且环保特性优异的全氟化酮、全氟化腈两类物质上。全氟化酮以C5F10O和C6F12O为代表，其绝缘性能达到了纯SF6的1.4和2倍以上，且GWP仅为1[22]。由于C5F10O和C6F12O的液化温度高达26.9℃和49℃（常温常压下为液态），为保证设备最低-25℃或-10℃运行温度不液化，以CO2或干燥空气作为缓冲气体应用时混合气体中C5F10O、C6F12O含量需小于8%[23]。因此，C5F10O和C6F12O在高压气体绝缘设备中的应用潜力弱于中低压气体绝缘设备。另外，部分学者及设备厂商也对HFC-1234ze（E）（液化温度-19.2℃, GWP＜1）这一气体开展了基础绝缘性能测试，分析了其作为环保绝缘气体应用于中、低压设备的潜力[24-26]。
针对全氟化腈的研究主要围绕C4F7N开展，该气体2016年由明尼苏达矿业及制造公司（Minnesota Mining and Manufacturing Company, 3M）推出，其GWP为2 090，大气寿命为22年，且绝缘性能达到了SF6的两倍以上[27]。由于C4F7N常温常压下的液化温度为-4.7℃，因此仍需要与CO2、N2、O2等常规气体混合使用以满足设备最低运行温度的要求[28]。其中，C4F7N含量为18%~20%的C4F7N-CO2混合气体的绝缘性能与纯SF6相当，而C4F7N含量为6%、10%的混合气体能够满足-25℃、-10℃不液化（0.6MPa），且GWP值仅为462和690，相对SF6降低了97%以上[27]。综合来看，C4F7N相对C5F10O、C6F12O在液化温度上更具优势，具备应用于中、高压气体绝缘设备的潜力。
近年来，国内外学者针对C4F7N混合气体绝缘性能、灭弧特性、电热稳定性、分解特性、材料相容性及生物安全性等方面开展了大量的理论及试验研究，评估了其综合性能及应用潜力。同时，诸多电气设备生产厂家也推出了以C4F7N混合气体为绝缘介质的环保型设备，并开展了示范运行及推广工作。本文主要对C4F7N混合气体的绝缘性能、灭弧性能及电、热分解特性的研究现状进行综述。
2 C4F7N混合气体的绝缘及灭弧性能
目前，国内外对C4F7N及其混合气体绝缘性能宏观层面的研究主要围绕其工频及直流击穿特性、局部放电特性、雷电冲击特性、沿面闪络特性等方面展开，微观层面的研究则重点关注C4F7N及其混合气体的电子输运参数、临界击穿场强（E/N）crit等方面。
2.1 工频及直流击穿特性
准均匀电场绝缘耐受特性方面，通用电气J. G.Owens等于2016年首次报道了C4F7N混合气体的工频击穿特性[29]。研究发现，C4F7N-CO2、C4F7N-N2和C4F7N-空气混合气体的工频击穿电压随气压和C4F7N含量的增加呈增长趋势；当C4F7N含量达到20%时，三类混合气体的绝缘性能均接近相同条件下纯SF6。针对高压气体绝缘设备（气压高于0.3MPa）应用场景，武汉大学周文俊团队测试发现0.3~0.7MPa气压条件下C4F7N含量为5%~20%的C4F7N-N2混合气体的工频击穿电压低于相同条件下的C4F7N-CO2及C4F7N-空气混合气体，且多次击穿后电极表面出现固体物质析出；考虑混合气体-15℃不液化这一条件，0.7MPa下8%C4F7N-92%CO2混合气体、5.8% C4F7N-94.2%空气混合气体的绝缘强度能够达到0.5MPa下纯SF6的水平；CO2与C4F7N的协同效应优于N2，C4F7N-CO2混合气体相对C4F7N-N2更具应用潜力[30-31]。H. E. Nechmi等测试了3.7%C4F7N-96.3%CO2混合气体的工频击穿电压，指出0.64MPa、0.76MPa下混合气体的绝缘性能能够达到0.55MPa、0.65MPa下SF6的水平[32]。在中低压设备应用方面，西安交通大学张博雅等指出0.1~0.2MPa下C4F7N含量为15%、20%的C4F7N-CO2混合气体绝缘性能与SF6相当，临界击穿场强分别为85.29kV·mm-1·MPa和90.25kV·mm-1·MPa（SF6为86.3kV·mm-1·MPa）[33]。华北电力大学屠幼萍团队对负极性直流准均匀电场条件下C4F7N-CO2混合气体的绝缘性能开展了系统研究，分析了气压、混合比、击穿次数对混合气体击穿电压的影响情况，指出0.7MPa下C4F7N含量为4%和8%的C4F7N-CO2混合气体的负极性直流击穿电压能够达到0.5MPa下SF6的81.21%和96.48%，80次击穿测试后发现混合气体的绝缘性能未出现明显下降[34-35]。A. Hopf等指出C4F7N含量为7.8%的混合气体在0.4MPa下的直流击穿电压能够达到SF6的70%[36]。整体上，C4F7N-CO2较C4F7N-N2、C4F7N-空气混合气体更具应用潜力。尽管C4F7N的绝缘性能达到了SF6的2倍以上，但考虑设备最低运行温度限制下的高压设备应用场景，C4F7N-CO2混合气体绝缘性能仍不能达到相同条件下纯SF6的水平，需要在满足最低液化温度C4F7N分压的前提下进一步增加缓冲气体以提升混合气体的绝缘性能。对于中、低压应用场景，混合气体中C4F7N的含量能够达到15%以上时，其相对SF6的绝缘性能也更为优异，应用前景较好。
