国内图书分类号：TM855 学校代码：10079 国际图书分类号：621.3 密级：公开
专业硕士学位论文
SF6/CF4混合气体在工频交流电压下的绝缘
特性研究
硕士研究生 ： 阳以歆 导 师 ： 李卫国 教授 申请学位 ： 工程硕士 专业领域 ： 电气工程 培养方式 ： 全日制
所 在 学 院 ： 电气与电子工程学院 答 辩 日 期 ： 2017年3月 授予学位单位 ： 华北电力大学
Classified Index: TM855 U.D.C: 621.3
Dissertation for the Doctoral Degree
Research on the Insulation Properties of SF6/CF4 Gas Mixture under the Power Frequency AC Voltage
Candidate： Supervisor：
Yang Yixin Prof. Li Weiguo
Academic Degree Applied for： Master of Engineering
Electrical Engineering Speciality： School：
Date of Defence：
School of Electrical and Electronic Engineering March，2017
Degree-Conferring-Institution： North China Electric Power University
华北电力大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明此处所提交的硕士学位论文《ｓｆ６ｃｆ４混合气体在工频交流电压下的绝缘特性研究》是本人在导师指导下在华北电力大学攻读硕士学位期间进行研究工作所取得的成果据本人所知论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式注明本声明的法律结果将完全由本人承担作者签名ｗ知曰期年３月２曰华北电力大学硕士学位论文使用授权书《ＳＦＣＦ４混合气体在工频交流电压下的绝缘特性研究》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文本论文的研究成果归华北电力大学所有本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表本人完全了解华北电力大学关于保存使用学位论文的规定同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本允许论文被查阅和借阅学校可以为存在馆际合作关系的兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务本人授权华北电力大学可以采用影印缩印或其他复制手段保存论文可以公布论文的全部或部分内容本学位论文属于请在以上相应方框内打Ｖ保密□在年解密后适用本授权书不保密ｓ／作者签名－小１＞＞签年华北电力大学硕士学位论文
摘 要
SF6气体因其优良的绝缘性能和良好的开断能力而在电力系统中得到了广泛的应用。但是，由于其液化温度高，且具有极高的温室效应指数，其进一步的应用空间受到了。然而，目前并未找到绝缘性能、液化温度、经济安全等特性上都优于SF6的单一气体。现有的研究中，在SF6气体中加入缓冲气体是提高绝缘气体综合性能的一种有效方法，也是绝缘气体研究的主流方向。国内外SF6混合气体的研究主要集中在SF6/N2，SF6/CO2两种混合气体上，对于SF6/CF4混合气体的研究甚少。CF4是一种价格低、液化温度低、温室效应指数低、灭弧性能优良且具有一定电负特性的优质绝缘气体，其与SF6气体的混合作为气体绝缘介质具有一定的学术研究和工业应用价值。本文主要在工频交流电压下研究了SF6/CF4混合气体的绝缘性能，主要完成以下工作：
1.介绍了密封性能良好、电极距离可调并且能承受正负压的试验腔体，为混合气体耐压试验提供了一个稳定的试验环境；
2.在工频交流电压下，对SF6/CF4和SF6/N2两种混合气体进行了耐压试验，包括不同电场形式、不同压强、不同混合比、不同电极距离下的试验，并对试验数据进行处理，分析上述各因素对击穿电压的影响：
（1）在试验压强范围内，同一混合比K的混合气体的击穿电压随压强P的增大而大致线性增加；
（2）在电极距离d和压强P一定时，混合气体的击穿电压随着混合比K的增大非线性增加，呈现一定的饱和趋势，即SF6含量较低时，增加SF6比例，击穿场强增加幅度较大，随着SF6含量的提高，击穿场强的增加幅度逐步下降；
（3）在极不均匀场中，当混合比K和压强P一定时，随着电极距离的增大，混合气体的击穿电压呈非线性增大趋势，在d＞10mm时，击穿电压增加的趋势有所减缓，即在d=10mm时出现拐点；
3.根据SF6/CF4与SF6/N2混合气体击穿电压的比值关系以及SF6/N2绝缘强度经验公式，SF6/CF4的绝缘强度亦可通过经验公式计算；
4.对两种混合气体的协同效应进行了比较分析，发现SF6/CF4的协同效应明显优于SF6/N2。
从耐电强度角度分析，SF6/CF4可以代替纯SF6和SF6/N2作为气体绝缘介质应用于气体绝缘设备中，为SF6气体混合物的研究奠定了良好基础，并为后
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续的研究提供了一定的参考价值。
关键词：SF6；混合气体；气体绝缘；耐压试验；耐电强度
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Abstract
Abstract
Because of excellent insulation performance and breaking capacity, SF6 gas has been widely applied to power system. But the further application of SF6 is limited due to the high liquefaction temperature property and a very high liquefaction temperature index. However, no other alternative pure insulation gas has been found, which with better indices than SF6 among insulation property, liquefaction temperature, economy and safety. In present research works, mixture gas that containing buffer gas in SF6 is a valid way to improve the comprehensive performance of insulation gas and it is also one of the major research categories. Most of the research is conducted on two kinds of mixture gas, SF6/N2 and SF6/CO2, seldom on the mixture gas SF6/CF4. As a kind of insulation low cost gas, CF4 presents many excellent features, such as low liquefaction temperature, low degree of greenhouse effect index and high quality of arc-quenching performance. What’s more, CF4 is also a electronegative gas. Conducting research on mixture insulation gas SF6/ CF4 is of great value of academic research and industrial application. This paper studied SF6/CF4 mixed gas insulation performance under power frequency AC voltage，mainly completed the following work：
1.Introduce a test chamber, which is of good sealing performance, has a distance-adjustable electrode and can withstand both positive and negative pressure, providing a stable test environment for the mixed gas pressure test.
