图1 ±400 kV直流穿墙套管三维模型
Fig.1 ±400 kV DC wall bushing 3D modeling
摘要 ±400 kV直流穿墙套管为连接外部电场和内部阀厅的重要设备，然而现有研究中环保型气体——干燥空气、CO2以及C4F7N（全氟异丁腈）混合气体的数据并不完全适用于直流穿墙套管，因此研究直流穿墙套管典型电场结构的环保型气体的绝缘特性有重要意义。该文首先仿真分析了±400 kV直流穿墙套管的电场分布，得到穿墙套管内部整体电场分布呈现出两端低中间高的特征，电场强度最大值出现在中间穿墙筒体屏蔽罩端部圆弧处，并根据穿墙套管典型位置电场强度与不均匀度设计了不同类型的电极；其次，在正负极性直流电压下通过试验研究了0.5～1.0 MPa气压范围内不同电极形式、不同电极距离的干燥空气和CO2的击穿特性，以及0.1～0.6 MPa气压范围内球板电极、同轴电极下不同电极距离的C4F7N/CO2混合气体击穿特性，并将三种气体在相同条件下进行对比。试验结果表明：在气压过高时，干燥空气、CO2及C4F7N/CO2混合气体的击穿电压会呈现饱和现象；在相同条件下，干燥空气的绝缘性能是CO2的1.18倍，球板电极下，0.9 MPa干燥空气直流负极性击穿电压可达0.4 MPa SF6混合气体负极性击穿电压的77.2%，可用于±400 kV直流穿墙套管中。
关键词：SF6替代气体 干燥空气 直流击穿特性 直流穿墙套管
我国青海—西藏±400 kV直流联网工程是世界上首个±400 kV直流电压等级、海拔最高的直流输电工程，起于青海格尔木换流站，止于西藏拉萨换流站。超、特高压直流穿墙套管作为换流站中连接阀厅和直流场的唯一通道，是承载系统全电压、全电流的核心设备。±400 kV直流穿墙套管是高压引线绝缘的核心部件，其性能和质量对线路穿过墙壁时的绝缘隔离和连接过渡具有重要的作用。研究±400 kV直流穿墙套管的绝缘性能，一方面可以满足实际工程建设（特高压直流输电工程的换流站阀厅以及柔性直流输电工程）的需要，另一方面也可为更高电压等级（±800 kV、±1 000 kV）气体绝缘的穿墙套管的绝缘性能研究提供参考[1]。目前穿墙套管内部填充绝缘介质均采用SF6气体[2]，而在《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》中指出，要在2030年实现碳达峰，在2060年实现碳中和[3]。为响应国家政策，保护环境，寻找可替代SF6的环保型绝缘气体成为迫在眉睫的问题。
直流穿墙套管的绝缘保护主要是为了防止内部绝缘气体的击穿和空心复合绝缘子的沿面闪络，国内外对套管的设计主要围绕对电场的优化问题展开，合理地设置套管的内外部结构尺寸对电场优化极为重要。南方电网超高压输电公司曾令文对±500 kV超高压直流穿墙套管的电场分布进行了研究，结果表明，套管高电场强度区域集中在屏蔽层翻边位置及套管两端端头位置，使用均压环和屏蔽环能有效地提高套管绝缘稳定性[4]；山东大学张丽娜从空间电荷角度对±1 000 kV直流穿墙套管进行电场仿真分析发现，直流电压作用下空间电荷易积聚在套管内部从而造成电场畸变[5]。
国内外对环保型绝缘气体的研究主要集中于三个方向：①SF6混合气体，以SF6和N2、CO2混合为代表，但无法杜绝SF6的使用[6-7]；②强电负性气体及其混合气体，主要以C4F7N为代表，C4F7N作为绝缘介质，具有绝缘强度高、温室效应低、不可燃等优点[8-11]；③CO2、干燥空气等自然界常规气体，具有成本低、无环境影响等优点[12]。
SF6混合气体可以解决SF6液化温度高的问题，还可以减少SF6的使用，降低成本，减少温室效应[13]。华北电力大学李旭东等研究了SF6/N2和SF6/CO2的负极性雷电冲击特性，发现SF6/N2混合气体击穿电压增长速率与幅值均高于SF6/CO2混合气体，且随着SF6含量的增加出现饱和现象[14]；国家电网有限公司毛光辉等研究了SF6/N2混合气体雷电冲击协同效应，表明击穿电压会随着SF6含量的增大出现极性效应反转现象，呈协同效应，负极性下更为显著，并提出气体绝缘开关设备（Gas Insulated Switchgear, GIS）中选择气体参数时应尽量保持SF6体积分数在20%～25%范围内，此范围内协同效应最强[15]。但SF6混合气体只能作为一个过渡方案，并不能从根本上解决SF6气体对环境的危害。
C4F7N液化温度为-4.7℃，须与CO2、N2以及空气等液化温度较低的缓冲气体配合使用[16-17]。G. John等在2018年指出，C4F7N/CO2混合气体的工频击穿电压规律符合巴申曲线，且混合气体的击穿电压随着C4F7N占比的增加而增加[18]；武汉大学周文俊团队研究了在0.1～0.7 MPa下，C4F7N分别与三种缓冲气体CO2、干燥空气和N2混合后的绝缘性能，发现C4F7N/N2混合气体在放电条件下出现炭析出与积累，其绝缘性能大幅降低，而C4F7N/CO2混合气体在放电后电极表面附着物较少且击穿点分散，并未明显改变电极间的均匀电场分布[19]；华北电力大学屠幼萍团队对极不均匀电场下C4F7N/CO2混合气体的直流击穿特性进行了研究，结果表明在极不均匀电场下，C4F7N/CO2混合气体负极性击穿电压随着气压的增加而增大，C4F7N/CO2混合气体击穿特性的极性效应显著[20]。