针对C4F7N混合气体在稍不均匀电场、极不均匀电场环境下绝缘性能的评估也取得了一定进展。湖北工业大学张晓星团队利用球电极模拟稍不均匀电场，测试了不同气压、混合比条件下C4F7N-CO2混合气体的工频击穿特性如图1所示。由图1发现10%C4F7N-90%CO2、20%C4F7N-80%CO2混合气体的工频击穿电压能够达到相同条件下SF6的80%和95%。考虑液化温度限制，C4F7N含量在4%~12%的混合气体可应用于各类中、高压气体绝缘设备[37-40]。该团队还探究了O2对C4F7N-N2、C4F7N-CO2混合气体绝缘性能的影响情况。对于C4F7N含量为6%的C4F7N-N2混合气体，2%~10%O2的加入能够将混合气体的工频击穿电压提升5%~15%，同时降低工频击穿电压的分散性，提升混合气体的绝缘自恢复性能[41-42]。另外，O2对C4F7N-CO2混合气体绝缘性能也有一定的提升作用，15% C4F7N-79% CO2-6% O2混合气体稍不均匀电场下的工频击穿电压比15%C4F7N-85% CO2混合气体高7.7%[43-44]。
图1 C4F7N-CO2混合气体的工频击穿特性（稍不均匀电场）[39]
Fig.1 AC breakdown characteristics of C4F7N-CO2 gas mixture(slightly non-uniform electric field)[39]
极不均匀电场条件下，湖北工业大学张晓星团队测试发现C4F7N含量为2%~8%的C4F7N-CO2、C4F7N-N2混合气体的工频击穿特性随气压、混合比呈饱和增长趋势，但相对SF6的绝缘强度在气压大于0.2MPa时呈现下降趋势；混合气体在极不均匀电场（电场不均匀度4.76）下相对SF6的绝缘性能弱于稍不均匀电场[37, 45]。武汉大学周文俊团队发现C4F7N-CO2混合气体的击穿电压在电场不均匀度增加的过程中随气压出现了先增加后减小再增加的“N”型曲线特性。极不均匀电场下（电场不均匀度大于13.8）混合气体相对SF6的绝缘性能在0.2MPa附近存在极小值，工程应用中应避免设备气压在该区间内[46-47]。另外，中国电力科学研究院颜湘莲等测试了C4F7N-CO2混合气体对不均匀电场分布的敏感性，指出C4F7N含量为4%~20%的混合气体的优异值随C4F7N含量的增加而增大，混合气体对电极表面粗糙度的敏感性与SF6类似[48]。华北电力大学屠幼萍团队测试了极不均匀电场下C4F7N-CO2混合气体的直流击穿特性，发现混合气体的负极性直流击穿电压高于正极性。0.5MPa下C4F7N含量为8%的混合气体负极性击穿电压高于4% C4F7N混合气体，而正极性击穿电压低于4% C4F7N混合气体，表明极不均匀电场下C4F7N-CO2混合气体的直流击穿特性存在明显的极性效应[34]。华北电力大学李庆民团队还研究了自由金属微粒对C4F7N-CO2及SF6-N2混合气体直流击穿电压的影响情况，发现自由金属微粒存在时，4%C4F7N-96%CO2混合气体的微粒放电敏感度低于30%SF6-70%N2混合气体，且击穿电流呈现双峰特性[49]。
综合来看，目前针对不同电场环境下C4F7N混合气体工频及直流击穿特性相关研究证实了其优异的绝缘耐受性能。现有的大量基础绝缘特性数据能够为后期设备设计、优化提供重要参考。面向高压气体绝缘设备的应用场景，未来需要考虑提升设备运行气压、增大设备体积（提升绝缘阈度）、降低设计运行温度（提升C4F7N含量）等方式以满足相关绝缘型式试验要求。同时，考虑C4F7N混合气体在极不均匀电场高气压环境下相对绝缘性能降低的情况，后期在设备设计、制造等过程中应当注意避免引入不均匀电场环境，以免给设备运行可靠性带来负面影响。
2.2 局部放电特性
局部放电（Partial Discharge, PD）特性是表征气体绝缘介质介电性能的重要参数，反映了气体绝缘介质在缺陷环境下的绝缘耐受能力。目前，针对C4F7N混合气体局部放电特性的评估也取得了一定进展。
西安交通大学张博雅等测试了0.1~0.2MPa下C4F7N-CO2混合气体的局部放电起始电压（Partial Discharge Inception Voltage, PDIV）及局部放电相位分布（Phase-Resolved Partial Discharge, PRPD）特性如图2所示。研究发现，20%C4F7N-80%CO2混合气体的PDIV能够达到SF6水平，两种气体单位时间的局部放电脉冲数量随施加电压的增加而增大，且C4F7N混合气体呈现饱和增长趋势。SF6的PD平均放电量随施加电压呈现先增加后降低的趋势，而C4F7N混合气体的PD平均放电量则随施加电压的增加而增加。随着混合比的增加，C4F7N混合气体对局部放电的抑制效果增强，这与C4F7N的强电子亲和性有关[33]。
图2 20%C4F7N-80%CO2混合气体与SF6局部放电特性对比（0.2MPa）[33]
Fig 2 Partial discharge characteristics of 20%C4F7N-80%CO2 and SF6(0.2MPa)[33]
