團(tuán)隊(duì)介紹

張曉星，教授，博士生導(dǎo)師，教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才，973項(xiàng)目首席科學(xué)家助理，武漢大學(xué)珞珈學(xué)者，國際大電網(wǎng)B3.24、B3.40和B3.45工作組中方委員。主要從事電氣設(shè)備在線監(jiān)測與故障診斷、絕緣狀態(tài)評(píng)估、新型傳感器技術(shù)以及SF6替代氣體等方面研究。獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)科技成果一、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)，在國際會(huì)議和國內(nèi)外組織做特邀及大會(huì)報(bào)告十余次，在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物與會(huì)議上發(fā)表論文300余篇，其中SCI檢索150余篇，EI檢索150余篇，出版中文專著3部、英文專著1部，授權(quán)發(fā)明專利40余項(xiàng)。

陳琪，碩士研究生，主要從事氣體絕緣電氣設(shè)備在線監(jiān)測、SF6環(huán)保替代氣體等方面研究。

導(dǎo)語

本文通過一系列工頻擊穿放電實(shí)驗(yàn)，利用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）對(duì)含不同體積分?jǐn)?shù)O2的C4F7N/CO2/O2混合氣體的放電分解特性進(jìn)行了分析，探究了O2加入后對(duì)C4F7N/CO2二元混合性能的改善。相關(guān)結(jié)果可以為后續(xù)工程應(yīng)用中氣體配方以及環(huán)保電氣設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供參考。

研究背景

SF6是一種嚴(yán)重的溫室氣體，其溫室效應(yīng)潛在值(GWP)值是CO2的23 500倍，大氣壽命高達(dá)3 200 a。近年來，隨著人們對(duì)綠色生活的美好向往以及國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的升級(jí)轉(zhuǎn)型，中國面臨著極其嚴(yán)峻的減排壓力和期望。因此，相關(guān)領(lǐng)域的研究者開始尋找一種環(huán)保絕緣氣體來替代SF6作為電氣設(shè)備的氣體絕緣介質(zhì)。

全服異丁腈(C4F7N)是最近受到廣泛關(guān)注的一種新型環(huán)境友好氣體，相關(guān)高校、科研單位以及設(shè)備制造企業(yè)對(duì)C4F7N及其混合氣體也開展了各方面的研究。

考慮到C4F7N屬于氟碳類氣體，其分子結(jié)構(gòu)中含有碳元素，將其用作絕緣或滅弧介質(zhì)時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)固體碳析出的情況，從而影響氣體的性能以及給設(shè)備帶來潛在威脅。因此為了抑制或者避免這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，O2作為第二種緩沖氣體加入其中來抑制碳析出。

理清O2加入后對(duì)C4F7N/CO2混合氣體放電分解特性的影響情況，不僅有助于優(yōu)化C4F7N混合氣體的配方，也為國產(chǎn)氣體絕緣設(shè)備的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供了重要參考依據(jù)。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

放電實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的示意圖如圖1所示，由感應(yīng)調(diào)壓器、變壓器、保護(hù)電阻、電容分壓器以及氣室組成。變壓器最高輸出電壓100kV，電容分壓器分壓比1∶1000，保護(hù)電阻為10kΩ，放電氣室容積約為29L，采氣口用于采集實(shí)驗(yàn)前后的混合氣體。

圖1

本文通過向C4F7N/CO2混合氣體中加入一定比例O2，通過對(duì)加入O2后的混合氣體進(jìn)行多次工頻擊穿實(shí)驗(yàn)，利用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）檢測混合氣體多次擊穿后的分解產(chǎn)物。分析分解產(chǎn)物時(shí)采用GC-MS中的SIM模式對(duì)采集到的氣體樣品進(jìn)行分析，檢測到的C4F7N混合氣體分解產(chǎn)物的質(zhì)荷比m/z見表1。檢測到的0.14MPa下15% C4F7N-6%O2-79%CO2混合氣體100次擊穿后的氣相色譜如圖2所示。

表1 C4F7N混合氣體分解產(chǎn)物的質(zhì)荷比

圖2

對(duì)CF4、C2F6、C3F8、C3F6和CO五種標(biāo)準(zhǔn)氣體的分解產(chǎn)物用外標(biāo)法進(jìn)行絕對(duì)量的檢測分析。對(duì)COF2、CF3CN、C2F5CN和C2N2四種特征分解產(chǎn)物采用相對(duì)定量方法進(jìn)行分析。

結(jié)果表明，隨著擊穿次數(shù)的增加，C4F7N/CO2/O2混合氣體的各分解產(chǎn)物的含量也會(huì)有一定程度的增加。加入少量O2，即O2體積分?jǐn)?shù)從0%到2%時(shí)，主要分解產(chǎn)物的生成量均會(huì)出現(xiàn)一定程度的下降；而隨著O2體積分?jǐn)?shù)的進(jìn)一步增加，CF4、CO生成量的總體趨勢是下降的，COF2生成量的總體趨勢是上升的，其他分解產(chǎn)物的生成量變化趨勢不是很明顯。

圖3為擊穿電壓隨混合氣體中O2體積分?jǐn)?shù)變化的關(guān)系。隨著混合氣體中O2體積分?jǐn)?shù)的逐步提高，混合氣體的擊穿電壓會(huì)出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，較不含O2時(shí)，加入O2后擊穿電壓的升高依次為4.85%、6.49%、7.70%、3.21%和2.74%。

圖3

結(jié)論

含O2體積分?jǐn)?shù)為2%~6%的C4F7N/CO2/O2混合氣體的擊穿電壓較C4F7N/CO2混合氣體有所提高，同時(shí)分解組分中毒性較大的CF3CN、CO、C2F5CN和C2N2的含量與不含氧氣時(shí)相比有所降低，COF2的生成量與不含氧氣時(shí)相當(dāng)，具備一定的工程應(yīng)用潛力。

引用本文

陳琪, 張曉星, 李祎, 呂啟深, 唐峰. 環(huán)保絕緣介質(zhì)C4F7N/CO2/O2混合氣體的放電分解特性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(1): 80-87. Chen Qi, Zhang Xiaoxing, Li Yi, Lü Qishen, Tang Feng. The Discharge Decomposition Characteristics of Environmental-Friendly Insulating Medium C4F7N/CO2/O2 Gas Mixture. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(1): 80-87.