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團隊介紹

武漢大學電氣與自動化學院“過電壓與絕緣科研團隊”由周文俊教授、中國科學院陳維江院士、英國格拉斯哥大學周承科教授（IET Fellow）、澳大利亞莫納什大學蘇錡教授、喻劍輝教授和李涵等老師組成，現(xiàn)有在讀博士生和碩士生共20余人。課題組在研國家重點研發(fā)計劃2項，國家自然科學基金重點項目1項，國家電網(wǎng)公司科技項目若干項，主要涉及：SF6替代氣體研究、GIS和GIL絕緣缺陷故障診斷、GIL中氣固材料相容性研究、雷電防護研究、變電站局部放電遙測與定位、電纜局放檢測與資產(chǎn)管理。

團隊負責人：周文俊，武漢大學電氣與自動化學院二級教授，博士生導師，IEEE高級會員，享受國務院政府特殊津貼。中國電機工程學會高電壓專業(yè)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，全國高電壓測試與絕緣配合標委會委員，湖北省高電壓專委會副主任委員，IEEE多個國際期刊審稿人，《高電壓技術》雜志顧問，武漢大學十大杰出青年，武漢大學師德標兵。

導語

本文提出了C3F7CN/CO2氣體與環(huán)氧樹脂相容性的評價方法，搭建了氣固相容性試驗平臺，在不同溫度下進行了C3F7CN/CO2與環(huán)氧樹脂的熱加速試驗。并設置惰性氣體He和SF6作為對照試驗組，比較了試驗前后環(huán)氧樹脂的沿面絕緣性能、表面形貌與氣體成分，結(jié)果表明環(huán)氧樹脂和絕緣氣體性能參數(shù)均未發(fā)生明顯變化。

僅當試驗溫度為160℃時，C3F7CN/CO2中檢測出少量的C3F6和C3F7CN產(chǎn)物，推測高溫條件下C3F7CN發(fā)生了化學反應，但并未對環(huán)氧樹脂的絕緣性能產(chǎn)生影響。試驗說明在GIL正常運行條件下C3F7CN/CO2與環(huán)氧樹脂具有較好相容性，并與目前使用的SF6的氣固相容性相當。

研究背景

氣體絕緣輸電線路（GIL）中氣體與固體絕緣材料的相容性表現(xiàn)為：兩種材料長期接觸后導致的絕緣性能變化以及氣體成分和固體材料的改變。作為目前有潛力替代SF6的環(huán)保絕緣氣體，C3F7CN/CO2混合氣體與GIL內(nèi)使用的環(huán)氧樹脂材料之間的相容性亟待研究，因其相容性問題可能引發(fā)設備的絕緣故障。

目前GIL中使用的盆式絕緣子等絕緣件的材料為環(huán)氧樹脂（Epoxy Resin），當前熱老化試驗大多將樣品暴露在空氣中（熱氧老化），在GIL環(huán)境如SF6或C3F7CN/CO2中環(huán)氧樹脂的熱加速相容性能鮮有研究。因不同氣體氛圍中環(huán)氧樹脂的性能變化規(guī)律可能不同，進一步探究GIL氣體環(huán)境中環(huán)氧樹脂的特性，對準確分析環(huán)氧樹脂的絕緣性能變化及狀態(tài)評估具有十分重要的意義。

主要內(nèi)容及創(chuàng)新點

本文提出氣體與環(huán)氧樹脂相容性的評價方法：在密封環(huán)境下使氣體與環(huán)氧樹脂充分接觸，采用環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)間內(nèi)溫度進行熱加速試驗；使環(huán)氧分子鏈運動更加活躍，氣固化學反應時間縮短，以測試環(huán)氧樹脂材料絕緣性能的變化和生成的氣體雜質(zhì)判斷材料的相容性。