湖北工业大学张晓星团队分析了气压、混合比对C4F7N混合气体PDIV的影响情况，发现C4F7N含量为2%~8%C4F7N-CO2混合气体的PDIV随气压、混合比呈线性饱和增长趋势，0.3MPa下6%C4F7N-94%CO2混合气体的PDIV与0.17MPa SF6相当[37]。整体上，C4F7N-N2混合气体的PDIV随气压的增长速率低于SF6，0.1MPa下12%C4F7N-88%N2混合气体的PDIV能够达到SF6的85%，而0.6MPa下为SF6的70%。因此，高气压下混合气体的局部放电耐受特性弱于低气压[45]。
华北电力大学屠幼萍团队针对直流条件下C4F7N-CO2混合气体PDIV的测试发现其负极性直流下的PDIV均高于正极性；8%C4F7N-92%CO2混合气体负极性直流下的PDIV高于4%C4F7N-96%CO2混合气体，而正极性直流下的PDIV低于4%C4F7N-96%CO2混合气体[35]。极不均匀电场下C4F7N-CO2混合气体的PDIV存在“驼峰效应”，且混合气体对负极性局部放电的抑制能力优于SF6-N2混合气体[50]。法国超级电网研究所的C. Toigo等测试并分析了C4F7N-CO2混合气体在直流条件下的PDIV及PRPD，指出混合气体在正极性直流下表现出更高的PD幅值，而SF6在负极性直流下观察到了较高的PD幅值。另外，C4F7N-CO2混合气体的PD重复频率高于SF6气体，这与缓冲气体的含量较高有关[51]。
整体上，C4F7N混合气体的PD特性与SF6存在差异，表现为绝缘性能相当的混合气体PD放电重复率、平均放电量高于SF6；C4F7N混合气体对负极性PD的抑制能力优于正极性。另外，高气压下混合气体相对SF6的PDIV低于低气压。考虑C4F7N混合气体中CO2等缓冲气体的占比较高且绝缘性能较弱，因此其PD特性一定程度上与CO2具有相似性。未来，需要进一步对设备内不同缺陷（如自由金属微粒、绝缘子气隙等）下C4F7N混合气体的PD特性开展研究，以明确其与SF6的差异，进而指导设备设计制造及后期运维。另外，对于PD与分解特性之间的关联关系等也需要进一步探索。工程应用方面，则需要避免引入极不均匀电场，同时需要在运维中强化PD监测分析。
2.3 雷电冲击及沿面闪络特性
针对C4F7N混合气体雷电冲击及沿面闪络特性的研究也取得了一定进展。
H. E. Nechmi等测试了3.7%C4F7N-96.3%CO2混合气体在不同电场环境下的雷电冲击特性，指出C4F7N混合气体U50随气压的增长速率低于SF6。准均匀电场环境下气压为0.88MPa （液化温度-30℃）、1.04MPa（液化温度-25℃）的3.7%C4F7N-96.3%CO2混合气体的雷电冲击特性能够达到0.55MPa和0.65MPa SF6水平，且负极性雷电冲击下混合气体的击穿电压随气压增长速率大于正极性。极不均匀电场环境下（电场不均匀度大于5.56时），0.88MPa和1.04MPa下3.7%C4F7N-96.3%CO2混合气体的负极性雷电冲击电压均不能达到0.55MPa和0.65MPa SF6水平[32]。另外，西电开关有限公司姜旭等测试发现，极不均匀电场下C4F7N混合气体的雷电冲击特性存在极性效应和极性反转，负极性雷电冲击耐受值高于正极性[52]。
西安交通大学张乔根团队分析了电场不均匀度对C4F7N-CO2混合气体雷电冲击特性的影响情况，指出稍不均匀电场环境下混合气体的雷电冲击电压随混合比呈现饱和增长趋势，随气压呈现类线性增长趋势。随着电场不均匀度的增加，混合气体的正、负雷电冲击击穿电压均显著降低，且正极性远低于负极性，混合气体对电场不均匀度表现出高敏感性[53-54]。北京交通大学李英楠等指出0.1~0.4MPa下10%C4F7N-90%CO2混合气体的雷电冲击击穿电压能够达到SF6的80%[55]。
西安交通大学丁卫东团队测试了C4F7N-CO2混合气体环氧树脂绝缘子雷电冲击下的沿面闪络特性，指出混合气体的沿面闪络电压随气压和混合比呈现饱和增长趋势，C4F7N含量为5%、9%、13%的混合气体雷电冲击沿面闪络电压能够达到相同条件下SF6的70%、80%和90%[56]。另外，该团队还测试了C4F7N-CO2混合气体的工频沿面闪络特性及252kV盆式绝缘子沿面闪络特性，指出混合气体环境下绝缘子闪络多发生于盆式绝缘子的凹面侧，0.6MPa下9%C4F7N-91%CO2混合气体的沿面闪络电压能够达到0.5MPa纯SF6的水平[57-58]。
现阶段，针对真型GIS、GIL设备下的C4F7N混合气体雷电冲击、操作冲击特性研究较少。从设备研发的角度，绝缘难点往往集中在冲击耐受特性，未来需要基于实验室和真型设备的测试结果对气体组成、运行气压、设备结构等进行优化调整，以满足相关技术规范要求。
2.4 电子输运参数及临界击穿场强
对气体绝缘介质电子输运参数及临界击穿场强的研究能够从微观层面评估气体绝缘特性，揭示气体绝缘耐受机理。目前，针对电子输运参数的获取方法主要有稳态汤逊法和暂态汤逊法两种，其中稳态汤逊法能够获取电离、附着速率，暂态汤逊法则可以进一步揭示电子漂移速度、电子扩散系数、离子转化速率等参量，能更为全面地反映气体放电的微观过程。
