C4F8混合气体的应用研究

韩天旗 付鲁军 李树平

（1. 西安高压电器研究院有限责任公司 2. 西安西电电气研究院有限责任公司)

0 引言

随着我国电力系统的发展，对电力设备的绝缘要求也越来越高。SF6气体由于具有优良的物理和化学性能：绝缘性能高，气体绝缘开关设备体积小；不会老化，使用寿命几乎不受限制；不受外界环境影响，运行安全可靠等，被广泛应用于高压气体绝缘金属封闭开关设备中。SF6气体从发现至今大约有一百年的历史，它的广泛应用促进了高压绝缘及输变电技术的迅猛发展[1]。

SF6作为绝缘气体的一个最严重的问题就是1997年《京都协定书》上提出的温室效应[2]，它的GWP（全球变暖潜值）为CO2气体的23900倍。在该会议上已明确把该气体列为未来减少甚至杜绝使用的高环境污染气体。目前在实际应用中大多采用SF6/N2混合气体替代SF6气体使用[3-4]，然而为了保证绝缘强度，SF6混合比一般不小于50%，GWP仍然是纯SF6气体的二分之一，不能从根本上解决SF6的温室效应。

1 绝缘气体的性质

1.1 SF6气体的性能

SF6气体是目前世界上最优良的绝缘介质和灭弧介质。它无色、无味、无嗅、无毒、不燃烧；在常温常压下，化学性能稳定。SF6气体之所以适用于电力设备，因它主要有以下优点：①强电负性[5]；②具有优异的灭弧性能[5]；③绝缘强度高；④热传导性能好且易复合；⑤通常无液化问题（通常开关设备使用SF6气体压力〈0.65MPa，0.65 MPa 下SF6气体的液化温度约为-40℃）；⑥SF6的最大优点是不含碳，在开关关合、开断短路电流后不会分解出影响绝缘性能的碳粒子[6]；⑦SF6可在小的气罐内储存；⑧供气方便，价格便宜且稳定。

1.2 C4F8气体的性质

八氟环丁烷（C4F8）气体无毒，零ODP（臭氧耗损潜值），低GWP（是SF6的36.4%）[7]，高绝缘强度，对电极表面粗糙度敏感性低[8]。然而C4F8气体也有它的缺点：①C4F8分子中含有碳，在高温环境下会分解产生导电微粒，这将影响开关设备的绝缘性能。如果开关设备采用真空灭弧室作为的灭弧单元，则C4F8只作为外绝缘，关合、开断短路电流对外绝缘的C4F8不会产生高温分解，也就不会降低其绝缘能力；②气体价格高；③ C4F8气体在标准大气压下液化温度较高（-6～ -8℃）。但是C4F8气体如果和液化温度低的普通气体，如：N2、CO2、N2O和空气等，组成混合气体，可以使液化温度和成本都降低，所以混合气体比单一气体有着优异的特性，有很好的工业应用前景。表1为SF6气体、C4F8气体和N2的基本特性参数对比。

表1 SF6气体、C4F8气体和N2的基本特性参数对比表

2 气体研究的应用环境

为了对C4F8气体的绝缘和散热性能进行研究，笔者采用成熟产品ZW20-12/630型柱上开关设备作为气体研究的试品， ZW20-12/630型柱上开关设备（真空断路器）结构如图1所示。

图1 ZW20-12/630型柱上开关设备（真空断路器）结构图

由图1可以看出ZW20-12/630型柱上开关设备采用真空灭弧室作为灭弧单元，SF6气体作为绝缘介质。为了进行试验比对，笔者对开关设备局部进行了修改，将拐臂与绝缘拉杆之间直径8mm的销子换成直径为8mm的圆棒，将回路的高电位引到圆棒（圆棒结构如图2所示，其中L为圆棒长度）上，形成棒/板电极，电极间间隙为极不均匀电场。通过调整圆棒与箱壁的间距来改变相对地最小绝缘距离，调整圆棒与圆棒的间距来改变相间最小绝缘距离，进行绝缘试验。修改后的开关设备内部结构如图3所示。

图2 圆棒结构

图3 修改后的开关设备内部结构

3 混合气体绝缘性能试验

3.1 试验方法与判断方式

本文对气体绝缘试验的试验方法和判断方式按GB/T16927.1—2011《高电压试验技术 第1部分：一般定义及试验要求》的要求分别进行短时工频耐受电压试验和雷电冲击电压试验。

3.2 试验过程和结果

在对开关设备进行试验时，对在开关设备分别充入气体最低工作压力：零表压（20℃时）的SF6、 C4F8/N2（体积比为1∶4）、C4F8/N2O/N2（体积比为2∶1∶7）的气体进行绝缘试验。

（1）短时工频耐受电压试验

按GB/T16927.1—2011《高电压试验技术 第1部分：一般定义及试验要求》的要求分别对充有SF6、C4F8/N2、C4F8/N2O/N2气体的开关设备分别施加48kV、55kV、60kV的电压，持续1min中后未发生破坏性放电，试验通过。当试品施加60kV电压的时候，随着施加电压的不断升高开关设备的电晕声越来越大，并且在进、出线端子外表面有火花产生，预示着开关设备的进、出线端子的外部绝缘已接近极限，因此笔者就再未提高工频耐受电压对开关设备进行更高电压的试验。试验结果见表2。

