环保型C5F10O混合气体设备研制现状与展望

电气设备中温室气体SF₆对全球气候变暖的影响愈来愈受到重视,新型绝缘介质全氟戊酮C₅F₁₀O因优异的环保性能成为本领域的研究热点。纯C₅F₁₀O液化温度高,不宜直接在电气设备中应用,需要与液化温度较低的缓冲气体混合使用。文中通过总结C₅F₁₀O混合气体理化特性、绝缘特性、放电分解特性及其与电气设备内部常见金属材料的相容特性,发现C₅F₁₀O混合气体具有优良的分解特性;通过选择合适的混合方案,选用与C₅F₁₀O相容性良好的材料,C₅F₁₀O混合气体具备作为绝缘介质在电气设备中应用的潜力。现阶段国内外已经有环保型C₅F₁₀O混合气体绝缘设备工程示范应用案例,相关成果可为C₅F₁₀O混合气体设备的扩大应用提供支撑,助推中国能...     

环保型绝缘气体C5F10O与密封材料三元乙丙橡胶和丁腈橡胶的相容性

C₅F₁₀O混合气体具有在中低压气体绝缘设备中替代SF₆的潜力，但其与现有气体绝缘设备常用密封材料的长期相容性目前仍未揭示，这为C₅F₁₀O在电力工业中的应用带来了挑战。为此，以现有气体绝缘设备最常用的三元乙丙(ethylene propylene diene monomer,EPDM)和丁腈橡胶(nitrile butadiene rubber,NBR)为研究对象，通过28 d的热加速老化实验来模拟C₅F₁₀O与橡胶在设备中的长期共存过程，结合光电子能谱和气相色谱检测，分析了两种典型橡胶与C₅F₁₀O长期作用后的密封性能和C₅F₁₀O的稳定性。结果表明：在长期共存条件下，C₅F₁₀O与两种橡胶均会发生反应，生成CO、CO₂、C₃F₆、C<...     

环保型绝缘气体技术经济性能综合评估研究

SF₆是一种强温室气体，排入环境危害巨大，研究能替代SF₆的环保型绝缘气体是绿色发展的必然。文中首先简略介绍了针对SF₆替代气体的研究情况，重点结合工程实际应用需求，提出了环保型气体多维度评价体系，并依据提出的评价标准对多种潜在的SF₆替代气体进行了综合分析。综合理化性能、安全性能和绝缘性能多个维度评估，结果表明，C₅F₁₀O、C₆F₁₂O、C₃F₇CN综合性能优异，其中C₅F₁₀O、C₆F₁₂O混合气体具备应用于中低压设备，C₃F₇CN混合气体具备应用于中高压气体绝缘设备的潜力，该评估与目前的环保型绝缘气体设备的发展趋势相符，具有很好的参考性。     

基于FTIR技术的环保气体C5F10O/N2分解组分检测方法

近年来，C₅F₁₀O因优良的绝缘性能和环保特性被广泛关注，且C₅F₁₀O混合气体已经在气体绝缘环网柜等设备中开始应用。研究C₅F₁₀O混合气体分解组分的检测方法，对于设备的故障诊断和运维具有重要意义。为此以C₅F₁₀O/N₂混合气体热分解产物为研究对象，搭建傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)检测实验平台，基于FTIR技术探索C₅F₁₀O/N₂混合气体过热分解组分的种类，并与气相色谱质谱联用仪(gas chromatography mass spectrometry,GCMS)的检测结果对比，确定FTIR检测混合气体分解组分的可行性。通过FTIR检测分析，确定C₅F₁₀O/N₂热解后的分解组中...     

C6F12O/N2混合气体与密封材料丁腈橡胶的相容性研究

C₆F₁₂O具有优异的绝缘和环保性能,因此具有在中低压开关设备中作为绝缘介质应用的潜力。为了评估C₆F₁₂O/N₂混合气体在设备中长期安全稳定使用的可行性,需要研究其与设备内部中常用密封橡胶之间的相容性。该文通过搭建相容性试验平台,对C₆F₁₂O/N₂混合气体与丁腈橡胶进行热加速试验研究,分别采用傅里叶变换红外光谱仪和扫描电镜检测气体分解产物和丁腈橡胶表面形貌;同时基于密度泛函理论（DFT）对气体分解产物的生成路径进行模拟,并对丁腈橡胶分子与C₆F₁₂O分子之间的相互作用进行计算。试验结果表明在高温（90℃和110℃）试验后,丁腈橡胶与C₆F₁₂O/N₂混合气体不相容。丁腈橡胶表面析出大量的白色晶体颗粒,并且生成了C₃F₆、NF₃和CS     