H. E. Nechmi等基于稳态汤逊法研究了C4F7NCO2混合气体的有效电离系数及临界击穿场强，发现C4F7N-CO2混合气体的电子附着系数及临界击穿场强随C4F7N含量的增加而增大，C4F7N含量为6.7%、20%的混合气体临界击穿约化场强能够达到SF6的77%和100%[59]。武汉大学周文俊团队也基于稳态汤逊法对C4F7N-N2混合气体的电离系数及临界击穿场强进行了测试，指出C4F7N含量8%、20%的C4F7N-N2混合气体的临界击穿场强达到了305.93Td和407.43Td，分别为SF6的85%和115%[60]。西北工业大学赵虎等基于安托万方程（Antoine Equation）计算了C4F7N-CO2混合气体的饱和蒸气压特性，并分析了混合气体的临界击穿场强及应用潜力[61-62]。
苏黎世联邦理工大学C. M. Franck等利用脉冲汤逊装置（暂态汤逊法）测试了C4F7N、C4F7N-CO2、C4F7N-N2混合气体的电离、附着系数、总电子附着截面及临界击穿场强，指出C4F7N与N2、CO2之间均存在协同效应，18.5%C4F7N-81.5%CO2混合气体的临界击穿场强与SF6相当。混合气体的有效电离系数随E/N的降低迅速降低，这与C4F7N的强电子附着能力有关[63]。该团队在后续研究中发现离子动力学过程在C4F7N电离过程中扮演着重要角色，指出C4F7N放电过程中存在三种重要的负离子参与，并提出了表征C4F7N电离、附着等过程的动力学模型。另外，研究发现极不均匀电场高电场强度下C4F7N放电过程中阴离子组成会发生变化，电子附着过程也将更强烈地影响放电过程，导致混合气体在极不均匀电场环境下的相对绝缘性能降低[64]。
目前针对C4F7N混合气体临界击穿场强的计算多基于电子动力学和电子崩空间发展模型，未来需要进一步考虑离子动力学过程及电子崩时-空变化的影响，进一步完善绝缘强度的分析。另外，基于稳态汤逊法和暂态汤逊法获取的C4F7N混合气体电离、附着等参数能够揭示低气压环境下混合气体的放电特性，而高气压、长间隙下混合气体的流注放电过程与低气压存在差异。高气压下由于空间电荷的参与、阴极效应减弱、光电离等复杂电离模式的出现等因素影响，对C4F7N混合气体放电过程中所存在的复杂的微观物理化学过程还需要更深层次的研究与探讨。
综合来看，现阶段国内外针对C4F7N混合气体绝缘性能的研究从交、直流击穿特性、局部放电特性、雷电冲击特性、沿面闪络特性等多个维度均证实了其较为优异的绝缘性能。工程应用方面，通过对气压、混合比、设备结构等参数进行合理的选择及优化，C4F7N含量为6%~15%的C4F7N-CO2混合气体具备应用于各类中、高压气体绝缘输配电设备的潜力。
2.5 灭弧性能
目前，各类开关设备如断路器、负荷开关中主要以SF6为灭弧介质，这与其优异的电子亲和性和复原特性密切相关。同时，针对环保型气体C4F7N电弧开断性能的研究也取得了一定进展。
2016年，Y. Kieffel等将4%C4F7N-96%CO2混合气体充入额定电压为420kV的SF6隔离开关内（0.55MPa），并开展了1 000次C/O测试（1 600A，20V），4%C4F7N-96%CO2混合气体与SF6C/O操作燃弧时间对比如图3所示。试验发现C4F7N混合气体的电弧放电时间在100次操作中较为稳定，平均电弧放电时间约为12ms （SF6的典型值为15ms），且电弧触点的电磨损与SF6相似[65]。西安交通大学王小华团队测试了0.8MPa和0.6MPa下C4F7N分压为20kPa的C4F7N-CO2混合气体电流开断性能，发现0.8MPa下混合气体能够成功开断约2 000A电流，达到了SF6的69.9%[66]。
图3 4%C4F7N-96%CO2混合气体与SF6C/O操作燃弧时间对比（420kV 隔离开关）[65]
Fig 3 Arcing time versus C/O operation number on a 420kV disconnector for 4%C4F7N-96%CO2 mixture and SF6[65]
B. Lutz等基于IEC62271—102标准测试了0.65MPa下5%C4F7N-95%CO2混合气体的开断性能（测试平台为245kV GIS设备），指出混合气体能够实现带有隔离开关的母线传输电流（Bus Transfer Current, BTC）开断，开断时间在2~8ms之间。但对试验后混合气体的工频击穿及雷电闪络电压测试发现其耐受性能下降了20%以上，同时GIS内绝缘子表面出现大量固体物质析出，5%C4F7N-95%CO2气体BTC试验后绝缘子上的表面闪络和烟尘斑点轨迹如图4所示。另外，试验后混合气体中C4F7N的含量下降至3.6%，即C4F7N在开断过程中被消耗[67]。
图4 5%C4F7N-95%CO2气体BTC试验后绝缘子上的表面闪络和烟尘斑点轨迹[67]
Fig.4 Tracks of surface flashover and soot spots on an insulator after BTC tests for 5%C4F7N-95%CO2[67]
为解决C4F7N-CO2混合气体开断过程中出现的固体析出问题，部分学者提出可以通过加入少量O2作为以抑制混合气体中C4F7N的分解和碳析出。B.Radisavljevic等测试了9.5%C4F7N-9.5%O2- 81%CO2混合气体的开断性能，发现混合气体的di/dt为9A/μs，与92%CO2-8%O2混合气体相同。另外，试验结束后气室内气压增加了150kPa（温升效应影响约为40kPa），这与C4F7N发生分解产生多种组分有关[68]。V. Hermosillo等在145kV GIS和高压罐式断路器中充入0.8MPa的C4F7N-CO2-O2混合气体并测试了开断性能，研究发现混合气体能够成功开断出线故障（Terminal fault, TF）、近区故障（Short-Line Fault,SLF）所产生的63kA短路电流，且断路器设计寿命内的耐电性可以达到450kA²⋅s[69]。
