團隊介紹

武漢大學電氣與自動化學院絕緣與過電壓科研團隊，由周文俊教授帶領的教授2名，講師1名，外籍特聘教授2名，在讀博士生和碩士生共20余人組成。課題組以電力系統的生產實際問題為主要研究對象，建有環保絕緣氣體實驗室，在研國家重點研發計劃2項，國家自然科學基金重點項目1項，企事業項目多項。

團隊研究內容主要涉及：1)新型環保絕緣氣體的絕緣特性與氣固材料相容性；2)電力電纜在線監測與狀態評估；3) GIS絕緣缺陷故障診斷；4)干冰清污技術研究；5)雷電防護研究等。

近年來，獲得省部級科技進步獎19項，南方電網公司和國家電網公司科技進步獎20余項。

周文俊

周文俊，1959年生，工學博士，二級教授，博士生導師，IEEE高級會員，享受國務院政府特殊津貼。1990年于武漢水利電力學院獲高電壓與絕緣技術專業工學博士學位。1999年8月—11月在瑞典Chalmers大學做訪問學者。

中國電機工程學會高電壓專業委員會委員，中國電工技術學會電工測試專委會副主任委員，電力行業過電壓與絕緣配合標委會委員，武漢大學十大杰出青年，武漢大學師德標兵。

主要從事防雷接地、高電壓絕緣與測試、氣體絕緣材料等方面研究。近年來主編出版了DL/T 887-2004《桿塔工頻接地電阻測量》，Q/GDW 413-2010《電力系統二次設備SPD防雷技術規范》，主編《電氣設備實用手冊》、《微電子設備防雷》。在IEEE、中國電機工程學報、高電壓技術等刊物上發表論文150余篇。

鄭宇

鄭宇，1992年生，博士研究生。主要研究方向為C4F7N/CO2混合氣體的放電規律、基于SF6氣體分解產物的GIS潛在絕緣缺陷診斷。參與國家重點研發計劃1項，企事業項目3項。已發表相關學術論文19篇，其中SCI/EI檢索論文14篇，已授權發明專利2項。《Journal of Physics D: Applied Physics》期刊審稿人。

導語

C4F7N/CO2混合氣體是一種有潛力替代SF6的絕緣氣體，為了合理地進行電氣設備的絕緣設計，需要研究C4F7N/CO2混合氣體的放電規律。現有研究較少關注溫度的影響，該文建立考慮溫度時C4F7N/CO2混合氣體的工頻放電場強計算模型，開展不同溫度下C4F7N/CO2混合氣體的工頻放電試驗驗證，發現當溫度低于C4F7N/CO2混合氣體的液化溫度時，絕緣強度出現明顯降低；當溫度高于其液化溫度時，溫度對絕緣強度的影響可以忽略。最后分析了C4F7N/CO2混合氣體的混合比例、氣壓及最低使用溫度等實用參數。

研究背景

C4F7N/CO2混合氣體具有較低的溫室效應、優良的絕緣性能和較低的液化溫度，作為高壓電氣設備中SF6 氣體的替代氣體得到了廣泛關注。為了科學合理地進行環保電氣設備的絕緣設計，需要研究其絕緣強度受多種因素影響的規律。

因季節變換、日夜溫差等氣候或天氣條件，設備在實際運行中，會遇到不同的溫度環境，因此溫度是影響氣體絕緣強度的重要因素。但目前國內外對C4F7N/CO2混合氣體的絕緣強度研究未考慮環境溫度的影響，本文報道了考慮溫度對C4F7N/CO2混合氣體絕緣強度的影響時的研究成果。

主要內容

1 考慮溫度影響時C4F7N/CO2混合氣體放電場強計算

圖1

引入溫度影響時分兩種情況，一是溫度高于C4F7N/CO2混合氣體的液化溫度，此時約化凈電離系數不受溫度影響，因此其放電場強隨溫度基本保持不變；另一種情況是溫度低于C4F7N/CO2混合氣體的液化溫度，此時混合比例和分子數密度均會降低，導致放電場強隨溫度降低而降低。

利用C4F7N氣體的飽和蒸氣壓曲線和理想氣體狀態方程，計算得到了任意溫度下C4F7N/CO2的混合比例和分子數密度，再結合公式（3）計算了放電場強。典型混合比例9%和氣壓0.7 MPa和0.6 MPa（均指溫度20℃時的氣壓）下的計算結果如圖2。

圖2

采用半球頭棒板電極進行工頻放電驗證試驗。試驗前，計算了該電極下的擊穿電壓，計算流程圖如圖3。(E/p)c,M為C4F7N/CO2的臨界約化電場，β為其凈電離系數對電場的導數，Ec為臨界電場，K0為式（1）等號左邊的積分值。

圖3

2 不同溫度下C4F7N/CO2混合氣體的工頻放電試驗

搭建了可以調控氣體溫度的放電試驗裝置，示意圖如圖4。該裝置將220 kV GIS試驗段放置在高低溫箱內，通過高低溫箱控制溫度，可模擬不同溫度環境。在GIS試驗段內放置溫度傳感器，監測氣體溫度。

圖4

試驗結果如圖5，擊穿電壓出現下降時對應的溫度與理論計算值一致。計算結果與試驗結果對比，如圖6，可見不同溫度下的試驗值與計算值基本一致，驗證了計算模型的有效性。

圖5

圖6

利用模型計算任意混合比例、氣壓和溫度下C4F7N/CO2的放電場強，可以得到C4F7N/CO2的放電規律，顯著降低試驗工作量，提升電氣設備絕緣設計的效率。

3 C4F7N/CO2混合氣體的比例/氣壓/最低使用溫度等參數分析

進一步計算了不同混合比例和氣壓下C4F7N/CO2的放電場強，如圖7。和0.5 MPa SF6氣體進行了對比，可以得到與0.5 MPa SF6氣體具備相同絕緣強度的C4F7N/CO2的混合比例和氣壓參數，以及對應的液化溫度，如圖8。

實際GIS設備采用的SF6氣壓通常在0.5 MPa附近，本研究得到的C4F7N/CO2的參數可為實際應用提供參考。

圖7

圖8

展望

本文主要關注了C4F7N/CO2混合氣體液化前后氣體間隙的絕緣強度變化，而在實際設備中若因氣體液化后積液于盆式絕緣子表面，對絕緣子沿面絕緣特性的影響不可忽視。C4F7N/CO2混合氣體液化前后溫度對絕緣子沿面放電特性的影響，將是后續研究需要重點關注的內容。

引用本文

鄭宇, 周文俊, 喻劍輝, 李涵, 馬晨曦. 溫度對C4F7N/CO2混合氣體工頻放電場強的影響規律[J]. 電工技術學報, 2020, 35(1): 52-61. Zheng Yu, Zhou Wenjun , Li Han, Ma Chenxi. Influence of Temperature on Power Frequency Discharge Field Intensity of C4F7N/CO2 Mixed Gas. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(1): 52-61.