團隊介紹

張曉星，教授，博士生導師，教育部新世紀優秀人才，973項目首席科學家助理，武漢大學珞珈學者，國際大電網B3.24、B3.40和B3.45工作組中方委員。主要從事電氣設備在線監測與故障診斷、絕緣狀態評估、新型傳感器技術以及SF6替代氣體等方面研究。獲國家技術發明二等獎1項、省部級科技成果一、二等獎5項，在國際會議和國內外組織做特邀及大會報告十余次，在國內外學術刊物與會議上發表論文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，授權發明專利40余項。

陳琪，碩士研究生，主要從事氣體絕緣電氣設備在線監測、SF6環保替代氣體等方面研究。

導語

本文通過一系列工頻擊穿放電實驗，利用氣相色譜質譜聯用儀（GC-MS）對含不同體積分數O2的C4F7N/CO2/O2混合氣體的放電分解特性進行了分析，探究了O2加入后對C4F7N/CO2二元混合性能的改善。相關結果可以為后續工程應用中氣體配方以及環保電氣設備的設計和運行提供參考。

研究背景

SF6是一種嚴重的溫室氣體，其溫室效應潛在值(GWP)值是CO2的23 500倍，大氣壽命高達3 200 a。近年來，隨著人們對綠色生活的美好向往以及國家經濟發展方式的升級轉型，中國面臨著極其嚴峻的減排壓力和期望。因此，相關領域的研究者開始尋找一種環保絕緣氣體來替代SF6作為電氣設備的氣體絕緣介質。

全服異丁腈(C4F7N)是最近受到廣泛關注的一種新型環境友好氣體，相關高校、科研單位以及設備制造企業對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，其分子結構中含有碳元素，將其用作絕緣或滅弧介質時可能會出現固體碳析出的情況，從而影響氣體的性能以及給設備帶來潛在威脅。因此為了抑制或者避免這一現象的出現，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C4F7N/CO2混合氣體放電分解特性的影響情況，不僅有助于優化C4F7N混合氣體的配方，也為國產氣體絕緣設備的設計和運行提供了重要參考依據。

論文方法及創新點

放電實驗平臺的示意圖如圖1所示，由感應調壓器、變壓器、保護電阻、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，保護電阻為10kΩ，放電氣室容積約為29L，采氣口用于采集實驗前后的混合氣體。

圖1

本文通過向C4F7N/CO2混合氣體中加入一定比例O2，通過對加入O2后的混合氣體進行多次工頻擊穿實驗，利用氣相色譜質譜聯用儀（GC-MS）檢測混合氣體多次擊穿后的分解產物。分析分解產物時采用GC-MS中的SIM模式對采集到的氣體樣品進行分析，檢測到的C4F7N混合氣體分解產物的質荷比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混合氣體分解產物的質荷比

圖2

對CF4、C2F6、C3F8、C3F6和CO五種標準氣體的分解產物用外標法進行絕對量的檢測分析。對COF2、CF3CN、C2F5CN和C2N2四種特征分解產物采用相對定量方法進行分析。

結果表明，隨著擊穿次數的增加，C4F7N/CO2/O2混合氣體的各分解產物的含量也會有一定程度的增加。加入少量O2，即O2體積分數從0%到2%時，主要分解產物的生成量均會出現一定程度的下降；而隨著O2體積分數的進一步增加，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體積分數變化的關系。隨著混合氣體中O2體積分數的逐步提高，混合氣體的擊穿電壓會出現先上升后下降的趨勢，較不含O2時，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

結論

含O2體積分數為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，同時分解組分中毒性較大的CF3CN、CO、C2F5CN和C2N2的含量與不含氧氣時相比有所降低，COF2的生成量與不含氧氣時相當，具備一定的工程應用潛力。

引用本文

陳琪, 張曉星, 李祎, 呂啟深, 唐峰. 環保絕緣介質C4F7N/CO2/O2混合氣體的放電分解特性[J]. 電工技術學報, 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.