团队介绍开关技术研究团队隶属于中国电力科学研究院高电压研究所，现有研究人员18人，其中博士6人，硕士10人；教授级高工2人，高级工程师8人。研究团队长期从事特高压开关技术攻关、新型开关设计研发、开关设备运行维护和专业管理等，研究成果已直接指导特高压GIS/GIL、串补用开关设备等产品研制，技术方案广泛应用于国网公司范围内的设备运行管理，取得了良好的经济和社会效益。颜湘莲，女，博士，教授级高工，国家电网公司优秀技术专家人才。长期从事SF6及其替代气体、高压开关设备研发和设备故障诊断技术研究。担任国家重点研发计划“环保型管道输电关键技术”（2017YFB0902500）项目联系人和课题5负责人，承担国家电网公司科技项目10余项，获得省部级科技奖励6项，发表SCI或EI检索论文30余篇，授权国家发明专利20余项。
颜湘莲，女，博士，教授级高工，国家电网公司优秀技术专家人才。长期从事SF6及其替代气体、高压开关设备研发和设备故障诊断技术研究。担任国家重点研发计划“环保型管道输电关键技术”（2017YFB0902500）项目联系人和课题5负责人，承担国家电网公司科技项目10余项，获得省部级科技奖励6项，发表SCI或EI检索论文30余篇，授权国家发明专利20余项。
导语本文研究了SF6的替代气体C4F7N/CO2混合气体对局部不均匀电场的敏感特性，建立了考虑粗糙度影响时C4F7N/CO2的放电电压计算模型，开展气体放电试验对模型的有效性进行了检验；提出采用优异值评估C4F7N/CO2对不均匀电场的耐受能力，计算获得了C4F7N/CO2设备中电极粗糙度控制值与气体混合比例和气压的关系。DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.190784
研究背景C4F7N/CO2混合气体作为电亲和性气体，具有对电场敏感独特的电离特性，使得其放电电压对不均匀电场较敏感，气体间隙的实际绝缘强度会显著低于理想状态下的预期值，因此进行电气设备绝缘设计时需要充分考虑不均匀电场的影响。电极表面粗糙是实际设备中形成不均匀电场的典型情况，使得电极表面局部电场发生畸变，产生整体上较均匀、局部不均匀的电场分布，需要获得导体电极表面的粗糙度控制值，为设备设计提供指导。目前国内外对C4F7N/CO2混合气体放电特性的研究仍未考虑电极表面状况的影响，亟需开展考虑粗糙度时C4F7N/CO2的放电特性研究。
主要内容（1）C4F7N/CO2对不均匀电场敏感特性的理论分析计算得到了C4F7N/CO2和SF6气体的临界约化电场Ac和优异值M，结果列于表1。C4F7N占比20%时，C4F7N/CO2的Ac、M值均与SF6气体的数值相当。表1 C4F7N/CO2和SF6的Ac和M值计算结果建立单凸起粗糙度模型和流注放电判据，计算获得了考虑电极表面粗糙时在不同间距、气压下C4F7N/CO2的击穿电压，如图1所示，其中C4F7N占比10%。在相同粗糙度下，击穿电压偏离理想巴申曲线后，间隙距离越大，击穿电压越高；评估增大间隙距离d和提高气压p对绝缘强度的改善效果时，因电极表面粗糙的影响，对于相同pd，增大d更有利于增强绝缘强度。图1 C4F7N/CO2的击穿电压计算结果（粗糙度R为150 μm）（2）C4F7N/CO2在局部不均匀电场下的放电试验开展了C4F7N/CO2和SF6气体在不同间隙距离、气压、粗糙度下的放电试验，击穿电压Ub随pd的变化趋势如图2所示，其中C4F7N占比10%，可知Ub均随pd增大呈现线性增长趋势。 图2 C4F7N/CO2和SF6的放电试验结果利用Ub得到击穿场强E和约化击穿场强E/p，其随pR的变化见图3所示。当pR值较小时，C4F7N/CO2的E/p与临界约化电场Ac接近；随着pR值增大，E/p先保持不变，当pR达到临界值4.25MPa•μm，E/p再减小；与SF6气体相比，C4F7N/CO2的pR临界值大于SF6的临界值3.0MPa•μm，可见C4F7N占比10%的C4F7N/CO2对局部不均匀电场的敏感性优于SF6气体。 图3 C4F7N/CO2的放电场强和约化放电场强 (10% C4F7N) （3）C4F7N/CO2的电极表面粗糙度控制值根据设备中电极表面粗糙度控制依据，计算了C4F7N/CO2和SF6气体中电极表面粗糙度控制值Rm随p的变化如图4所示，随着p增大，Rm迅速趋于减小，对粗糙度控制要求愈加严格。图4 C4F7N/CO2和SF6中的电极表面粗糙度控制值计算结果在保持现有SF6设备尺寸不变前提下，提高设备气压来达到相同绝缘强度，计算得到了C4F7N/CO2中的电极表面粗糙度控制值，见图5（RC4为C4F7N/CO2的粗糙度控制值，RSF6为SF6的粗糙度控制值，MC4为C4F7N/CO2的优异值）。C4F7N占比为4%~30%时，C4F7N/CO2中的粗糙度控制值与SF6气体中的控制值相当；当C4F7N占比低于4%时，C4F7N/CO2中的电极表面粗糙控制较SF6气体绝缘设备更为严格。 图5 C4F7N/CO2的优异值和电极表面粗糙度控制值计算结果
结论与展望本文在理论分析和试验设置中仅关注了工频电压作用下C4F7N/CO2混合气体在局部不均匀电场中的放电特性，暂未考虑冲击电压作用时带来的放电时延的影响，及更长间隙距离、更大范围的粗糙电极等其他因素的影响，均需进一步开展系统深入的研究，以完善考虑粗糙度影响的气体放电电压计算模型。
引用本文颜湘莲, 郑宇, 黄河, 杨圆, 周文俊, 柏长宇. C4F7N/CO2混合气体对局部不均匀电场的敏感特性[J]. 电工技术学报, 2020, 35(1): 43-51. Yan Xianglian, Zheng Yu, Huang He, Yang Yuan, Zhou Wenjun, Bai changyu. Sensitivity of C4F7N/CO2 Gas Mixture to Partial Inhomogeneous Electric Field. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(1): 43-51.
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