气体放电特性和绝缘性能的研究

正是由于CF3I对环境的友好性，引起了研究人员广泛的兴趣，许多国家都展开了对CF3I的全面研究，而作为气体绝缘介质的研究只是其中一个方面。幸运的是，CF3I在绝缘性能方面也有着极为出色的表现。

本节先从气体输运参数角度对纯CF3I及其与N2的混合气体进行了研究，然后研究CF3I/N2混合气体在极不均匀场下的击穿特性，采用针-板电极来模拟C-GIS中出现的极不均匀场的情况，通过调节针板电极间距以及实验装置气压来研究CF3I与N2混合气体在极不均匀电场下的宏观击穿电压。在实验中，CF3I的混合比例为5%和10%，实验的气压变化范围为0.1～0.3MPa，电极间间隙的距离变化范围为0～50mm。

6.4.2.1 CF3I气体的输运参数

我们从气体输运参数角度对纯CF3I及其与N2的混合气体进行了研究，通过脉冲汤逊放电实验测得了CF3I在100～850Td范围内的电离系数α、吸附系数η、漂移速度Ve及径向扩散系数NDL。通过实验结果所得到的混合气体临界场强随CF3I比例的变化趋势如图6-36所示。对比发现，CF3I的临界场强（E/N）lim=437Td，远大于SF6的361Td。表明CF3I在绝缘性能上要优于SF6气体，同时在与N2混合比例达到70%的时候，CF3I/N2混合气体的绝缘强度基本上和纯SF6相当。同时，我们得到了不同的CF3I摩尔分数k（%）时CF3I/N2混合气体的有效电离系数及电子漂移速度和约化电场强度的关系，如图6-37和图6-38所示。

我们用实验的方法测量了CF3I与CO2混合气体的击穿电压，对CF3I气体的绝缘性能进行了分析，并与SF6进行了对比。实验结果表明，纯CF3I的击穿电压为SF6的1.2倍以上，当CF3I与CO2的混合气体比例达到60%左右时，击穿电压达到纯SF6水平，如图6-39所示。同时，我们得到了不同的CF3I摩尔分数k（%）时CF3I/CO2混合气体的有效电离系数及电子漂移速度和电场强度的关系，如图6-40和图6-41所示。

图6-36 CF3I/N2混合气体(E/N)lim随比例的变化趋势

图6-37 不同CF3I摩尔分数时CF3I/N2混合气体有效电离系数和电场强度的关系

图6-38 不同CF3I摩尔分数时CF3I/N2混合气体电子漂移速度和电场强度的关系

我们从实验、蒙特卡罗模拟和玻耳兹曼方程等多个角度对CF3I的输运参数进行计算对比，修正了部分碰撞截面数据。所得到的结果与参考文献基本一致。我们还对CF3I与SF6混合气体的临界场强和电子群参数进行了研究，同样显示了CF3I极好的绝缘特性。

图6-39 CF3I/CO2混合气体正极性击穿电压

图6-40 不同CF3I摩尔分数时CF3I/CO2混合气体有效电离系数和电场强度的关系

6.4.2.2 CF3I混合气体的绝缘性能

1）5%CF3I/95%N2混合气体的工频击穿特性

图6-42所示为当压力一定时，5%CF3I/95%N2混合气体击穿电压随放电间距变化的变化曲线。对其进行分析可以发现：随着实验压力的提高，气隙的耐压水平也在整体线性提高。在气压从0.1MPa变化到0.3MPa的范围内，尽管实验压力变化较大，但在每个固定的气压下，气隙击穿电压都随着气隙距离的增加而线性增加，且具有良好的线性度。与同等条件下的N2击穿电压相比， 5%比例的CF3I混合气体在较低的气隙下，绝缘强度提升并不明显。但到了较高的放电间隙下，绝缘性能最多能提高3倍以上。这表明，即使是混合较低比例的CF3I，混合气体的绝缘性能也能有大幅度的提升。