需要指出的是，由于C4F7N相对分子质量大且分子结构较为复杂，其作为灭弧介质使用时性能与纯SF6存在较大差异。另外，高能电弧瞬态能量会导致C4F7N在开断中被持续分解消耗，大量解离的粒子无法完全复合为C4F7N，产生诸多绝缘性能较低的小分子产物的同时也会引发固体碳氟分解物析出，因此针对C4F7N混合气体作为灭弧介质的应用研究还需要深入探索，未来需要重点关注灭弧场景下的气体组分的最优配方、气体分解物和固体析出物抑制方案等，同时需要对断路器结构、触头材料、辅助灭弧手段等进行优化或改进，以满足相关技术标准及使用寿命要求。
3 C4F7N混合气体的电、热分解特性
优良的气体绝缘介质不仅需要绝缘或灭弧特性优异，也应具备良好的电、热稳定性，以保障设备长达数十年的运行服役周期或检修周期内气体绝缘介质组成不会发生大的变化，设备绝缘水平、运行稳定性及可靠性能够满足要求。因此，对环保绝缘气体电、热稳定性及分解特性的考察是评估其应用可行性的重要组成部分。
3.1 C4F7N混合气体放电分解特性
气体绝缘介质在强电磁环境下的放电分解主要由碰撞电离、光电离和热电离等因素引发，电离过程将产生诸多带电或中性粒子。同时，带电粒子或中性粒子间将发生复合反应，形成各类分解组分，部分粒子也可能逃逸或扩散到非放电区域（如气室壁等），不再参与放电过程。因此，气体绝缘介质放电稳定性及分解过程与放电过程中的电离、复合及扩散等过程密切相关。
目前针对C4F7N混合气体放电分解特性的研究也取得了一定进展。局部放电分解方面，ABB公司P. Simka等利用针-板电极作为局部放电源并基于气相色谱质谱联用仪（Gas Chromatography-Mass Spectrometry, GC-MS）、傅里叶红外光谱仪（Fourier Transform-Infrared Spectroscopy, FTIR）分 析 了4%C4F7N-96%CO2混合气体（0.1MPa）长期局部放电下（23天）的分解产物，发现混合气体PD分解产生了CF4、C2F6、C3F8、C3F6、CO、COF2、C2F4O、CF3H、CF3CN、C2F5CN、C4F6、C4F10、2-C4F8等[70]。中国科学院电工技术研究所张国强团队基于针-板电极模型测试了C4F7N与CO2、N2、空气三类缓冲气体构成的二元混合气体的PD分解特性，指出混合气体分解主要产生了CO、CO2、CF4、C2F6、C2F4、C3F8、C3F6、C4F10、CF3CN、C2N2和C2F5CN等产物，且C4F7N-CO2混合气体分解产生CO的含量高于C4F7N-N2及空气[71-72]；C4F7N-空气混合气体PD放电分解还产生了CF3CF=CFCF3、CF3C≡CCF、C2F6O3和CF3H等产物，产物中全氟化碳和CF3CN的生成量随PD施加电压的增加而持续增大，随C4F7N含量增加呈饱和增长趋势[73]。该团队还探究了微量水分对C4F7N-N2混合气体PD分解特性的影响情况，发现分解产物中CO2的含量最高，CF4次之；随着气室内微量水分的增加，CO2的生成量呈饱和增长趋势，而CF4、C2F6、C3F8、C3F6的含量则呈先降低后增加趋势。另外，PD放电后电极表面出现了淡黄色固体析出，主要元素组成包括C、N、F等[74]。华北电力大学屠幼萍团队构建了悬浮电位PD模型并探究了C4F7N-CO2混合气体的PD分解特性，指出CF4、C2F6、C3F8、CF3CN是主要生成物，且CF4、C3F8的生成量随PD持续时间呈非线性增长趋势[75]。
另外，湖北工业大学张晓星团队利用针板电极模拟金属突出物缺陷对15%C4F7N-85%CO2混合气体开展了96h局部放电分解试验，检测到了CO、CF4、C2F6、CF3CN、C2N2、C3F8、C3F6、C2F5CN、COF2等特征分解产物，其中CO、CF4、C2F6、CF3CN、C2N2的含量较高，同时试验后板电极中心外围区域出现了明显的颜色变化，中心区域呈灰金色且外围为环状红褐色区域，15%C4F7N-85%CO2气体96h PD试验后板电极形貌及元素分布如图5所示。这一现象表明局部放电条件下C4F7N-CO2混合气体解离产生的部分产物/粒子对板电极构成了腐蚀，产生大量片状类晶体物质且片与片之间存在明显裂痕，腐蚀区域表面铜元素分布不再均匀，部分区域Cu的含量明显降低（见图5c Cu-EDS 暗光区域）而F的含量明显较高（见图5d F-EDS高光区域），表明腐蚀析出物主要为氟化物。
图5 15%C4F7N-85%CO2气体96h PD试验后板电极形貌及元素分布
Fig.5 Electrode morphology and element distribution of the plate electrode after 96h PD test with 15%C4F7N-85%CO2
