武汉大学周文俊团队特稿：气体绝缘输电线路用C3F7CN/CO2混合气体与环氧树脂相容性试验
武汉加油 共渡难关
武汉大学电气与自动化学院“过电压与绝缘科研团队”由周文俊教授、中国科学院陈维江院士、英国格拉斯哥大学周承科教授（IET Fellow）、澳大利亚莫纳什大学苏錡教授、喻剑辉教授和李涵等老师组成，现有在读博士生和硕士生共20余人。课题组在研国家重点研发计划2项，国家自然科学基金重点项目1项，国家电网公司科技项目若干项，主要涉及：SF6替代气体研究、GIS和GIL绝缘缺陷故障诊断、GIL中气固材料相容性研究、雷电防护研究、变电站局部放电遥测与定位、电缆局放检测与资产管理。
团队负责人：周文俊，武汉大学电气与自动化学院二级教授，博士生导师，IEEE高级会员，享受国务院政府特殊津贴。中国电机工程学会高电压专业委员会委员，中国电工技术学会电工测试专委会副主任委员，全国高电压测试与绝缘配合标委会委员，湖北省高电压专委会副主任委员，IEEE多个国际期刊审稿人，《高电压技术》杂志顾问，武汉大学十大杰出青年，武汉大学师德标兵。
本文提出了C3F7CN/CO2气体与环氧树脂相容性的评价方法，搭建了气固相容性试验平台，在不同温度下进行了C3F7CN/CO2与环氧树脂的热加速试验。并设置惰性气体He和SF6作为对照试验组，比较了试验前后环氧树脂的沿面绝缘性能、表面形貌与气体成分，结果表明环氧树脂和绝缘气体性能参数均未发生明显变化。
仅当试验温度为160℃时，C3F7CN/CO2中检测出少量的C3F6和C3F7CN产物，推测高温条件下C3F7CN发生了化学反应，但并未对环氧树脂的绝缘性能产生影响。试验说明在GIL正常运行条件下C3F7CN/CO2与环氧树脂具有较好相容性，并与目前使用的SF6的气固相容性相当。
气体绝缘输电线路（GIL）中气体与固体绝缘材料的相容性表现为：两种材料长期接触后导致的绝缘性能变化以及气体成分和固体材料的改变。作为目前有潜力替代SF6的环保绝缘气体，C3F7CN/CO2混合气体与GIL内使用的环氧树脂材料之间的相容性亟待研究，因其相容性问题可能引发设备的绝缘故障。
目前GIL中使用的盆式绝缘子等绝缘件的材料为环氧树脂（Epoxy Resin），当前热老化试验大多将样品暴露在空气中（热氧老化），在GIL环境如SF6或C3F7CN/CO2中环氧树脂的热加速相容性能鲜有研究。因不同气体氛围中环氧树脂的性能变化规律可能不同，进一步探究GIL气体环境中环氧树脂的特性，对准确分析环氧树脂的绝缘性能变化及状态评估具有十分重要的意义。
本文提出气体与环氧树脂相容性的评价方法：在密封环境下使气体与环氧树脂充分接触，采用环氧树脂的玻璃化转变区间内温度进行热加速试验；使环氧分子链运动更加活跃，气固化学反应时间缩短，以测试环氧树脂材料绝缘性能的变化和生成的气体杂质判断材料的相容性。
开展了9%C3F7CN/91%CO2混合气体与环氧树脂材料的热加速相容性试验，设置相同材料不同温度及同等试验条件下SF6和He的对照组，采用介电损耗参数与沿面闪络电压表征样品的绝缘性能，傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析固体样品表面化学基团，扫描电镜（SEM）观察固体样品的表面形貌，气相色谱质谱联用仪（GC-MS）分析混合气体成分。
进行环氧树脂样品在9%C3F7CN/91%CO2环境下的工频沿面闪络电压测试。腔体气压每升高0.05MPa，试验样品沿面闪络电压约升高20kV。当测试气压不超过0.25MPa时，闪络电压值随着腔体气压的升高而线性增长，当腔体气压继续升高，闪络电压分散性增大且存在饱和趋势。沿面闪络电压测试结果如图1所示，表明经过热加速试验后的样品在高气压下的沿面绝缘性能略有下降。
图1 沿面闪络电压试验结果
良好的环氧树脂工频下的介质损耗角正切值不超过0.004，随着试验温度高于环氧树脂玻璃化转变温度（118.2℃），工频下的tanδ值（表1）具有缓慢上升趋势，但仍在符合绝缘要求的范围内。
表1 环氧树脂样品工频下tanδ测量值
图2所示为最高试验温度160℃下的傅里叶红外光谱图，发现在不同气体环境中试验后的样品图谱与原始样品的出峰时间和吸光度一致，匹配度很高。环氧树脂的填料为Al2O3粉，Al2O3的四个特征峰分别为826cm-1、642cm-1、601cm-1和453cm-1，与原始样品的光谱相比，试验后Al2O3的四个特征峰更加明显，表明试验后样品表面检测到更多的Al2O3。
原因是热加速试验中温度升高导致Al2O3填料析出，更接近环氧树脂表面，尚未在环氧表面发现其他产物。同时试验后的环氧表面未发现明显的断层断面或析出晶体，说明几种气体环境的试验对环氧树脂表面形貌均未造成影响。
图2 FTIR测试结果
由图3可见，试验后C3F7CN/CO2中检测出杂质气体。其中空气为针采样取气时混入，保留时间9~10min区间内为C3F6气体，保留时间27~28min区间内推测为C12F21N3物质，相同温度下惰性气体对照组内均无杂质气体产生。推测160℃下C3F7CN的碳-氮三键断裂聚合成C12F21N3，同时碳-碳键与碳-氟键断裂后生成C3F6。
图3 GC-MS测试结果
GIL正常运行条件下，环保绝缘气体C3F7CN/CO2和SF6相比，与环氧树脂的气固相容性相当。但当GIL发生故障导致局部过热（160℃以上）时，C3F7CN/CO2可能会发生裂解反应产生C3F6和C12F21N3（C3F7CN三聚体），相关化学机理及其对绝缘性能的影响仍有待研究。
袁瑞君, 李涵, 郑哲宇, 周文俊, 叶三排. 气体绝缘输电线路用C3F7CN/CO2混合气体与环氧树脂相容性试验[J]. 电工技术学报, 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.