表2 施加短时工频耐受电压结果

（2） 雷电冲击电压试验

按GB/T16927.1—2011《高电压试验技术 第1部分：一般定义及试验要求》的要求分别对充有SF6、C4F8/N2、C4F8/N2O/N2气体的开关设备分别施加标准的正、负极性雷电冲击电压。图4为绝缘试验现场照片。表3为施加雷电冲击电压绝缘试验结果（相间绝缘距离均为57mm）。

试验结束后，打开开关设备的外壳观察击穿情况，在开关壳体的内表面发现明显的击穿斑点，表明相对地发生击穿，未发现相间击穿的斑点。图5为相对地击穿的电弧斑点照片。

表3 施加雷电冲击电压绝缘试验结果

图4 绝缘试验现场照片

图5 相对地击穿的电弧斑点照片

3.3 绝缘试验结论

通过以上试验结果可以看出在气体压力为0.1MPa下，最小相对地绝缘距离为35mm和最小相间绝缘距离为57mm时，C4F8/N2O/N2混合气体的绝缘强度低于C4F8/N2混合气体，C4F8/N2混合气体的绝缘强度低于SF6气体，实际运用时C4F8/N2混合气体能达到12kV气体绝缘开关设备，短时工频耐受电压48kV和雷电冲击电压85kV的绝缘强度的要求，并且C4F8/N2气体的绝缘强度是SF6气体的80%，结果表明在12kV气体绝缘开关设备中C4F8/N2混合气体能够替代SF6气体作为开关设备的绝缘介质。

4 混合气体散热性能试验

4.1 试验方法

本文对气体散热性能的试验方法按GB/T11022—2011《高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求》要求在ZW20-12/630型柱上开关设备进行温升试验。

考虑到C4F8/N2O/N2混合气体的绝缘强度低于C4F8/N2混合气体，温升试验我们只对C4F8/N2混合气体和SF6气体进行试验比对。

4.2 试验过程和结果

C4F8/N2和SF6气体分别充入同一台ZW20-12/630型柱上开关设备进行温升试验。试验电流为开关设备额定电流的1.4倍（882A），测量温升布点情况如图6所示，共测量8个点。测量点均位于开关设备的外壳处，由于在同一台开关设备上进行试验，施加在回路上的电流基本一样，试验回路的发热量和散热条件也基本相同，通过测量外壳随时间温度变化的情况就可以对比两种气体的散热性能。

图6 测量温升布点图

开关设备三相回路电阻分别为：A相 91.5μΩ、B 相78.3μΩ、C相 81.2μΩ。图7为温升试验现场照片。

图7 温升试验现场照片

采用SF6气体的开关设备温升试验的结果见图8，采用C4F8/N2气体的开关设备温升试验结果见图9，图中数据均为测量时的温度值（℃）。

4.3 温升试验结论

通过对温升试验结果比较，可以看出使用两种气体各测量点中，1和1'、2和2'、3和3'、5和5'、7和7'、8和8'点随时间变化温升比较接近，4和4'、6和6'在稳定时温升相差3℃（如图10所示），由图6和图7可以判断，出现这种可能的原因在于ZW20-12/630型柱上开关设备的内部结构导致位于中心位置的4和6点连线附近区域热量不容易散失，同时也说明C4F8/N2比SF6气体在0.1MPa的气体压力（绝对压力）下散热性能稍逊。

图8 SF6气体的温升试验的结果（测量点温度 ℃ 环境温度 22.6 ℃）

图9 C4F8/N2混合气体的温升试验的结果（测量点温度℃ 环境温度 23.0 ℃）

图10 C4F8/N2混合气体与SF6气体4点和6点温升试验结果对比

5 结束语

本文通过在12kV气体绝缘ZW20-12/630型柱上开关设备（真空断路器）中进行绝缘和温升试验，对C4F8混合气体替代SF6气体的可能性进行研究，根据试验结果可以得出如下结论：

1）C4F8/N2（体积比为1∶4）混合气体在ZW20-12/630型柱上真空断路器中完全可以满足绝缘试验的要求。

2）在气体压力为0.1MPa的压力（绝对压力）下，最小相对地绝缘距离35mm和最小相间绝缘距离57mm时，C4F8/N2（体积比为1∶4）混合气体能够作为12kV气体绝缘开关设备作为绝缘介质使用。

3）C4F8/N2（体积比为1∶4）比SF6气体在0.1MPa的气体压力（绝对压力）下散热性能稍逊。

综上所述，C4F8混合气体只要混合比和使用压力恰当，在12kV气体绝缘开关设备中完全可以替代SF6气体作为开关设备的绝缘介质。

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[9]GB/T16927.1—2011 高电压试验技术 第1部分：一般定义及试验要求[S].

[10]GB/T11022—2011 高压开关设备和控制设备标准的共用技术要求[S].