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團隊介紹

武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院“過電壓與絕緣科研團隊”由周文俊教授、中國科學(xué)院陳維江院士、英國格拉斯哥大學(xué)周承科教授（IET Fellow）、澳大利亞莫納什大學(xué)蘇錡教授、喻劍輝教授和李涵等老師組成，現(xiàn)有在讀博士生和碩士生共20余人。課題組在研國家重點研發(fā)計劃2項，國家自然科學(xué)基金重點項目1項，國家電網(wǎng)公司科技項目若干項，主要涉及：SF6替代氣體研究、GIS和GIL絕緣缺陷故障診斷、GIL中氣固材料相容性研究、雷電防護研究、變電站局部放電遙測與定位、電纜局放檢測與資產(chǎn)管理。

團隊負責(zé)人：周文俊，武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院二級教授，博士生導(dǎo)師，IEEE高級會員，享受國務(wù)院政府特殊津貼。中國電機工程學(xué)會高電壓專業(yè)委員會委員，中國電工技術(shù)學(xué)會電工測試專委會副主任委員，全國高電壓測試與絕緣配合標委會委員，湖北省高電壓專委會副主任委員，IEEE多個國際期刊審稿人，《高電壓技術(shù)》雜志顧問，武漢大學(xué)十大杰出青年，武漢大學(xué)師德標兵。

導(dǎo)語

本文提出了C3F7CN/CO2氣體與環(huán)氧樹脂相容性的評價方法，搭建了氣固相容性試驗平臺，在不同溫度下進行了C3F7CN/CO2與環(huán)氧樹脂的熱加速試驗。并設(shè)置惰性氣體He和SF6作為對照試驗組，比較了試驗前后環(huán)氧樹脂的沿面絕緣性能、表面形貌與氣體成分，結(jié)果表明環(huán)氧樹脂和絕緣氣體性能參數(shù)均未發(fā)生明顯變化。

僅當(dāng)試驗溫度為160℃時，C3F7CN/CO2中檢測出少量的C3F6和C3F7CN產(chǎn)物，推測高溫條件下C3F7CN發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，但并未對環(huán)氧樹脂的絕緣性能產(chǎn)生影響。試驗說明在GIL正常運行條件下C3F7CN/CO2與環(huán)氧樹脂具有較好相容性，并與目前使用的SF6的氣固相容性相當(dāng)。

研究背景

氣體絕緣輸電線路（GIL）中氣體與固體絕緣材料的相容性表現(xiàn)為：兩種材料長期接觸后導(dǎo)致的絕緣性能變化以及氣體成分和固體材料的改變。作為目前有潛力替代SF6的環(huán)保絕緣氣體，C3F7CN/CO2混合氣體與GIL內(nèi)使用的環(huán)氧樹脂材料之間的相容性亟待研究，因其相容性問題可能引發(fā)設(shè)備的絕緣故障。

目前GIL中使用的盆式絕緣子等絕緣件的材料為環(huán)氧樹脂（Epoxy Resin），當(dāng)前熱老化試驗大多將樣品暴露在空氣中（熱氧老化），在GIL環(huán)境如SF6或C3F7CN/CO2中環(huán)氧樹脂的熱加速相容性能鮮有研究。因不同氣體氛圍中環(huán)氧樹脂的性能變化規(guī)律可能不同，進一步探究GIL氣體環(huán)境中環(huán)氧樹脂的特性，對準確分析環(huán)氧樹脂的絕緣性能變化及狀態(tài)評估具有十分重要的意義。

主要內(nèi)容及創(chuàng)新點

本文提出氣體與環(huán)氧樹脂相容性的評價方法：在密封環(huán)境下使氣體與環(huán)氧樹脂充分接觸，采用環(huán)氧樹脂的玻璃化轉(zhuǎn)變區(qū)間內(nèi)溫度進行熱加速試驗；使環(huán)氧分子鏈運動更加活躍，氣固化學(xué)反應(yīng)時間縮短，以測試環(huán)氧樹脂材料絕緣性能的變化和生成的氣體雜質(zhì)判斷材料的相容性。