图6-41 不同CF3I摩尔分数时CF3I/CO2混合气体电子漂移速度和电场强度的关系

图6-42 5%CF3I/95%N2混合气体在0.1～0.3MPa气压下击穿电压随间隙的变化情况

图6-43所示为电极间隙距离一定时，击穿电压随实验气压的变化曲线，进行分析同样可以发现：在5mm和10mm情况下，尽管针板电极间距离不同，但气隙击穿电压都随着实验气压的增加而线性增加，且具有良好的线性度。但随着放电间隙的不断增大，击穿电压随气压变化的线性度下降，呈现出先快速上升，再平缓变化的趋势。出现这种现象，与电负性气体中存在的驼峰效应有直接关系，但由于CF3I含量较低，因此驼峰效应并不明显。

图6-43 5%CF3I/95%N2混合气体在5～40mm距离变化范围内击穿电压随气压的变化关系

2）10%CF3I/90%N2混合气体的工频击穿特性

图6-44 10%CF3I/90%N2混合气体在0.1～0.3MPa气压下击穿电压随间隙的变化情况

图6-44所示为10%CF3I/90%N2混合气体击穿电压随放电间距变化的变化曲线。可以看出，各个气压下击穿电压基本随间隙呈线性增长。与同等条件下的N2击穿电压相比，5%比例的CF3I混合气体在较低的气隙下，绝缘强度提升并不明显。但到了较高的放电间隙下，绝缘强度能达到纯N2的3.7倍之多。

图6-45所示为电极间隙距离一定时，击穿电压随实验气压的变化曲线。与5%比例时的情况类似，在5mm和10mm情况下，气隙击穿电压都随着实验气压的增加而线性增加，且具有良好的线性度。但随着放电间隙的不断增大，击穿电压随气压变化的线性度下降，呈现出先快速上升，再平缓变化的趋势。

图6-45 10%CF3I/90%N2混合气体在5～30mm距离变化范围内击穿电压随气压的变化关系

3）5%CF3I/95%N2混合气体的雷电冲击特性

图6-46给出了正负极性雷电冲击下0.12～0.3MPa气压变化范围内5%CF3I/95%N2混合气体气隙距离与击穿电压的关系。首先无论在何种实验气压下，正负极性雷电冲击电压下击穿电压与气隙距离之间的变化都不再呈现线性变化趋势，而是随间隙的增加逐渐饱和。尽管负极性雷电冲击电压下击穿电压的增长速度更快，但并非负极性雷电冲击下的击穿电压一直高于正极性雷电冲击电压下的击穿电压，且两者的交会值随着实验气压的降低而提高。从图6-46（a）可以看到，随着气压的提高，正极性击穿电压随气隙距离增加而增加。并且整体趋势是在某一固定气隙距离下，击穿电压随着气压的增大而增大，但是在某些气隙距离下出现了实验气压降低，但是气隙击穿电压反而提高的现象。图6-46（b）为负极性雷电冲击电压下0～0.2MPa气压变化范围内气隙距离与击穿电压之间的关系比较图，可以看到随着气压的提高，击穿电压随气隙距离增加而增加，并且整体趋势是在某一固定气隙距离下，击穿电压随着气压的增大而增大。在40mm到60mm距离下气隙的击穿电压出现了明显的饱和现象。

图6-46 5%CF3I/95%N2在不同气压下雷电冲击电压与击穿电压的关系

（a）正极性；（b）负极性

4）10%CF3I/90%N2混合气体的雷电冲击特性

图6-47给出了10%CF3I/90%N2在0.1～0.3MPa下冲击电压随间隙的关系曲线，与SF6气体类似，10%CF3I/90%N2混合气体在极不均匀的电场环境下表现出了明显的极性效应，即气隙的负极性雷电冲击电压下的气隙击穿电压远高于正极性雷电冲击电压下的，且随着电极间气隙距离的增大，正负雷电冲击电压下两者之间的击穿电压值的差别还在进一步增大。但正负极性都随间隙的变化逐渐趋向饱和。与同等条件下的N2相比，5%及10%比例的CF3I/N2混合气体都表现出了远高于纯N2的绝缘强度，且随混合比例的提升快速增加。

图6-47 10%CF3I/90%N2在不同气压下雷电冲击电压与击穿电压的关系

（a）正极性；（b）负极性