非化学平衡态下C4F7N混合气体绝缘自恢复特性及微水微氧对其影响研究

Since SF6 intrinsically holding serious greenhouse effect, its long-term usage have been restricted in the application of gas insulated switchgears. Searching for the safe, environmentally friendly and stable gases with excellent electrical property has been a hot research issue. Among all the alternatives, mixture with C4F7N as the main ingredient is treated as the promising substitute of SF6. However, the performance, mechanism and influence factor of its insulation self-recovery feature under discharging are still unclear. Therefore, this project focuses on the binary gas mixture of C4F7N and buffer gas (N2, CO2 or dry air). The chemical reaction in discharging will be analyzed by molecular dynamics microscopic simulation to obtain the characteristics and regularities of decomposition and recombination as well as the products. The internal relationship between insulation degradation trend and chemical reaction will be built. The physical process and thermodynamics behavior of discharge plasma in chemical disequilibrium will be investigated. The variation characteristics of insulation capability of C4F7N mixtures in discharge will be clarified. The action effect of trace moisture and oxygen in discharging and the matching effect of C4F7N and buffer gas will be obtained. The insulation recoverability and decomposition characteristics in discharging will be tested by experiments. Based on the above research, the mechanism of the insulation self-recovery characteristics of C4F7N mixture and the influence principle of trace moisture and oxygen will be revealed. In summary, this project will provide theoretical and technical support for the reliability and security of the next generation environment-friendly electric power apparatus in the long run.

SF6绝缘气体具有强温室效应，导致其长期使用受到制约，探索安全、环保、稳定且电气性能卓越的替代气体已成为本领域关注的热点。以C4F7N为主配制的混合气体被认为具有替代潜力，但对其放电时的绝缘恢复特性、机理和影响因素的认识还不完全清楚。因此，本项目针对C4F7N与缓冲气体（N2、CO2或干燥空气）的二元混合气体，利用分子动力学微观仿真，完成放电化学过程分析，获取分解、复原和生成物的特性与规律，建立绝缘劣化趋势与化学反应间的内在联系，在非化学平衡态下研究放电等离子体内部物理过程和热力学行为，掌握放电区域的绝缘能力变化特性，探究微水微氧在放电微观理化过程中的作用原理及缓冲气体与C4F7N的匹配效果，通过实验测试混合气体放电过程中的恢复能力和分解特性，最终揭示C4F7N混合气体绝缘自恢复机理及微水微氧对其影响机制，为保障新一代环保电力设备长期使用的安全性和稳定性提供理论与技术支撑。

SF6凭借其良好的绝缘性能和灭弧能力被广泛应用于诸如气体绝缘变压器、气体绝缘全封闭组合电器、气体绝缘输电管线以及气体绝缘开关柜等电力设备中。然而，SF6是一种严重的温室气体，其温室效应潜在值是CO2的23500倍，大气寿命长达3200年，其大量使用会给大气环境带来也不容忽略的影响。同时，由于电力工业中使用的SF6气体占到总使用量的80%以上。因此，寻找一种环保型气体绝缘介质成为本领域近年来研究的热点。. 由于全氟异丁腈(C4F7N)兼具优异的绝缘性能和环保特性，因而得到了国内外替代气体领域研究者的广泛关注，目前关于C4F7N二元混合气体基础绝缘性能的研究取得了初步成果，但是对其放电时的绝缘恢复特性、机理和影响因素的认识还不完全清楚。本项目针对C4F7N与缓冲气体（N2、CO2或干燥空气）的二元混合气体，利用分子动力学微观仿真，完成放电化学过程分析，获取分解、复原和生成物的特性与规律，建立绝缘劣化趋势与化学反应间的内在联系，在非化学平衡态下研究放电等离子体内部物理过程和热力学行为，掌握放电区域的绝缘能力变化特性，探究微水微氧在放电微观理化过程中的作用原理及缓冲气体与C4F7N的匹配效果，通过实验测试混合气体放电过程中的恢复能力和分解特性，最终揭示C4F7N混合气体绝缘自恢复机理及微水微氧对其影响机制，为保障新一代环保电力设备长期使用的安全性和稳定性提供理论与技术支撑。. 研究发现，C4F7N-CO2混合气体放电分解产物主要有CF4、C2F6、C3F8、CF3CN、C2F5CN、C3F6、CO、COF2、C2N2等，其中CF4、C2F6、CO含量相对较高；混合气体热稳定性良好，过热条件下主要产生C3F6、CO，而CF4等产物含量较低；微量水分对混合气体分解特性的影响较小，但会对绝缘性能造成危害；适当氧气的加入能够提升混合气体的绝缘性能并减少固体产物析出，为保证设备运行的安全可靠，建议后续工程应用中在C4F7N-CO2混合气体中添加4%~6%的O2。

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