開展了9%C3F7CN/91%CO2混合氣體與環(huán)氧樹脂材料的熱加速相容性試驗，設置相同材料不同溫度及同等試驗條件下SF6和He的對照組，采用介電損耗參數(shù)與沿面閃絡電壓表征樣品的絕緣性能，傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析固體樣品表面化學基團，掃描電鏡（SEM）觀察固體樣品的表面形貌，氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）分析混合氣體成分。

進行環(huán)氧樹脂樣品在9%C3F7CN/91%CO2環(huán)境下的工頻沿面閃絡電壓測試。腔體氣壓每升高0.05MPa，試驗樣品沿面閃絡電壓約升高20kV。當測試氣壓不超過0.25MPa時，閃絡電壓值隨著腔體氣壓的升高而線性增長，當腔體氣壓繼續(xù)升高，閃絡電壓分散性增大且存在飽和趨勢。沿面閃絡電壓測試結(jié)果如圖1所示，表明經(jīng)過熱加速試驗后的樣品在高氣壓下的沿面絕緣性能略有下降。

圖1 沿面閃絡電壓試驗結(jié)果

良好的環(huán)氧樹脂工頻下的介質(zhì)損耗角正切值不超過0.004，隨著試驗溫度高于環(huán)氧樹脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（118.2℃），工頻下的tanδ值（表1）具有緩慢上升趨勢，但仍在符合絕緣要求的范圍內(nèi)。

表1 環(huán)氧樹脂樣品工頻下tanδ測量值

圖2所示為最高試驗溫度160℃下的傅里葉紅外光譜圖，發(fā)現(xiàn)在不同氣體環(huán)境中試驗后的樣品圖譜與原始樣品的出峰時間和吸光度一致，匹配度很高。環(huán)氧樹脂的填料為Al2O3粉，Al2O3的四個特征峰分別為826cm-1、642cm-1、601cm-1和453cm-1，與原始樣品的光譜相比，試驗后Al2O3的四個特征峰更加明顯，表明試驗后樣品表面檢測到更多的Al2O3。

原因是熱加速試驗中溫度升高導致Al2O3填料析出，更接近環(huán)氧樹脂表面，尚未在環(huán)氧表面發(fā)現(xiàn)其他產(chǎn)物。同時試驗后的環(huán)氧表面未發(fā)現(xiàn)明顯的斷層斷面或析出晶體，說明幾種氣體環(huán)境的試驗對環(huán)氧樹脂表面形貌均未造成影響。

圖2 FTIR測試結(jié)果

由圖3可見，試驗后C3F7CN/CO2中檢測出雜質(zhì)氣體。其中空氣為針采樣取氣時混入，保留時間9~10min區(qū)間內(nèi)為C3F6氣體，保留時間27~28min區(qū)間內(nèi)推測為C12F21N3物質(zhì)，相同溫度下惰性氣體對照組內(nèi)均無雜質(zhì)氣體產(chǎn)生。推測160℃下C3F7CN的碳-氮三鍵斷裂聚合成C12F21N3，同時碳-碳鍵與碳-氟鍵斷裂后生成C3F6。

圖3 GC-MS測試結(jié)果

展望

GIL正常運行條件下，環(huán)保絕緣氣體C3F7CN/CO2和SF6相比，與環(huán)氧樹脂的氣固相容性相當。但當GIL發(fā)生故障導致局部過熱（160℃以上）時，C3F7CN/CO2可能會發(fā)生裂解反應產(chǎn)生C3F6和C12F21N3（C3F7CN三聚體），相關化學機理及其對絕緣性能的影響仍有待研究。

引用本文

袁瑞君, 李涵, 鄭哲宇, 周文俊, 葉三排. 氣體絕緣輸電線路用C3F7CN/CO2混合氣體與環(huán)氧樹脂相容性試驗[J]. 電工技術學報, 2020, 35(1): 70-79. Yuan Ruijun, Li Han, Zheng Zheyu, Zhou Wenjun, Ye Sanpai. Experiment on the Compatibility between C3F7CN/CO2 Gas Mixture and Epoxy Resin Used in Gas Insulated Transmission Line. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(1): 70-79.