工频击穿（火花放电）分解特性方面，西安交通大学李兴文团队测试了C4F7N-CO2混合气体在2000次工频击穿过程中的分解情况，检测到了CO、CF4、C2F4、C2F6、C3F6、C3F8、C4F6、C4F10、CF3CN、C2N2、C2F5CN、HCN、C2F3CN和HF等产物，指出混合气体的绝缘性能在多次击穿后有所降低；四种可定量分析的产物中，CO、CF4、C2F6和C3F6的含量随击穿次数呈近似线性增长趋势，其中2 000次击穿后CO含量最高（0.42%），CF4、C2F6、C3F8次之。另外，试验后气室及电极表面出现黄色固体析出，主要元素组成为Cu、F、N、Si[76-77]。湖北工业大学张晓星团队测试发现C4F7N-N2混合气体工频击穿后产生的CF4、C2F6和CF3CN等小分子产物含量较高[78]。西门子公司J.Wiener等指出C4F7N-N2混合气体在击穿测试后在电极表面析出黄褐色固体物质，而C4F7N-CO2混合气体未出现固体物质析出[79]。另外，湖北工业大学张晓星团队针对O2对C4F7NN2、C4F7N-CO2混合气体放电分解特性的研究发现，4%~6%O2的加入能够多次放电后电极表面固体物质析出（C4F7N-N2效果更为明显），同时特征分解产物CF4、C2N2、CF3CN的含量相对二元混合气体有所减少，但COF2的含量有所增加[41-42,44]。
电弧放电分解方面，ABB公司B. Radisavljevic等对9.5%C4F7N-9.5%O2-81%CO2混合气体的电弧开断特性（0.5MPa）及分解情况进行了测试，指出C4F7N混合气体燃弧过程会引发气室气压增加30%，这与C4F7N的分解有关。另外，混合气体电弧放电分解主要产生了CO、CF4、C2F4、C2F6、C3F6、C3F8、CF3CN、C2F5CN和C2N2等产物，C4F7N在电弧放电分解产生的粒子并不能复原[68]。通用电气F.Meyer等基于145kV GIS样机开展了6%C4F7N-4.9%O2-89.1%CO2混合气体开断试验，指出试验后C4F7N含量降低了0.48%；各类分解产物中CO含量最高（1.91%），CF4、C2F6、C3F8的总含量为0.22%，COF2、CF3CN含量分别为0.012 %、0.017%，其他组分的含量均在0.004%以下[80]。
整体而言，目前针对C4F7N混合气体放电分解特性的试验研究表明C4F7N在电子碰撞电离主导的局部放电以及碰撞电离、高温热电离共同主导的火花、电弧放电条件下均会发生分解，产生CO、全氟化碳、氟化腈、COF2等诸多小分子分解产物，且C4F7N在放电分解后并不能完全复原。另外，高能放电下C4F7N-N2相对于C4F7N-CO2混合气体更易析出固体物质，O2的加入能够在一定程度上抑制固体析出物及部分气体分解产物的生成，提升混合气体应用的可靠性。同时，考虑到各类型放电引发的C4F7N分解随放电次数、强度等呈线性增长趋势，即混合气体中的C4F7N处于不断被消耗的状态，因此工程应用中需要关注混合气体中C4F7N的含量，以避免C4F7N持续消耗引发的绝缘劣化给设备运行可靠性带来的影响。未来，需要进一步构建放电能量与分解产物间的关联关系，同时探索放电分解产物的抑制方案，进一步提升混合气体的放电稳定性。
3.2 C4F7N混合气体局部过热分解特性
针对C4F7N及其混合气体热稳定性的研究主要考察其热分解温度、产物类型及含量等。
2016年，通用电气Y. Kieffel等采用管式炉对C4F7N-CO2混合气体的热稳定行进行了测试，发现热分解起始温度约为650℃，880℃时混合气体中的C4F7N完全分解。CO是650℃时最先检测到的分解产物，且在775℃以上温度下大量产生；700℃时开始产生了C2F6、HF，而COF2、CF3CN、C2F5CN三类分解产物在800℃以上温度下被检测到。另外，在120℃下对C4F7N开展了200天的长期热老化试验也证实了其热稳定性良好，C4F7N及C4F7N-CO2混合气体的热稳定与热分解特性测试结果如图6所示[27]。需要指出的是，Y. Kieffel等试验采用流动通气方案且C4F7N含量约为0.05%，并基于FTIR实时检测不同温度下的分解产物，与实际设备运行工况下的混合比、气压等存在较大差异。
图6 C4F7N及C4F7N-CO2混合气体的热稳定与热分解特性测试结果[27]
Fig 6 Thermal stability and thermal decomposition test results of C4F7N and C4F7N-CO2 gas mixture[27]
西安交通大学李兴文团队也基于管式炉平台对10%C4F7N-90%CO2混合气体的热稳定性进行了测试，发现混合气体的起始热分解温度为500℃，主要产生了CF3CN、C3F6、C2F5CN和C4F10四类分解产物，当温度继续升高到700℃时，CO、C2F4、C2F6、C3F8、C2N2等产物被检测到[81]。