2.Under the circumstance of power frequency AC voltage, a gas pressure test that uses two kinds of gas mixture of SF6/N2 and SF6/CF4 has been carried out. Including the test under different forms of electric field, various pressure, different mixing ratio and different electrode distance, next processing the test data and finally analyzing the influence of the above factors on the breakdown voltage：
（1）Within the range of pressure and with the same mixing ratio k, the breakdown voltage of mixture gas SF6/CF4 almost increases linearly with the increase of pressure p.
（2）With a constant value of distance of electrodes d and a constant value of pressure p, the breakdown voltage of mixture gas SF6/CF4 increases non-linearly with the mixing ratio k, showing a saturation trend. Namely, when the proportion of
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Abstract
SF6 is low, the breakdown voltage would increase greatly with the increase of content SF6 at first. And then the increase rate would be declining.
（3）Under the condition of highly non-uniform electric field, when mixing ratio k and pressure p are constant, breakdown voltage of mixture gas SF6/CF4 increases non-linearly with the distance between electrodes d. When d is larger than 10 mm, the increase rate would be declining. Namely d equals to 10 mm is the inflection point.
3.According to the ratio of breakdown voltage of mixture gas SF6/CF4 to that of mixture gas SF6/N2 and the known empirical formula of mixture gas SF6/N2, the dielectric strength of mixture gas SF6/CF4 can be obtained.
4.Comparing mixture gas SF6/CF4 with mixture gas SF6/N2, the synergy of mixture gas SF6/CF4 is much better.
From view point of dielectric strength, mixture gas SF6/CF4 is a good choice for alternating pure gas SF6 and mixture gas SF6/N2 in gas insulation devices. It lays foundations for studying on mixture gas with SF6 and has important reference to future research.
Keywords: SF6，Mixture gas， gas insulation，Breakdown voltage experiment，
dielectric strength
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目 录
摘 要 ........................................................................................................................... I ABSTRACT ................................................................................................................. III 第1章 绪 论 ............................................................................................................... 1
1.1 研究背景和意义 ............................................................................................. 1 1.2 国内外研究现状 ............................................................................................. 3 1.3 本论文的主要工作 ......................................................................................... 5 第2章 气体放电的基本理论 ..................................................................................... 6
2.1 气体放电形式 ................................................................................................. 6 2.2 气体放电理论 ................................................................................................. 7
2.2.1 汤逊放电理论 ..................................................................................... 7 2.2.2 流注理论 ............................................................................................. 8 2.3 气体间隙的击穿电压 ..................................................................................... 8