电场不均匀度对C4F7N/空气混合气体工频绝缘性能的影响

干燥空气作为性能优异的缓冲气体与C₄F₇N气体混合后具有替代纯SF₆气体的潜力。目前,关于C₄F₇N/空气混合气体的研究主要集中于均匀电场下的绝缘性能,对其在不均匀电场下的击穿特性研究较少。在6种不同电场条件下,通过工频击穿实验探究电场不均匀度、气压、混合比对C₄F₇N/空气混合气体工频绝缘性能的影响,计算分析了不同C₄F₇N体积分数的C₄F₇N/空气混合气体的液化温度及GWP值,给出了可替代纯SF₆气体的混合比例及应用条件。结果表明,电场不均匀度较低时,随着气压升高、C₄F₇N体积分数的增大,C₄F₇N/空气混合气体工频绝缘性能逐渐接近甚至超过纯SF₆气体,电场不均匀度较高时,C₄F_7...     

C4F7N-CO2混合气体绝缘性能计算分析

作为一种新兴的环保绝缘气体,七氟异丁腈（C₄F₇N）因其优异的绝缘性能和远低于六氟化硫（SF₆）的全球增温潜势引起了研究人员的广泛关注。在C₄F₇N电子碰撞截面等基础数据不完整的情况下,文中基于气体流注放电判据,提出了C₄F₇N-CO₂混合气体有效电离反应系数的计算方法,分析了C₄F₇N-CO₂混合气体的临界击穿场强及绝缘性能的变化规律。研究结果表明,当C₄F₇N气体的热化系数为1.2或1.4时,C₄F₇N-CO₂混合气体的临界击穿场强计算值与实验数据吻合较好。此外,C₄F₇N-CO₂混合气体临界击穿场强随气体比例的变化曲线均存在明显的非线性特点。当C₄...     

高压断路器中C4F7N/CO2混合气体的开断性能

C₄F₇N/CO₂混合气体是一种潜在的SF₆替代气体，开展其在高压断路器中开断性能的研究，对推动环保输电方式发展、支撑双碳目标实现具有重要的工程意义。基于磁流体动力学(magnetohydrodynamics,MHD)理论，仿真计算了充有0.6 MPa 5%C₄F₇N/CO₂、10%C₄F₇N/CO₂、15%C₄F₇N/CO₂混合气体和纯SF₆的40.5 kV断路器20 kA短路电流开断过程，分析C₄F₇N混合比例对电弧温度特性、灭弧室气压与喷口气流特性的影响规律，并与纯SF₆进行比较。研究结果表明：与混合气体相比，SF₆气体电弧具有更高的弧芯温度和更小的电弧半径，随着C₄F...     

C4F7N/CO2/O2混合气体PD作用下气体和固体副产物生成特性

C₄F₇N/CO₂/O₂混合气体以其优异的环保和绝缘性能成为目前最具潜力替代SF₆应用于电力工业的气体绝缘介质。尽管O₂的加入可以在一定程度上提升C₄F₇N/CO₂混合气体的绝缘性能和化学稳定性,但O₂加入及其体积分数变化对混合气体局部放电(partial discharge,PD)作用下气体和固体副产物生成特性的影响规律尚不清楚。因此通过针–板电极模拟设备内的金属突出物缺陷开展C₄F₇N/CO₂/O₂ 96 h PD及其分解特性试验。研究发现C₄F₇N/CO₂混合气体中加入体积分数2%～4%的O₂可以显著抑制大部分副产物的生成,O₂体积分数大于6%时每秒累积放电量和平均放电...     

C4F7N/CO2混合气体绝缘环网柜的接地开关关合性能模拟试验

采用C₄F₇N混合气体替代SF₆是提升环网柜环境友好性的重要途径。为保证供电可靠性，本文针对C₄F₇N混合气体绝缘环网柜开展接地开关关合试验，优化设备性能，支撑工程应用。首先测量了不同体积占比的C₄F₇N/CO₂混合气体和SF₆下接地开关合闸时间及速度，发现与空气下一致，表明接地开关机械特性稳定且与气体无关。然后研究了不同气体介质下接地开关预击穿特性，分析了电压和气体类型对预击穿时间的影响，结果表明随着电压增大预击穿时间增加，C₄F₇N体积占比提高预击穿时间减小。进一步利用搭建的环网柜接地关合试验回路开展了关合性能模拟试验，发现提高C₄F₇N体积占比有助于减小燃弧电荷转移量，降低触头烧蚀程度，结合混合气体液化温度和经济性指标。     