湖北工业大学张晓星团队模拟局部过热性故障，研究了不同温度、气压下C4F7N混合气体的热稳定性及分解情况，发现C4F7N-CO2混合气体的局部过热（350~550℃）分解组分主要有C3F6、CO、CF3CN、C2N2、COF2、CF4和C3F8，而在试验温度区间内未检测到C2F5CN、C2F6。混合气体在350℃分解率先产生C3F6，450℃以上时C3F6、C2N2的含量随温度增加开始降低，而CF4、C3F8则在550℃时开始大量生成；C4F7N在550℃时开始大量分解。另外，C4F7NCO2混合气体各类分解产物的生成量随气压的增加而降低，且大多数产物含量在0.3MPa时快速下降并趋于稳定，这与C4F7N解离反应的速率常数随气压的增长小于线性有关[82]。另外，中国科学院电工技术研究所张国强团队对10%C4F7N-90%CO2混合气体的热分解特性测试发现700℃下试验6h后，气室内壁有黄褐色固体物质析出，主要成分为FeF2和FeF3[83]。
整体上，现有的研究证实了C4F7N-CO2混合气体的热分解起始温度高于350℃且高气压条件下C4F7N的热分解被抑制。考虑设备正常运行时其内部温度一般不会超过120℃，C4F7N混合气体具有优良的热稳定性。未来，需要进一步探索微量杂质、O2等对C4F7N混合气体热稳定性和分解特性的影响情况，同时针对电、热联合作用下混合气体的稳定性还有待进一步研究。
3.3 C4F7N混合气体电、热分解机理
目前，针对气体绝缘介质放电分解机理的研究主要采用化学动力学模型，包括局部热力学平衡态化学动力学模型及非平衡态化学动力学模型两类。其中，局部热力学平衡态计算基于吉布斯自由能最小化方法，结合粒子的速度分布函数、化学计量守恒、准电中性条件等求解粒子组分、统计热力学参数和输运系数，通常用于揭示电弧放电等离子体的组分及物性参数[84]。需要指出的是，由于电弧自由衰减阶段电弧放电等离子体内部粒子数降低，电子能量无法通过弹性碰撞有效传递给各类重粒子，使得体系中电子温度高于重粒子，电弧等离子体偏离热力学平衡态；同时，由于电弧熄灭过程中温度迅速衰减，各类粒子组成的变化时间小于化学反应的平衡时间，即体系偏离化学平衡态，因此局部热力学平衡化学动力学模型不能较好地揭示低温电弧等离子体组分[85]。对于非平衡态化学动力学模型的求解，需要以化学反应及其反应速率为基础，结合化学动力学计算方法，求解气体绝缘介质在不同温度下的组分构成，该方法在研究SF6气体的放电分解机理中得到了广泛应用[86-87]。由于C4F7N的分子结构较为复杂，且针对其分解反应路径微观参数的相关试验较为缺乏，因此在开展化学动力学分析前需要全面、系统地构建C4F7N混合气体的分解路径，并计算获取各反应路径的热力学参数（包括焓值、活化能等），以揭示其分解机理并为化学动力学模型提供基础数据支撑。近年来，基于密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）的量子化学方法凭借计算精度高、参数广泛等优势为求解以C4F7N为代表的环保绝缘气体分解反应参数提供了新的思路。
湖北工业大学张晓星团队计算了C4F7N的键级（Mayer Bond Orders, MBO），发现C4F7N分子中CF3基团的C-F键MBO值在0.981~1.003之间，高于分子中心碳原子的C-F键（0.964）。中心C原子与CN基团C原子形成的C-C键MBO为0.917，而与CF3基团中的C原子形成的C-C键MBO仅为0.78，是所有化学键中键级最小的。C4F7N分子的MBO键极如图7所示。综合来看，C4F7N分子中心C原子与CF3基团中的C原子之间的化学键强度最低，在电子碰撞、高温等条件下可能最先发生解离。另外，C4F7N分子的亲电区域集中在碳原子附近，而F原子和CN基团则为分子的电离位点[88]。
图7 C4F7N分子的MBO键极
Fig.7 Mayer bond orders of C4F7N molecule
基于C4F7N分子结构特性，湖北工业大学张晓星团队[89]，西安交通大学荣命哲、王小华、李兴文团队[76,90-91]，华北电力大学屠幼萍团队[75]，中国电科院电工技术研究所张国强团队[71-72]，西安理工大学付钰伟[92-94]，武汉大学王宝山[95]等逐步全面、系统地构建了各类条件下C4F7N的分解路径及产物生成路径，并基于DFT和计算了各路径的焓值、自由能等热力学参数，研究发现C4F7N分解产生CF3和C3F4N这一路径的焓值是所有解离路径中最低的（见图8）。C4F7N解离产生的CF3、C3F7、CF2、F、CN等粒子更倾向于复合形成CF4、C2F6、C3F8、CF3CN、C2F5CN等小分子产物。另外，基于过渡态理论（Transition State Theory, TST）进一步对C4F7N混合气体的分解、复合路径活化能、反应速率等开展了大量研究，丰富和完善了C4F7N混合气体的分解机理，为基于化学动力学模型的组分计算及物性参数分析提供了基础数据支撑（相关参数可从文献[87-93]中获取）。
图8 C4F7N解离各路径焓值
Fig.8 Enthalpy of C4F7N dissociation paths
化学动力学模型计算方面，西安交通大学荣命哲团队利用局部热力学平衡态化学动力学模型计算了C4F7N及C4F7N-CO2混合气体在3 000~30 000K温度区间内的粒子组分及输运系数（热导率、电导率、黏性系数、扩散系数）[96]。西安交通大学李兴文团队考虑局部热力学平衡及非化学平衡动力学模型分析了C4F7N放电分解的组分，指出局部热力学平衡下C4F7N在600K时开始分解，700K时分解量达到50%且C2F3N这一组分的含量达到峰值；考虑非化学平衡态的计算结果显示当电弧温度低于1 000K时，反应能垒在决定组分构成中起着重要作用[90]。东南大学仲琳琳等分析了缓冲气体对C4F7N放电组分的影响，指出C4F7N-CO2混合气体相对C4F7N-N2具有更为优异的绝缘复原特性[97]。日本名古屋大学Y. Yokomizu等分析了C4F7N-CO2-O2混合气体的300~20 000K温度区间内平衡态组分组成，并重点讨论了放电过程中固体产物的析出机理[98]。
