团队介绍武汉大学电气与自动化学院绝缘与过电压科研团队，由周文俊教授带领的教授2名，讲师1名，外籍特聘教授2名，在读博士生和硕士生共20余人组成。课题组以电力系统的生产实际问题为主要研究对象，建有环保绝缘气体实验室，在研国家重点研发计划2项，国家自然科学基金重点项目1项，企事业项目多项。团队研究内容主要涉及：1)新型环保绝缘气体的绝缘特性与气固材料相容性；2)电力电缆在线监测与状态评估；3) GIS绝缘缺陷故障诊断；4)干冰清污技术研究；5)雷电防护研究等。近年来，获得省部级科技进步奖19项，南方电网公司和国家电网公司科技进步奖20余项。周文俊，1959年生，工学博士，二级教授，博士生导师，IEEE高级会员，享受国务院政府特殊津贴。1990年于武汉水利电力学院获高电压与绝缘技术专业工学博士学位。1999年8月—11月在瑞典Chalmers大学做访问学者。中国电机工程学会高电压专业委员会委员，中国电工技术学会电工测试专委会副主任委员，电力行业过电压与绝缘配合标委会委员，武汉大学十大杰出青年，武汉大学师德标兵。主要从事防雷接地、高电压绝缘与测试、气体绝缘材料等方面研究。近年来主编出版了DL/T 887-2004《杆塔工频接地电阻测量》，Q/GDW 413-2010《电力系统二次设备SPD防雷技术规范》，主编《电气设备实用手册》、《微电子设备防雷》。在IEEE、中国电机工程学报、高电压技术等刊物上发表论文150余篇。郑宇，1992年生，博士研究生。主要研究方向为C4F7N/CO2混合气体的放电规律、基于SF6气体分解产物的GIS潜在绝缘缺陷诊断。参与国家重点研发计划1项，企事业项目3项。已发表相关学术论文19篇，其中SCI/EI检索论文14篇，已授权发明专利2项。《Journal of Physics D: Applied Physics》期刊审稿人。
周文俊，1959年生，工学博士，二级教授，博士生导师，IEEE高级会员，享受国务院政府特殊津贴。1990年于武汉水利电力学院获高电压与绝缘技术专业工学博士学位。1999年8月—11月在瑞典Chalmers大学做访问学者。中国电机工程学会高电压专业委员会委员，中国电工技术学会电工测试专委会副主任委员，电力行业过电压与绝缘配合标委会委员，武汉大学十大杰出青年，武汉大学师德标兵。主要从事防雷接地、高电压绝缘与测试、气体绝缘材料等方面研究。近年来主编出版了DL/T 887-2004《杆塔工频接地电阻测量》，Q/GDW 413-2010《电力系统二次设备SPD防雷技术规范》，主编《电气设备实用手册》、《微电子设备防雷》。在IEEE、中国电机工程学报、高电压技术等刊物上发表论文150余篇。
郑宇，1992年生，博士研究生。主要研究方向为C4F7N/CO2混合气体的放电规律、基于SF6气体分解产物的GIS潜在绝缘缺陷诊断。参与国家重点研发计划1项，企事业项目3项。已发表相关学术论文19篇，其中SCI/EI检索论文14篇，已授权发明专利2项。《Journal of Physics D: Applied Physics》期刊审稿人。
导语C4F7N/CO2混合气体是一种有潜力替代SF6的绝缘气体，为了合理地进行电气设备的绝缘设计，需要研究C4F7N/CO2混合气体的放电规律。现有研究较少关注温度的影响，该文建立考虑温度时C4F7N/CO2混合气体的工频放电场强计算模型，开展不同温度下C4F7N/CO2混合气体的工频放电试验验证，发现当温度低于C4F7N/CO2混合气体的液化温度时，绝缘强度出现明显降低；当温度高于其液化温度时，温度对绝缘强度的影响可以忽略。最后分析了C4F7N/CO2混合气体的混合比例、气压及最低使用温度等实用参数。DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190900