PFAS及含氟气体管控下环保绝缘气体研究与电力装备应用展望

全球气候变化背景下,SF₆的使用将受到更严格的限制。以C₄F₇N和C₅F₁₀O等为代表的低全球变暖潜在值(global warming potential,GWP)、高绝缘强度气体得到了广泛关注,相关高压电气装备已在多个国家推广应用。然而随着2019年《斯德哥尔摩公约》的签署,世界多国逐步出台了针对全氟烷基和多氟烷基物质(polyfluoroalkylsubstances,PFAS)以及含氟气体限制使用的法规和标准,以美国和欧盟为代表的激进PFAS政策也间接导致3M公司计划于2025年底累计停产包括C₄F₇N、C₅F₁₀O在内的58种含氟物质。为此,该文深入剖析PFAS及含氟气体管控背景下环保绝缘气体与装备发展面临的挑战,阐述相关政策对我国气体绝缘装备低碳发展的影响,指出氟碳类环保绝缘气体的全生命周期管控标准的制定及应用监管规范化是目前的重要工作,并对新型绝缘气体分子设计方法、绝缘与放电理论...     

悬浮电极缺陷不同局部放电强度下的C6F12O/CO2混合气体分解特性研究

C₆F₁₂O是一种具有潜力的SF₆替代气体，为了探究C₆F₁₂O/CO₂混合气体在悬浮电极缺陷不同局部放电强度下的分解特性，搭建了局部放电分解实验平台，在不同外施电压下对C₆F₁₂O/CO₂混合气体进行96 h局部放电分解实验，利用气相色谱法对分解组分进行定量分析，对分解组分含量、产气速率、特征气体比值与局部放电强度的关系分别进行了研究。结果表明：4种典型产物(CF₄、C₂F₆、C₃F₈、C₃F₇H)浓度、产气速率的变化规律上存在差异，可选择作为判断局部放电强度的特征组分；特征组分浓度关系为c(CF₄)>c(C₂F₆)≈c(C₃F₈     

欧盟含氟气体法规对C4F7N气体应用的影响

2022年底美国3M公司宣布将于2025年底停产氟化物气体(其中包括C₄F₇N、C₅F₁₀O和C₆F₁₂O)，同时欧盟也提出更加严格的含氟温室气体法规提案，引发了国内外环保绝缘气体研究机构、设备制造商和电网企业的广泛关注，对C₄F₇N气体未来的研究和应用前景产生了困惑。为分析欧美含氟气体法规对C₄F₇N气体未来应用发展趋势的影响，首先回顾了C₄F₇N气体的提出、技术研究和应用现状，指出目前在应用层面C₄F₇N气体更加适合用于110 k V及以上至特高压等级设备，目前以欧洲和我国应用为主，在研究层面国内学者占主导。接着从3M公司的C₄F₇N气体生产成本、技术指标、市场前景等方面分析了其停产C₄F₇N...     

C4F7N/N2混合气体复原过程研究

C₄F₇N/N₂混合气体是目前潜在替代SF₆的绝缘介质之一。C₄F₇N/N₂混合气体分解与复原过程的研究,对于深入了解该混合气体的熄弧性能具有重要意义。首先,模拟C₄F₇N/N₂混合气体在0.3～30 kK热平衡条件下分解产物粒子浓度的变化;然后,确立C₄F₇N/N₂混合气体的分解路径及粒子种类并计算出各反应的正、逆向速率常数;最后,引用0.1 MPa下C₄F₇N/N₂混合气体弧后温度衰减曲线,作为模拟弧后C₄F₇N/N₂混合气体复原过程中的温度变化数据,通过Chemkin软件计算弧后C₄F₇N/N₂混合气体各...     

典型放电缺陷下的C4F7N/CO2分解特性

C₄F₇N的分解特性关系到气体绝缘电气设备的绝缘性能、缓冲气体选择、固体材料的选择等，也可为电气设备的故障识别提供参考依据。为此，首先利用量子化学方法计算分析了C₄F₇N的解离路径及主要分解物的形成。随后，以C₄F₇N/CO₂混合气体为研究对象，实施了电晕放电、火花放电、悬浮放电等典型缺陷，定性、定量分析了混合比例、施加电压等因素对分解产物种类和含量的影响。C₄F₇N的稳定产物包括全氟烷烃气体(PFCs)CF₄、C₂F₆、C₃F₈、C₃F₆、2-C₄F₆、2-C₄F₈和i-C₄F₁₀；腈类气体CNCN、CF     