由于出色的环保特性，自然界常规气体如CO2与干燥空气也受到国内外研究学者的重视[21]。中国电科院王欢等研究了CO2在均匀电场与稍不均匀电场中的击穿特性，指出0.6 MPa的CO2的绝缘强度相当于0.3 MPa的SF6[22]。上海交通大学满林坤等研究了CO2雷电冲击特性，发现CO2的雷电冲击电压随着气压的增大具有饱和性，且存在显著的极性效应，负极性冲击电压明显低于正极性冲击电压[23]。韩国海洋大学G. C. Shin等开展了干燥空气的局部放电实验，指出当气压为0.4 MPa时，球板电极的干燥空气局部放电起始电压与0.2 MPa下的SF6相同，当气压为0.5 MPa时，针板电极下的干燥空气局部放电起始电压与0.3 MPa下的SF6相同[24]。
目前对于干燥空气、CO2以及C4F7N/CO2混合气体的研究大多集中于均匀电场及极不均匀电场下的工频击穿特性，对于模拟±400 kV直流穿墙套管内部结构的同轴电极和球板电极所产生的稍不均匀电场的直流击穿特性研究较少，缺乏相关的试验数据。因此，为得到±400 kV直流穿墙套管内部典型位置的电场强度，本文首先仿真分析了±400 kV直流穿墙套管电场分布，根据仿真结果设计了不同电极类型来模拟穿墙套管内部典型位置，为选择能满足直流穿墙套管电场要求的气体提供依据；其次搭建了环保型气体绝缘特性试验平台，以干燥空气、CO2以及C4F7N体积分数分别为7%、13%、20%的C4F7N/CO2混合气体为研究对象，对干燥空气与CO2开展了0.5～1.0 MPa范围内不同电场形式下的正负极性直流电压击穿特性研究，并对C4F7N/CO2混合气体在0.1～0.6 MPa范围内进行了不同电极距离下的同轴电极与球板电极的正负极性直流电压击穿特性研究；最后在分析试验结果的基础上，讨论了试验气体在穿墙套管中替代SF6的可行性，可为环保型绝缘气体在±400 kV直流穿墙套管中的应用提供重要参考。
±400 kV高压直流穿墙套管拓扑结构复杂，特别是金属内屏蔽结构以及均压装置，其建模和模拟计算难度大，使用SolidWorks软件建立±400 kV直流穿墙套管三维模型如图1所示，包括空心复合绝缘伞裙、穿墙筒体、均压环、中心载流导体和内部屏蔽筒5个部分。
图1 ±400 kV直流穿墙套管三维模型
Fig.1 ±400 kV DC wall bushing 3D modeling
利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics仿真计算穿墙套管的电场强度分布[25]。仿真包括创建模型、选择激励源和边界条件、网格划分和细化、设置对应求解器、最后求解等步骤。施加在有限元模型上的载荷激励设置为：端部均压环和中心载流导体施加高电位（额定直流电压），中间穿墙筒体设置低电位。穿墙套管电场分布仿真结果如图2所示。
图2 ±400 kV直流穿墙套管电场分布仿真结果
Fig.2 Simulated distribution of electric field in ±400 kV DC wall bushing
穿墙套管内部为稍不均匀电场，电场分布整体呈现套管端部表面电场强度最低、中间穿墙筒体屏蔽罩端部圆弧处电场强度最大的特征，且内部电场类型不随施加激励的变化而变化，施加额定直流电压时电场强度最大值为5.56 kV/mm。均压环和屏蔽筒降低了套管电场畸变程度，使电压分布更加均匀，套管整体电场分布得到了改善。
可以将电场根据其电场强度分布的均匀程度分为均匀电场、稍不均匀电场和极不均匀场，电场不均匀度可用电场不均匀系数f表示。
（1）
式中，Emax为电极结构中的最大电场强度；Eavg为同等距离时均匀电场的电场强度。均匀电场下，f =1；稍不均匀电场下，1＜f＜2；极不均匀电场下，f ＞4。
仿真时施加额定工作电压，根据穿墙套管三维电场分布仿真结果取模型内部典型位置1～5如图3所示，计算各位置电场强度及电场不均匀系数，见表1。
图3 ±400 kV直流穿墙套管各典型位置等效替代
Fig.3 ±400 kV DC wall bushing equivalent substitution for each typical location
表1 穿墙套管不同位置的最大电场强度和电场不均匀系数
Tab.1 Maximum electric field strength and electric field inhomogeneity coefficient for different locations of wall bushing
位置Emax/(kV/mm)f 11.411.43 25.561.69 32.121.46 45.21.62 51.21.39
根据仿真结果设计板板电极、球板电极、针板电极以及同轴电极，来模拟穿墙套管内部典型位置不同电场均匀度下的环保型绝缘气体的击穿特性，为选择能满足直流穿墙套管电场要求的气体提供依据。各电极模型如图4所示，其中电极材料为铝。
图4 各电极模型
Fig.4 Model of each electrode