開展了9%C3F7CN/91%CO2混合氣體與環(huán)氧樹脂材料的熱加速相容性試驗，設(shè)置相同材料不同溫度及同等試驗條件下SF6和He的對照組，采用介電損耗參數(shù)與沿面閃絡(luò)電壓表征樣品的絕緣性能，傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析固體樣品表面化學(xué)基團，掃描電鏡（SEM）觀察固體樣品的表面形貌，氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）分析混合氣體成分。

進行環(huán)氧樹脂樣品在9%C3F7CN/91%CO2環(huán)境下的工頻沿面閃絡(luò)電壓測試。腔體氣壓每升高0.05MPa，試驗樣品沿面閃絡(luò)電壓約升高20kV。當(dāng)測試氣壓不超過0.25MPa時，閃絡(luò)電壓值隨著腔體氣壓的升高而線性增長，當(dāng)腔體氣壓繼續(xù)升高，閃絡(luò)電壓分散性增大且存在飽和趨勢。沿面閃絡(luò)電壓測試結(jié)果如圖1所示，表明經(jīng)過熱加速試驗后的樣品在高氣壓下的沿面絕緣性能略有下降。

圖1 沿面閃絡(luò)電壓試驗結(jié)果

良好的環(huán)氧樹脂工頻下的介質(zhì)損耗角正切值不超過0.004，隨著試驗溫度高于環(huán)氧樹脂玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（118.2℃），工頻下的tanδ值（表1）具有緩慢上升趨勢，但仍在符合絕緣要求的范圍內(nèi)。

表1 環(huán)氧樹脂樣品工頻下tanδ測量值

圖2所示為最高試驗溫度160℃下的傅里葉紅外光譜圖，發(fā)現(xiàn)在不同氣體環(huán)境中試驗后的樣品圖譜與原始樣品的出峰時間和吸光度一致，匹配度很高。環(huán)氧樹脂的填料為Al2O3粉，Al2O3的四個特征峰分別為826cm-1、642cm-1、601cm-1和453cm-1，與原始樣品的光譜相比，試驗后Al2O3的四個特征峰更加明顯，表明試驗后樣品表面檢測到更多的Al2O3。

原因是熱加速試驗中溫度升高導(dǎo)致Al2O3填料析出，更接近環(huán)氧樹脂表面，尚未在環(huán)氧表面發(fā)現(xiàn)其他產(chǎn)物。同時試驗后的環(huán)氧表面未發(fā)現(xiàn)明顯的斷層斷面或析出晶體，說明幾種氣體環(huán)境的試驗對環(huán)氧樹脂表面形貌均未造成影響。

圖2 FTIR測試結(jié)果

由圖3可見，試驗后C3F7CN/CO2中檢測出雜質(zhì)氣體。其中空氣為針采樣取氣時混入，保留時間9~10min區(qū)間內(nèi)為C3F6氣體，保留時間27~28min區(qū)間內(nèi)推測為C12F21N3物質(zhì)，相同溫度下惰性氣體對照組內(nèi)均無雜質(zhì)氣體產(chǎn)生。推測160℃下C3F7CN的碳-氮三鍵斷裂聚合成C12F21N3，同時碳-碳鍵與碳-氟鍵斷裂后生成C3F6。

圖3 GC-MS測試結(jié)果

展望

GIL正常運行條件下，環(huán)保絕緣氣體C3F7CN/CO2和SF6相比，與環(huán)氧樹脂的氣固相容性相當(dāng)。但當(dāng)GIL發(fā)生故障導(dǎo)致局部過熱（160℃以上）時，C3F7CN/CO2可能會發(fā)生裂解反應(yīng)產(chǎn)生C3F6和C12F21N3（C3F7CN三聚體），相關(guān)化學(xué)機理及其對絕緣性能的影響仍有待研究。

引用本文

袁瑞君, 李涵, 鄭哲宇, 周文俊, 葉三排. 氣體絕緣輸電線路用C3F7CN/CO2混合氣體與環(huán)氧樹脂相容性試驗[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(1): 70-79. Yuan Ruijun, Li Han, Zheng Zheyu, Zhou Wenjun, Ye Sanpai. Experiment on the Compatibility between C3F7CN/CO2 Gas Mixture and Epoxy Resin Used in Gas Insulated Transmission Line. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(1): 70-79.