研究背景C4F7N/CO2混合气体具有较低的温室效应、优良的绝缘性能和较低的液化温度，作为高压电气设备中SF6 气体的替代气体得到了广泛关注。为了科学合理地进行环保电气设备的绝缘设计，需要研究其绝缘强度受多种因素影响的规律。因季节变换、日夜温差等气候或天气条件，设备在实际运行中，会遇到不同的温度环境，因此温度是影响气体绝缘强度的重要因素。但目前国内外对C4F7N/CO2混合气体的绝缘强度研究未考虑环境温度的影响，本文报道了考虑温度对C4F7N/CO2混合气体绝缘强度的影响时的研究成果。
主要内容1考虑温度影响时C4F7N/CO2混合气体放电场强计算图1 C4F7N/CO2混合气体的临界约化电场与混合比例的关系引入温度影响时分两种情况，一是温度高于C4F7N/CO2混合气体的液化温度，此时约化净电离系数不受温度影响，因此其放电场强随温度基本保持不变；另一种情况是温度低于C4F7N/CO2混合气体的液化温度，此时混合比例和分子数密度均会降低，导致放电场强随温度降低而降低。利用C4F7N气体的饱和蒸气压曲线和理想气体状态方程，计算得到了任意温度下C4F7N/CO2的混合比例和分子数密度，再结合公式（3）计算了放电场强。典型混合比例9%和气压0.7 MPa和0.6 MPa（均指温度20℃时的气压）下的计算结果如图2。图2 均匀电场中C4F7N/CO2的放电场强计算结果采用半球头棒板电极进行工频放电验证试验。试验前，计算了该电极下的击穿电压，计算流程图如图3。(E/p)c,M为C4F7N/CO2的临界约化电场，β为其净电离系数对电场的导数，Ec为临界电场，K0为式（1）等号左边的积分值。图3 半球头棒板电极下C4F7N/CO2的击穿电压计算流程图2不同温度下C4F7N/CO2混合气体的工频放电试验搭建了可以调控气体温度的放电试验装置，示意图如图4。该装置将220 kV GIS试验段放置在高低温箱内，通过高低温箱控制温度，可模拟不同温度环境。在GIS试验段内放置温度传感器，监测气体温度。图4 可调控温度的放电试验装置示意图试验结果如图5，击穿电压出现下降时对应的温度与理论计算值一致。计算结果与试验结果对比，如图6，可见不同温度下的试验值与计算值基本一致，验证了计算模型的有效性。图5 半球头棒板电极下C4F7N/CO2的工频击穿电压试验结果 图6 C4F7N/CO2的工频击穿电压试验结果与计算结果对比利用模型计算任意混合比例、气压和温度下C4F7N/CO2的放电场强，可以得到C4F7N/CO2的放电规律，显著降低试验工作量，提升电气设备绝缘设计的效率。3C4F7N/CO2混合气体的比例/气压/最低使用温度等参数分析进一步计算了不同混合比例和气压下C4F7N/CO2的放电场强，如图7。和0.5 MPa SF6气体进行了对比，可以得到与0.5 MPa SF6气体具备相同绝缘强度的C4F7N/CO2的混合比例和气压参数，以及对应的液化温度，如图8。实际GIS设备采用的SF6气压通常在0.5 MPa附近，本研究得到的C4F7N/CO2的参数可为实际应用提供参考。图7 不同比例和压力下C4F7N/CO2的放电场强计算结果 图8 绝缘强度相当于0.5 MPa SF6的C4F7N/CO2的比例、压力参数及其对应的液化温度
展望本文主要关注了C4F7N/CO2混合气体液化前后气体间隙的绝缘强度变化，而在实际设备中若因气体液化后积液于盆式绝缘子表面，对绝缘子沿面绝缘特性的影响不可忽视。C4F7N/CO2混合气体液化前后温度对绝缘子沿面放电特性的影响，将是后续研究需要重点关注的内容。
引用本文郑宇, 周文俊, 喻剑辉, 李涵, 马晨曦. 温度对C4F7N/CO2混合气体工频放电场强的影响规律[J]. 电工技术学报, 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.
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