2.3.1大气条件对击穿电压的影响 .............................................................. 8 2.3.2不同电场形式的击穿电压 .................................................................. 9 2.3.3 提高气体介质击穿电压的措施 ....................................................... 10 2.4 本章小结 ....................................................................................................... 11 第3章 混合气体电气特性试验系统 ....................................................................... 12
3.1 气体电气特性试验系统的结构组成 ........................................................... 12 3.2 试验腔体组成 ............................................................................................... 13
3.2.1 试验腔体的总体结构 ....................................................................... 13 3.2.2 气体试验腔的密封结构设计 ........................................................... 13 3.2.3电极导杆 ............................................................................................ 16 3.2.4 四通管连接的部件 ........................................................................... 17 3.2.5 气体试验腔安全性检验 ................................................................... 21
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3.3 气体试验流程 ............................................................................................... 22 3.4 本章小结 ....................................................................................................... 23 第4章 SF6/CF4和 SF6/N2两种混合气体的工频交流耐压试验 ............................ 24
4.1 气体的混合 ................................................................................................... 24 4.2 试验电极结构 ............................................................................................... 25 4.3 试验步骤 ....................................................................................................... 26 4.4 试验结果与分析 ........................................................................................... 26
4.4.1均匀场下SF6/CF4和SF6/N2两种混合气体的工频击穿试验 ......... 27 4.4.2 极不均匀场下SF6/CF4和SF6/N2两种混合气体的工频击穿试验 29 4.5 本章小结 ....................................................................................................... 38 第5章 混合气体的协同效应和耐电强度经验公式 ............................................... 40
5.1 SF6/CF4和SF6/N2两种混合气体的协同效应 ............................................. 40 5.2 SF6/CF4混合气体的耐电强度经验公式 ...................................................... 43 5.3 本章小结 ....................................................................................................... 44 第6章 结论与展望 ................................................................................................... 45
6.1结论 ............................................................................................................... 45 6.2 展望 ............................................................................................................... 46 参考文献 ..................................................................................................................... 47 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 ............................................................. 51 致 谢 ......................................................................................................................... 52