基于汤逊放电的C4F7N/CO2摩尔分数检测

C₄F₇N/CO₂混合气体作为一种新型环保绝缘气体应用在实际设备中时，检测混合气体的混合比例是保证设备绝缘可靠性的关键。文中提出了基于汤逊放电的C₄F₇N气体摩尔分数的新检测方法，该方法采用一定条件下汤逊放电电流对应的电压值来表征C₄F₇N气体混合比例。首先开展了不同混合摩尔分数、不同气压下C₄F₇N/CO₂混合气体的稳态汤逊放电试验，建立了摩尔分数与电压的关系，发现该方法可检测摩尔分数0～100%范围，在可能用到的5%～30%范围的比例检测误差不超过0.4%；然后从理论上分析了所提出方法的可行性，证明C₄F₇N/CO₂混合气体中C₄F₇N气体占比在0～100%范围内的汤逊放电电流对应的电压值与混合比例之间存在线性关系。最后，将文中提出的方法与色谱法、红外/紫外...     

微水对环保型C4F7N/CO2混合气体绝缘和分解特性的影响规律

针对工程应用中微水对C₄F₇N/CO₂混合气体绝缘和分解特性的影响规律还鲜有研究的现状,开展了不同微水条件下的工频击穿和悬浮放电分解试验。研究发现工频击穿电压与气压正相关,与微水体积分数负相关,悬浮放电后分解物包括CF₄、C₂F₄、C₂F₆、C₃F₆、C₃F₈、C₄F₈、CNCN、CF₃CN、CHF₃和CO,分解物生成量与放电时间及微水体积分数均正相关,C3F8、C4F8和CO的产气均方速率随微水上升呈现迅速增加、基本稳定和迅速增加特征,而CF₄、C2F₄、C₂F₆、C₃F₆、CHF₃、C...     

C4F7N/CO2/O2混合气体交流电晕放电分解特性

为研究环保型C₄F₇N/CO₂/O₂三元混合气体放电分解特性，开展了不同O₂体积分数的C₄F₇N/CO₂/O₂三元混合气体交流电晕放电分解试验，主要分解产物包括CF₄、C₂F₆、C₃F₆、C₃F₈、C₆F₁₄、CNCN和CF₃CN,CF₄、C₂F₆和C₃F₈等饱和类碳氟气体生成量较高，不饱和类碳氟气体C₃F₆生成量较低。O₂的加入能显著抑制气体分解，O₂体积分数为4%的混合气体在6...     

C4F7N/CO2中微水对环氧树脂沿面闪络特性影响

气体绝缘设备中存在微水,将会影响C₄F₇N/CO₂气体和环氧树脂组成气固绝缘系统的绝缘性能。文中首先探索了含微水条件下环保型气固绝缘系统沿面闪络电压的试验方法,随后测试了不同气压、不同微水含量时C₄F₇N/CO₂和环氧树脂气固绝缘系统的工频沿面闪络电压。结果表明,在同一微水含量下,环保气固绝缘系统的工频沿面闪络电压随着气体压强的增大而增大,并且具有一定的饱和趋势,微水也会降低气固绝缘系统“闪络电压-气体压强”的变化率;在同一气压条件下,工频沿面闪络电压随微水含量增大而呈现下降趋势,微水体积分数小于500×10^-6时,气固绝缘系统沿面闪络电压下降幅度不大于5.5%,当微水体积分数为1 500×10^-6时气固绝缘系统沿面闪络电压最大下降幅度为8.8%。研究可为C₄F₇N/CO₂混合气体绝缘电气设备工程应用时微水含量控制值的选择提供实践依据。     

典型电场下C4F7N/CO2/O2混合气体工频击穿特性研究

研究表明O₂可以抑制C₄F₇N/CO₂混合气体的分解,从而提升气体工程应用可靠性,但C₄F₇N/CO₂/O₂混合气体绝缘特性相关研究较少。为评估O₂对C₄F₇N/CO₂混合气体工频绝缘特性的影响,该文搭建了击穿试验平台,获得了典型运行气压、O₂含量和电场形式下的工频击穿电压。结果表明随着气压增加,1mm气隙准均匀电场下的C₄F₇N/CO₂/O₂混合气体击穿电压接近线性增长,而在稍不均匀和极不均匀电场下呈现一定的饱和增长趋势,6mm气隙极不均匀电场下则呈现N形变化规律。C₄F₇N/CO₂/O₂混合气体击穿电压对较高气压和较长气隙下的极...