武汉大学张晓星团队特稿：环保绝缘介质C4F7N/CO2/O2混合气体的放电分解特性
武汉加油 共渡难关
张晓星，教授，博士生导师，教育部新世纪优秀人才，973项目首席科学家助理，武汉大学珞珈学者，国际大电网B3.24、B3.40和B3.45工作组中方委员。主要从事电气设备在线监测与故障诊断、绝缘状态评估、新型传感器技术以及SF6替代气体等方面研究。获国家技术发明二等奖1项、省部级科技成果一、二等奖5项，在国际会议和国内外组织做特邀及大会报告十余次，在国内外学术刊物与会议上发表论文300余篇，其中SCI检索150余篇，EI检索150余篇，出版中文专著3部、英文专著1部，授权发明专利40余项。
陈琪，硕士研究生，主要从事气体绝缘电气设备在线监测、SF6环保替代气体等方面研究。
本文通过一系列工频击穿放电实验，利用气相色谱质谱联用仪（GC-MS）对含不同体积分数O2的C4F7N/CO2/O2混合气体的放电分解特性进行了分析，探究了O2加入后对C4F7N/CO2二元混合性能的改善。相关结果可以为后续工程应用中气体配方以及环保电气设备的设计和运行提供参考。
SF6是一种严重的温室气体，其温室效应潜在值(GWP)值是CO2的23 500倍，大气寿命高达3 200 a。近年来，随着人们对绿色生活的美好向往以及国家经济发展方式的升级转型，中国面临着极其严峻的减排压力和期望。因此，相关领域的研究者开始寻找一种环保绝缘气体来替代SF6作为电气设备的气体绝缘介质。
全服异丁腈(C4F7N)是最近受到广泛关注的一种新型环境友好气体，相关高校、科研单位以及设备制造企业对C4F7N及其混合气体也开展了各方面的研究。
考虑到C4F7N属于氟碳类气体，其分子结构中含有碳元素，将其用作绝缘或灭弧介质时可能会出现固体碳析出的情况，从而影响气体的性能以及给设备带来潜在威胁。因此为了抑制或者避免这一现象的出现，O2作为第二种缓冲气体加入其中来抑制碳析出。
理清O2加入后对C4F7N/CO2混合气体放电分解特性的影响情况，不仅有助于优化C4F7N混合气体的配方，也为国产气体绝缘设备的设计和运行提供了重要参考依据。
放电实验平台的示意图如图1所示，由感应调压器、变压器、保护电阻、电容分压器以及气室组成。变压器最高输出电压100kV，电容分压器分压比1∶1000，保护电阻为10kΩ，放电气室容积约为29L，采气口用于采集实验前后的混合气体。
图1 放电实验平台
本文通过向C4F7N/CO2混合气体中加入一定比例O2，通过对加入O2后的混合气体进行多次工频击穿实验，利用气相色谱质谱联用仪（GC-MS）检测混合气体多次击穿后的分解产物。分析分解产物时采用GC-MS中的SIM模式对采集到的气体样品进行分析，检测到的C4F7N混合气体分解产物的质荷比m/z见表1。检测到的0.14MPa下15% C4F7N-6%O2-79%CO2混合气体100次击穿后的气相色谱如图2所示。
表1 C4F7N混合气体分解产物的质荷比
图2 100次击穿后15% C4F7N-6%O2-79%CO2混合气体的气相色谱图
对CF4、C2F6、C3F8、C3F6和CO五种标准气体的分解产物用外标法进行绝对量的检测分析。对COF2、CF3CN、C2F5CN和C2N2四种特征分解产物采用相对定量方法进行分析。
结果表明，随着击穿次数的增加，C4F7N/CO2/O2混合气体的各分解产物的含量也会有一定程度的增加。加入少量O2，即O2体积分数从0%到2%时，主要分解产物的生成量均会出现一定程度的下降；而随着O2体积分数的进一步增加，CF4、CO生成量的总体趋势是下降的，COF2生成量的总体趋势是上升的，其他分解产物的生成量变化趋势不是很明显。
图3为击穿电压随混合气体中O2体积分数变化的关系。随着混合气体中O2体积分数的逐步提高，混合气体的击穿电压会出现先上升后下降的趋势，较不含O2时，加入O2后击穿电压的升高依次为4.85%、6.49%、7.70%、3.21%和2.74%。
图3 击穿电压与混合气体中O2体积分数的关系
含O2体积分数为2%~6%的C4F7N/CO2/O2混合气体的击穿电压较C4F7N/CO2混合气体有所提高，同时分解组分中毒性较大的CF3CN、CO、C2F5CN和C2N2的含量与不含氧气时相比有所降低，COF2的生成量与不含氧气时相当，具备一定的工程应用潜力。
陈琪, 张晓星, 李祎, 吕启深, 唐峰. 环保绝缘介质C4F7N/CO2/O2混合气体的放电分解特性[J]. 电工技术学报, 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.