由于可通过研究绝缘介质在不同电场均匀度下的绝缘性能来充分了解其绝缘特性，因此设计板板电极来模拟均匀电场，以了解试验气体在均匀电场中理想情况下的绝缘性能。而实际电力设备中的极不均匀电场往往是由尖锐突出物以及金属微粒等缺陷造成的，气体绝缘介质对电场的敏感性成为影响其绝缘性能的直接因素。为了模拟极端情况下试验气体的绝缘性能，设计针板电极显得十分必要。针板电极直径为20 mm，针尖为半径为1 mm的圆角；球板电极为半径为15 mm的半球，可通过调节针板电极距离与球板电极距离来改变电场不均匀度。同轴电极通过改变电极半径来调节电极距离。
通过COMSOL Multiphysics软件对本文所用电极的电场分布情况进行模拟，计算得到各种情况下的电场不均匀系数，见表2。
表2 各电极的电场不均匀系数
Tab.2 Electric field inhomogeneity coefficient for each electrode
电极形式电极距离/mmf 板板电极1～51.0 球板电极1～151.04～1.80 针板电极3～256.8～37 同轴电极3～61.1～1.49
根据各电极与穿墙套管模型内部最大电场强度与电场不均匀系数，可将穿墙套管内部位置1～5分别用同轴电极、球板电极、同轴电极、球板电极和同轴电极来等效替代，如图3所示。
所用环保型气体直流绝缘特性研究平台如图5所示，直流试验回路可输出200 kV直流电压[26-27]，主要由直流调压器、工频试验变压器、保护电阻、电阻分压器等组成[28]。试验设备和性能参数见表3。
图5 环保型气体直流绝缘特性研究平台
Fig.5 Environmentally friendly gas DC insulation characterization platform
表3 试验设备参数
Tab.3 Test equipment parameters
设备名称参数用途 工频试验变压器最大输出100 kV容量10 kV·A提供试验电源 放电试验腔体容积21 L可承受压强1.6 MPa提供密闭环境，可带气压调节电极距离 保护电阻25 kΩ限制放电电流，保护变压器 电阻分压器分压比为1 000:1测量放电电压 直流调压器范围0～400 V调节施加电压 稳压电容0.2 μF, 50 kV0.2 μF, 100 kV倍压整流电路电容 高压二极管200 kV整流
试验装置中，盆式绝缘子将两个腔体隔开，用于支撑高压电极并使之与接地侧隔离。左侧腔体为进线端腔体，充入0.4 MPa SF6气体，高压通过套管引入进线端腔体内并与高压电极相连；右侧腔体为试验腔体，外侧为接地金属筒体。试验腔体侧面装有充/放气阀门，可通过阀门对腔体抽气或充气，阀门上方装有气压表来检测气体压力。石英玻璃窗由金属法兰密封安装于腔体上，可直接观察放电现象。电极间距调节螺杆可精确调节电极间隙距离，调节精度为0.25 mm，可实现0～40 mm的电极距离调节。
试验前需用干净的丝绸布沾无水乙醇对腔体内部及电极进行清洁处理。在试验腔体充气前需对腔体进行洗气，以免试验腔体中的残留水分及其他气体杂质对试验结果产生影响。
当试验气体为混合气体时，根据道尔顿分压定律，先充入主气（C4F7N），再充入缓冲气体至试验预设最高气压值，并静置12 h，待气体混合均匀后再进行试验。在完成相应击穿试验后，通过出气阀释放气体，将气压降低到下一组试验所需的气压水平。在进行直流击穿试验时，采用逐级升压法，记录混合气体的击穿电压。最终取得10组有效数据，并计算其平均值，以获取对混合气体击穿性能的综合评估。两组击穿试验的时间间隔为5 min。试验具体流程如图6所示。
液化温度是影响环保型绝缘气体实际工程应用的重要因素。尽管C4F7N具有优秀的绝缘性能，但其在0.1 MPa下的-4.7℃液化温度极大地限制了其实际应用。关于C4F7N混合气体液化温度的计算已有较多研究[29-30]。根据3M公司公布的饱和蒸气压数据和Wanger方程进行拟合，可以得到C4F7N/ CO2混合气体在不同气压下的液化温度随C4F7N体积分数的变化曲线，如图7所示。图中黑色虚线分别为针对C4F7N/CO2混合气体的-15℃、-25℃液化温度限制线。
图6 环保型气体绝缘特性试验流程
Fig.6 Environmentally friendly gas insulation characteristics test procedure
图7 C4F7N/CO2混合气体液化温度随C4F7N体积分数的变化曲线
Fig.7 Variation of liquefaction temperature of C4F7N/CO2 gas mixture with C4F7N percentage plot
±400 kV直流穿墙套管中常见的气体压力为0.4～0.6 MPa，考虑到电力设备在-15℃或-25℃可正常工作，表4列出了此情况下0.1～0.6 MPa气压范围内C4F7N/CO2混合气体中C4F7N的体积分数上限。
表4 穿墙套管在-15℃和-25℃可正常工作下C4F7N的体积分数上限
Tab.4 Upper limit of C4F7N ratio for normal operation at -15℃ and -25℃ for wall bushing
