武汉大学周文俊团队特稿：温度对C4F7N/CO2混合气体工频放电场强的影响规律
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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。
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。
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。
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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
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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。
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C4F7N/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
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。
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.