另外，湖北工业大学张晓星团队提出了基于反应分子动力学模拟（ReaxFF Molecular dynamics,ReaxFF-MD）探究C4F7N等气体绝缘介质热分解机理的新方法[88,99-101]。基于ReaxFF模拟获取的C4F7N热分解粒子产生过程（T=1 900K）如图9所示。研究发现C4F7N-CO2混合气体热分解主要产生CF3、CF2、CF、CN、F、CNF、C3F7、C3NF4、C4NF6、CF4和C3F8等粒子，其中CF3的生成量是所有产物中最高的，CN、CF2、CF、CNF和F的生成量相近，C3F7、C3NF4和C4NF6的生成量较低；随着温度的升高，C4F7N的分解量、分解速率及产物粒子的生成量、生成速率均呈增加趋势（图9）[88]。
图9 基于ReaxFF-MD模拟获取的C4F7N热分解粒子产生过程（T=1 900K）
Fig.9 Thermal decomposition particle generation process obtained based on ReaxFF-MD（T=1 900K）
整体上，目前针对以C4F7N混合气体为代表的环保绝缘气体分解机理研究方法较为全面，通过密度泛函理论、过渡态理论结合反应分子动力学、化学平衡态模型能够揭示气体绝缘介质的电、热分解机理，包括反应路径热力学参数、输运系数等。由于现有的计算多基于中性粒子，对电子、离子等参与下的分解路径热力学参数等还需要进一步丰富完善。同时，针对微量杂质存在时的分解机理也有待进一步探索。另外，由于化学动力学模型多用于分析电弧放电分解过程的微观粒子组分，针对火花放电、局部放电分解机理的研究还需要考虑电弧等离子体区和绝缘气体区之间的离子飘移、扩散、复合等过程的影响，联合数值模型和化学动力学模型进一步揭示其放电分解机理。
4 结论
本文综述了近年来关注度较高的环保绝缘气体C4F7N的绝缘性能、灭弧性能及电、热分解特性研究现状，分析了其应用于各类中、高压气体绝缘输配电设备的可行性。基于相关研究进展，针对环保绝缘气体C4F7N基础绝缘及分解特性做出如下展望：
1） 绝缘性能方面，目前针对C4F7N混合气体工频/直流击穿、局部放电、沿面闪络、雷电冲击等特性的测试均证实了其优异的绝缘性能，其中CO2相较于N2、空气更适合作为缓冲气体。C4F7N含量为6%~15%的C4F7N-CO2混合气体具备应用于中、高压气体绝缘输配电设备的潜力；受限于最低运行温度（-25℃），高压设备应用场景下混合气体无法达到纯SF6的绝缘水平，需要进一步增加缓冲气体含量并提高设备运行气压以提升绝缘性能。未来需要进一步考虑设备绝缘结构、气压及制造成本，开展真型设备中的绝缘性能测试及评估，确保其应用性能达标。理论层面，还需要进一步全面获取气体基础放电参数如碰撞截面、电子输运参数等，结合考虑离子动力学等过程评估其基础绝缘性能和绝缘劣化机制。
2）灭弧性能方面，现有的研究证实了C4F7N-CO2混合气体具有开断母线传输电流（负荷电流）的潜力，但存在开断后气体绝缘性能下降明显、固体物质析出严重等问题，这与C4F7N分子结构复杂、复原特性较差等密切相关。未来，需要进一步优化C4F7N混合气体作为开断介质的配方，同时对断路器断口结构、辅助熄弧手段、断路器绝缘材料等进行优化，以提升开断成功率和使用寿命，减少或抑制C4F7N气体分解和固体产物析出，实现其灭弧场景的可靠应用。
3）热稳定性及分解特性方面，现有的研究证实C4F7N-CO2混合气体具有优异的热稳定性，初始热分解温度高于350℃且高气压下（0.3MPa以上）混合气体的热稳定性显著优于低气压（0.15MPa）条件。未来，需要进一步厘清微量杂质、氧气等对C4F7NCO2混合气体的热稳定性及分解特性的影响情况，同时开展电、热联合作用下的分解特性研究，考察实际工况下混合气体的热稳定性。
4）放电分解特性方面，现有的研究厘清了C4F7N-CO2混合气体在火花、PD放电、电弧放电等条件下的放电分解产物类型及相对含量，发现混合气体放电分解主要产生了CO、CF4、C2F6、CF3CN、C2N2、C3F8、C3F6、C2F5CN、COF2等特征分解产物，其中CO、CF4、C2F6、CF3CN、C2N2等小分子产物含量较高。但针对不同气压、PD强度、微量杂质等因素下的放电分解特性研究尚缺，同时由于部分含CN基团分解产物缺乏标准气体，产物定量存在一定难题。未来，需要重点关注PD及火花放电下C4F7N的分解特性，尤其是固体析出问题及C4F7N分解对气固界面绝缘产生的影响。理论方面，需要构建考虑电子、离子等参与下的C4F7N混合气体解离体系，结合化学动力学模型、数值仿真等方法揭示不同放电类型下C4F7N分解及产物生成过程中的粒子变化规律、固体产物析出机理等。
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