气压/MPa正常工作C4F7N的体积分数上限(%) -15℃-25℃ 0.1≤20≤20 0.2≤2018.5 0.3≤2012 0.4169 0.512.57.5 0.610.56.5
在0.1～0.6 MPa范围内，由图7和表4可知，若要满足±400 kV直流穿墙套管在-25℃、气体压力为0.6 MPa时仍然可以正常运行，C4F7N体积分数不应超过6.5%。在气候温和地区中，低气压高混合比也可满足要求，可根据不同的应用场景的环境来选择不同体积分数的C4F7N混合气体。因此，本文选择C4F7N体积分数为7%、13%和20%。
本文试验对象为CO2、干燥空气及C4F7N/CO2混合气体，其中CO2纯度为99.999%；干燥空气纯度为99.999%，N2与O2体积分数比为78:22；C4F7N纯度大于99.9%，水分含量小于10 μL/L，三种气体皆为平高集团提供。在低气压范围内，干燥空气与CO2绝缘性能较差，没有实际应用意义，因此取干燥空气和CO2试验气压为0.5～1.0 MPa；C4F7N/ CO2混合气体气压过高和C4F7N体积分数较大时易液化，因此取试验气压为0.1～0.6 MPa，C4F7N在混合气体中的体积分数为7%、13%和20%。为模拟穿墙套管的实际运行状态，C4F7N/CO2混合气体只进行了在球板电极及同轴电极下的试验。
均匀电场时，电极为板板电极（不均匀系数f =1.0），电极距离可调。图8为板板电极距离为3 mm和5 mm时干燥空气及CO2的直流击穿电压随气压的变化曲线。
图8 均匀电场下干燥空气和CO2直流击穿电压与气压的关系
Fig.8 Relationship between DC breakdown voltage and air pressure of dry air and CO2 under uniform electric field
由图8可知，干燥空气、CO2的直流击穿电压随气压的升高近似呈线性增长。电极距离为5 mm时，干燥空气在高气压下出现饱和趋势，CO2的直流击穿电压随气压变化的饱和趋势则不明显。相同条件下，干燥空气的绝缘性能明显强于CO2，随着气压的升高，干燥空气击穿电压上升速率也明显高于CO2。例如，在电极距离5 mm、0.5 MPa下，干燥空气和CO2的击穿电压分别为65.4 kV和55.3 kV；当气压增加到0.9 MPa后，两种气体的击穿电压则分别达到121.7 kV和94.2 kV，增长了86.1%和70.3%。
实际上，气压增加，自由电子形成的碰撞次数随着单位体积内气体分子数目的增加而增加，但行程过短，导致增加的动能不足以使分子发生碰撞电离，因而表现为击穿电压的上升。
试验电极采用针板电极时，电场不均匀度继续增大，此时电场为极不均匀电场，电极距离为5 mm和10 mm时干燥空气及CO2的直流击穿电压随气压的变化曲线如图9所示。
由图9可知，施加直流正极性电压时，5 mm下CO2与10 mm下干燥空气击穿曲线均呈现“N”形，其原因是：当电场不均匀系数增加到一定值时，会在针电极的针尖部分形成稳定且较厚的电晕层[31]，较厚的电晕层会部分改善电场的畸形分布。在气压较低的范围内时，增大气压带来的电子平均自由程减小起主导作用，所以增大气压则击穿电压随之增加；气压持续增大会削弱电晕层厚度，气体击穿电压增速则会趋于0，此时达到击穿电压极大值；气压继续增大，电晕层厚度削弱导致气体分子更容易电离且占据主导地位，此时击穿电压开始下降，当气压增加到某一值时，增大气压带来的电子平均自由程减小所起作用与电晕层削弱导致气体分子易电离所起作用达到平衡，此时击穿电压达到极小值；当气压再次增大，此时电晕层较为稀薄，气压增大所带来的电子自由程减小占据主导地位，击穿电压随着气压的增大而增大[32]。
图9 极不均匀电场针板距离5 mm和10 mm下，干燥空气和CO2直流击穿电压与气压的关系
Fig.9 DC breakdown voltage versus air pressure for dry air and CO2 at 5 mm and 10 mm distances from the needle plate in a very inhomogeneous electric field
施加直流正极性电压时，CO2击穿电压大于干燥空气击穿电压，这与均匀电场和稍不均匀电场下的情况均不同。气体在极不均匀电场中的绝缘性能相比均匀电场中所下降的程度称为该气体对电场不均匀度的敏感性[33]。在均匀电场中，干燥空气的击穿电压大于CO2，而在极不均匀电场中，CO2正极性击穿电压大于干燥空气正极性击穿电压，与均匀电场相比，干燥空气直流正极性击穿电压的下降程度高于同一条件下的CO2气体，因此干燥空气对电场不均匀度的敏感性高于CO2。
3.3.1 球板电极
稍不均匀电场下，电极为球板电极时，设定电极距离为4 mm，不同混合比的C4F7N/CO2混合气体、干燥空气以及CO2的直流击穿电压与气压的关系如图10所示。
由图10可知，不同混合比的C4F7N/CO2气体的直流击穿电压近似线性增长，当气压从0.5 MPa增加到0.6 MPa时，C4F7N体积分数为7%和13%的C4F7N/CO2混合气体直流正极性击穿电压的上升速率分别增加了17.8%和11.8%，大于干燥空气和CO2的2.9%和10.4%，而干燥空气与CO2的直流击穿电压相差不大，在高气压下干燥空气直流击穿电压略大于CO2击穿电压。试验气体存在直流正极性击穿电压大于其负极性击穿电压的现象，极性效应明显。
图10 稍不均匀电场球板电极下C4F7N/CO2混合气体、干燥空气和CO2直流击穿电压与气压的关系
Fig.10 DC breakdown voltage of C4F7N/CO2 gas mixture, dry air and CO2 as a function of air pressure at the electrode of a spherical plate with slightly inhomogeneous electric field
在0.5 MPa下，CO2直流正极性击穿电压为53.9 kV，加入7%C4F7N后击穿电压达到112.1 kV，提升了107.98%，因此，在CO2中加入少量C4F7N可明显提升其绝缘性能。而当C4F7N体积分数从7%增加到13%时，正极性击穿电压从112.1 kV增加到129.1 kV，增加了15.2%，且C4F7N混合气体的绝缘性能高于纯CO2和干燥空气。
C4F7N气体分子具有较大的体积和分子电离能，相较于干燥空气与CO2气体，C4F7N分子有较强的电负性和更大的附着截面[34]。C4F7N分子随着占比的增加能够捕获更多的自由电子，电子崩初始阶段和进一步发展会被削弱，因此少量C4F7N就能大大提高CO2的绝缘性能。
在稍不均匀电场下提高C4F7N的混合比例可以有效地提高C4F7N/CO2混合气体的绝缘强度，C4F7N混合气体在电气绝缘方面具有一定的优势，尤其是应用在高压直流穿墙套管中可能更为有效。
3.3.2 同轴电极
稍不均匀电场下，试验电极采用同轴电极，当同轴间隙为5 mm和6 mm时，不同混合比的C4F7N/ CO2混合气体、干燥空气以及CO2的直流击穿电压与气压的关系如图11和图12所示。
图11 稍不均匀电场同轴间隙5 mm电极下，C4F7N/CO2混合气体、干燥空气和CO2直流击穿电压与气压的关系
Fig.11 DC breakdown voltage versus air pressure for C4F7N/CO2 gas mixture, dry air and CO2 at 5 mm electrode with slightly inhomogeneous electric field coaxial gap
图12 稍不均匀电场同轴间隙6 mm电极下，C4F7N/CO2混合气体、干燥空气和CO2直流击穿电压与气压的关系
Fig.12 DC breakdown voltage versus air pressure for C4F7N/CO2 gas mixture, dry air and CO2 at 6 mm electrode with slightly inhomogeneous electric field coaxial gap
同轴间隙为6 mm时，0.9 MPa干燥空气正极性击穿电压可达到0.6 MPa下7%C4F7N/CO2混合气体正极性击穿电压的81.9%；同轴间隙为5 mm时，随着气压增大，C4F7N体积分数为7%和13%的C4F7N/CO2混合气体击穿电压呈线性增加，而20% C4F7N/CO2混合气体在0.5 MPa和0.6 MPa气压下的击穿电压相差不大，表现出饱和现象，且C4F7N混合比例越高，饱和现象越明显。例如，20% C4F7N/CO2混合气体正极性击穿电压在气压从0.4 MPa升高到0.5 MPa时，击穿电压提高了31.0 kV，而当气压继续从0.5 MPa升高到0.6 MPa后，击穿电压只提高了5.0 kV。C4F7N气体因其强电负性，能吸附低能电子，随着气压升高和C4F7N占比增加，混合气体击穿电压也不断增加。但随着C4F7N占比继续增大，能够吸附的电子数量会相对减少，因电子吸附能力已达极限，电离不再受吸附电子的影响，继续增加混合比便不再显著提高击穿电压。20%C4F7N/CO2的击穿电压上升速率是13% C4F7N/CO2的1.16倍，是7%C4F7N/CO2的1.2倍。
在气体绝缘介质被击穿的过程中，气压较低时，某些因素对击穿电压的影响不大，而气压较高的时候，这些因素的影响就会被放大。例如，电极表面状态、电极面积、极间距离等因素会使得击穿电压出现饱和现象[35]。
由图12可知，当同轴间隙为6 mm时，几种试验气体击穿电压随气压的变化趋势与同轴间隙5 mm下的变化趋势相同。
由图11和图12可知，几种试验气体的正极性击穿电压大于负极性击穿电压，存在明显的极性效应。同轴电极下空间电荷的运动规律如图13所示。
图13 同轴电极下空间电荷的运动规律
Fig.13 Law of space charge motion under coaxial electrodes
中间导体表面附近区域在负极性电场强度增加到某一定值时会发生电离。在电场力作用下，电子朝着同轴电极屏蔽筒漂移，此时气体分子会受到电子撞击，从而发生电离并产生更多电子。与此同时，中间导体表面附近区域的电场强度由于剩余空间电荷的影响则继续增大，发射电子的速率持续增加，导致间隙中气体分子电离速度也不断增加，具体表现为负极性击穿电压较低。在中间导体电极施加正极性电场时，初始阶段电离释放的电子会直接进入中间导体电极并与之复合（而不会产生电场为负极性时间隙发生的电子崩），中间导体表面附近区域的电场强度由于剩余正电荷的影响则会被削弱，电子发射受到抑制，具体体现为正极性击穿电压较高。与负极性相比，正极性电极间的电离作用较小，导致正极性的击穿电压高于负极性[36]。
±400 kV直流穿墙套管通常运行在0.4～0.5 MPa的气压下。在这种情况下，负极性直流电场下的击穿电压仅为正极性的70%～80%。
当同轴间隙分别为5 mm、6 mm时，C4F7N体积分数分别为7%、13%和20%的C4F7N/CO2混合气体直流正极性击穿电压随气压变化曲线如图14所示。
图14 稍不均匀电场同轴间隙5 mm、6 mm电极下，C4F7N/CO2混合气体直流正极性击穿电压与气压的关系
Fig.14 DC positive polarity breakdown voltage versus gas pressure of C4F7N/CO2 gas mixture at slightly inhomogeneous electric field coaxial gap 5 mm and 6 mm electrodes
由图14可知，随着气压的增大，同轴间隙5 mm下的击穿电压明显大于同轴间隙6 mm下的击穿电压。要提高气体击穿电压，第一可以增大气压，使得气体分子更加密集，平均自由程缩短，气体分子电离困难，击穿电压提高；第二可以增大电极距离，使电子在空气中移动的距离增加，从而降低电场强度，提高气体击穿电压；但在同轴电极下，想要提高气体击穿电压需要考虑电场不均匀度以及空间电荷的综合影响。研究同轴电极中环保型气体的击穿特性对于环保型气体在高压直流穿墙套管中的应用有实际指导意义。
综合气体击穿的试验结果，0.1～1.0 MPa气压范围内，三种气体中C4F7N/CO2混合气体的绝缘性能最优，通过提高C4F7N/CO2混合气体压力或者增加混合气体中的C4F7N体积分数可以提高击穿电压，来满足±400 kV直流穿墙套管的正常工作情况；而CO2气体的绝缘性能最差，击穿电压远低于C4F7N/CO2混合气体，即使提高气压，其绝缘性能提升也不明显；干燥空气的绝缘性能介于二者之间。
C4F7N具有较高的液化温度，即使加入CO2作为缓冲气体，过高混合比的C4F7N/CO2混合气体也会在低温环境下液化，从而导致 ±400 kV直流穿墙套管在极端情况下的绝缘性能急剧下降；C4F7N/ CO2混合气体在高气压情况下也容易液化，从而造成绝缘性能下降。虽然提高气压可以使干燥空气的绝缘性能接近C4F7N/CO2混合气体，但是气压过高时其击穿电压的提升却不明显；同时气压过高也会给设备气密性带来挑战。C4F7N/CO2混合气体的全球变暖潜势（Global Warming Potential, GWP）值相对于SF6有很大程度的降低，但仍会对环境造成影响，且C4F7N/CO2混合气体中仍含有F元素，不符合环境保护的趋势；而干燥空气的GWP值为零，无温室效应。
当SF6作为±400 kV直流穿墙套管的绝缘介质时，穿墙套管内部气压处于0.4～0.6 MPa范围内，在不改变设备结构的情况下，0.5 MPa的13% C4F7N/CO2混合气体可替代SF6作为绝缘介质使用；对于干燥空气，则需要提高设备的可承受气压。综合分析表明，稍不均匀电场球板电极6 mm间隙情况下，施加直流负极性电压时，0.4 MPa下SF6击穿电压为142.3 kV，0.9 MPa下干燥空气的击穿电压可达0.4 MPa下SF6击穿电压的77.2%[37]。为了尽可能地降低GWP值，响应国家政策，顺应国际形势，建议使用气压为0.9 MPa的干燥空气，但这同时对设备的耐受气压提出了更高的要求。
本文构建了±400 kV高压直流穿墙套管模型，通过仿真得到了其电场分布，并通过试验研究了0.1～1.0 MPa气压范围内不同电极形式、电极距离的干燥空气、CO2和不同混合比的C4F7N/CO2混合气体在直流正极性和负极性电压作用下的击穿特性，得到以下结论：
1）通过仿真计算得出，在额定直流电压作用下，穿墙套管整体电场分布呈现两端低中间高的特征，最大电场强度位于中间穿墙筒体屏蔽罩端部圆弧处，为5.56 kV/mm。均压环和屏蔽筒降低了套管电场的畸变程度，使电压分布更加均匀，套管整体电场分布得到了改善。
2）板板电极均匀电场下，干燥空气与CO2直流击穿电压随气压升高具有较好的线性增长关系。在针板电极极不均匀电场下，施加直流击穿电压时气体击穿电压随气压的升高呈线性增加趋势；CO2正极性击穿电压大于干燥空气正极性击穿电压，电极距离5 mm时CO2以及电极距离10 mm时干燥空气的正极性击穿电压曲线呈现明显的“N”形。
3）稍不均匀电场下，同轴电极时，三种气体的直流击穿电压随气压的增大呈现出饱和现象，且均存在明显的极性效应。球板电极时，在CO2气体中加入少量的C4F7N即可大幅度提升其绝缘性能；在C4F7N/CO2混合气体中增加C4F7N占比可提高其击穿电压，但高占比C4F7N会出现饱和现象。
4）基于三种气体的击穿特性以及环保性，在±400 kV直流穿墙套管中，0.9 MPa干燥空气具有极大的应用潜力，其击穿电压可达0.4 MPa下SF6击穿电压的77.2%，但是在实际应用中提升穿墙套管中绝缘气体的击穿电压需要考虑电场不均匀度以及空间电荷的综合影响。
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Insulation Characterization of Environmentally Friendly Gases for ±400 kV DC Wall Bushing
Abstract ±400 kV DC wall bushing as an important equipment connecting external electric field and internal valve hall, the data of environmentally friendly gases dry air, CO2 and C4F7N (perfluoro isobutyronitrile) gas mixture in the existing research are not fully applicable to DC wall bushing, the research on the insulation characteristics of environmentally friendly gases for the typical electric field structure of DC wall bushing is of great significance. In this paper, firstly, the electric field simulation analysis of ±400 kV DC wall bushing is carried out, and the overall electric field distribution inside the wall bushing is obtained, which is low at both ends and high in the middle, and the maximum value appears in the middle of the arc of the end of the shielding cover of the through-wall cylinder, so that different types of electrodes are designed according to the typical location of the wall bushing in terms of the strength of the electric field and the degree of inhomogeneity. Secondly, the breakdown characteristics of dry air and CO2 with different electrode forms and different electrode distances in the range of 0.5～1.0 MPa and the breakdown characteristics of C4F7N/CO2 gas mixture with different electrode distances under ball-plate electrodes and coaxial electrodes in the range of 0.1～0.6 MPa have been investigated experimentally at positive and negative polarity DC voltage and the three kinds of gases have been compared under the same conditions. The experimental results show that the breakdown voltages of dry air and CO2 and C4F7N/CO2 gas mixture will show saturation phenomenon when the gas pressure is too high; under the same conditions, the insulating property of dry air is 1.18 times higher than that of CO2. Under the sphere plate electrode, the DC negative breakdown voltage of 0.9 MPa dry air can reach 77.2% of the negative breakdown voltage of 0.4 MPa SF6 gas mixture, which can be used for ±400 kV DC wall bushing.
Firstly, ±400kV DC wall bushing is modeled in three dimensions, and finite element electric field simulation analysis and thermal field simulation analysis are carried out on the model, which is equivalent to different electrode types according to the distribution of electric field simulation and the electric field inhomogeneity at each typical position of the DC wall bushing.
Secondly, we design and manufacture a set of environmentally friendly gas insulation characteristics test device by ourselves, and then introduce the test circuit principle of DC, and build an environmentally friendly gas insulation characteristics test platform according to the circuit schematic diagram.
Finally, the test results are analyzed, and the DC breakdown tests are carried out for dry air, CO2 and C4F7N/CO2 gas mixture under different electrode forms, different air pressures and different electrode distances to obtain the insulating properties of the three gases, and the feasibility of substituting SF6 for the test gases in Wall Bushing is discussed, so as to provide important references for the application of environmentally friendly insulating gases in ±400 kV DC wall bushing It provides an important reference for the application of environmentally friendly insulating gases in ±400 kV DC wall bushing.
Based on the breakdown characteristics of the three gases and environmental protection, in ±400 kV DC wall bushing, 0.9 MPa dry air has great potential for application, up to 77.2% of the SF6 breakdown voltage at 0.4 MPa, and the improvement of the breakdown voltage of insulating gases in the wall bushing in the practical application needs to take into account the unevenness of the electric field and the combined effect of space charge.
Keywords: SF6 alternative gas, dry air, DC breakdown characteristics, DC wall bushing
中图分类号：TM845
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.240120
国家高层次人才特殊支持计划（SO20220B06966）、国家自然科学基金（51977195, 52107170, 52477163）和平高集团科技项目（PGKJ2021-005）资助。
收稿日期 2024-01-18
改稿日期 2024-02-29
程 显 男，1982年生，教授，博士生导师，研究方向为开关设备与绝缘技术，着重研究混合断路器技术、多断口真空开关技术。
E-mail：chengxian@zzu.edu.cn
葛国伟 男，1987年生，副教授，研究方向为智能化高压电器及高压新技术，着重研究多断口真空开关技术、中压直流开断技术。
E-mail：ggw@zzu.edu.cn（通信作者）
（编辑 李 冰）