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第1章 绪 论
1.1 研究背景和意义
SF6气体自20世纪初期开始研究，已有上百年历史，由两位法国化学家Moissan和Lebean于1900年合成。通常状态下的SF6气体无色、无味、不可燃，分子量大（146.06），密度约为空气的5倍，达到6.13g/L[1-4]。纯SF6气体在高温下不易分解，拥有极好的热稳定性，常被用作高温热载体，其散热能力也随气体压力的的增加而增大。SF6具备高绝缘强度，与它具有较强的电负性是密不可分的，SF6分子体积大，易捕获电子并吸收，形成懒惰稳定的负离子。在断路器中，SF6之所以常被用作灭弧介质，是因为SF6的灭弧能力是相同条件下空气的100倍。在50年代投入到断路器的绝缘和灭弧介质的使用中，以其优良的绝缘性能和良好的开断能力在电力系统中得到了广泛的应用，如气体绝缘组合电器（Gas Insulated Substation，GIS）和气体断路器（Gas Circuit Breakers，GCB）等电力设备中[5]。
SF6气体的研究和应用，推动并加速了全球电力行业的发展，为人类创造了不可估量的价值，但与此同时，其大量使用对人类耐以生存的环境造成了极大的影响。众所周知，SF6是一种极强的温室效应气体，其温室效应指数高达23900，即为CO2的23900倍之高，是一种名副其实的温室气体。温室气体（Greehouse Gas，GHG）是指能够吸收或者阻挡热红外辐射谱段特定波长辐射的气体成分，这些气体成分由大气、云层或者地球表面发射，从而导致大气圈的温度升高，即导致温室效应[6-8]。温室气体有的是大气中自然存在的，有的是人为产生的。若温室效应气体不存在，那么地球表面均温应该是-18℃，在人类进入工业化以前很长一段时间全球地表温度均值为15℃左右。如果大气中温室效应气体的浓度继续增长，导致长波辐射量减少，为了维持平衡，地面只能靠增温增加长波辐射量。地表温度升高随即带来的就是极地地区冰雪融化，导致海平面上升淹没沿海地区，两极生物灭种，给世界带来不可逆转的灾难。人为产生存在于大气中的SF6温室气体是由人类活动产生，具有较高的增温潜势。1997年在日本东京召开了防止全球气候变暖会议，与会国家有150多个，代表全世界国家签订了《京都议定书》，该议定书提出了防止全球气候变暖的条约，具有历史性和前瞻性[9]。
寻找SF6替代气体或者混合气体以减少并逐步杜绝SF6气体的使用，是全世界相关领域的专家一直致力研究的课题。SF6不仅存在温室效应这一危机，还有其他的一些缺点，譬如价格昂贵，对局部不均匀电场敏感，液化温度不够低，不适应于严寒地区，在大气层中极难分解，可以保持3200年，亦了其未来的
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大量使用，因此寻找绝缘性能与SF6相当或更高而温室效应指数低的新气体来替代SF6变得越来越迫切。
在选择SF6的替代气体时，需要考虑耐电强度（E/N）温室效应指数（GWP）lim，和液化温度Tb三个主要指标。目前研究最多的替代气体有两类：一类是PFC气体（Perfluorocarbon Gas），主要包括c-C4F8，C3F8，C2F6，CF4，他们具有不可燃，无毒，介电强度相对较高的特点；另一类主要是CF3I气体，它的介电强度相对较高，温室效应指数仅与CO2相当，在大气中极短时间就会分解[10-17]。PFC气体作为目前研究最多的SF6替代气体，具有很多优点，其性能与SF6及其常规气体对比如表1-1所示。
表1-1 PFC气体、SF6气体及其常规气体性能对比表
气体类型 C3F8 C-C4F8 CF4 SF6 N2 CO2
GWP（100年） 饱和蒸汽压（MPa）
7000
8700 6500 23900 - 1
0.78（21.1℃） 0.29（24.3℃） 气态（21.1℃） 2.28（21.1℃） 气态（21.1℃） 5.75（21.1℃）
沸点（℃） -38 -8 -128 - -196 -79
相对耐电强度（均匀场
中）
0.93 1.3-1.4 0.43 1.0 0.4 0.37
文献18通过试验的方法测量了上述气体在不均匀电场下的交流局部放电起始电压VPD和交流击穿电压VB，用于比较PFC气体和SF6气体的绝缘性能。C-C4F8，C3F8，CF4等气体在0.2MPa时绝缘性能与SF6气体对比见表1-2所示。
表1-2 PFC气体绝缘性能与SF6气体对比表
气体 C3F8
C-C4F8 CF4 SF6 N2 CO2
VPD+（0.2MPa）
1.08 1.40 0.76 1.0 0.4 0.63
VPD-（0.2MPa）
1.02 1.24 0.84 1.0 0.42 0.65
交流击穿电压VB
0.82 0.92 0.46 1.0 - 0.51
从以上表格可知，在绝缘性能、液化温度、经济安全等方面都优于SF6的单一气体目前还没有找到。20世纪70年代国内外一些电力公司和制造商开始SF6混合气体的研究，在保证绝缘强度的前提下，其研究目的在于能降低温室效应指数，降低液化温度，弱化对电场不均匀程度的敏感程度并且具备稳定的化学性质，希望能用低含量的SF6混合气体来代替纯SF6气体。在SF6气体中加入缓冲气体N2或CO2是国内外学者研究的重点[18-20]。CF4气体作为缓冲气体加入SF6气体中由于缺乏完整数据而有待研究。因此，本文研究的重点是SF6/CF4混合气体的绝缘性能，为了使数据更具客观和参考性，本文通过工频耐压试验同时测量了SF6/CF4和SF6/N2两种混合气体的击穿电压。
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SF6与N2、CF4混合应用于电气设备中，从环境友好和经济角度出发是有利的，有可能替代纯SF6气体，但是相应的试验研究和理论探讨是不可缺少的。
1.2 国内外研究现状
在SF6中加入N2、CO2或空气等普通气体构成二元混合气体是当今SF6混合气体研究的主流方向，其中，SF6/N2混合气体已经在工业中获得初步应用，SF6占40%-50%能有效克服SF6气体的缺点，既可用于高压绝缘也可用于灭弧。首先，SF6/N2混合气体能有效解决SF6在严寒地区液化的问题，如一般的SF6开关在-30℃时已液化，而混合比为60/40的SF6/N2的液化温度在-40℃以下；其次，SF6/N2对用气量大的CGIT能带来可观的经济效益，如混合比为50/50的SF6/N2可使CGIT的气体费用减少40%；此外，SF6/N2对电极表面粗糙度和导电微粒的敏感性比SF6低，可提高电力设备的可靠性。
在SF6中加入缓冲气体CF4的研究甚少，CF4气体是PFC气体中液化温度最低的气体之一，其耐电强度在各种缓冲气体中最佳，并且CF4具有良好的灭弧性能[17]，因而将CF4作为SF6的缓冲气体有重要的学术研究和工业应用价值。
韩国学者S.H.Lee等人对SF6气体、CF4气体和N2气体三种气体在液氮环境下进行了冲击电压、交流耐压和局部放电测试[21]。试验装置如图1-1所示。在套管的上部，充纯净的SF6气体，压强最大可达0.4MPa，中部充20%SF6/80%N2，下部墙体内为液氮和试验气体。
图1-1 带改良60kV套管的低温恒温器
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a）浸没在液氮中 b）在液氮上方
图1-2 试验时针板电极所放的位置
如图1-2所示，试验采用了针板间隙构造了极不均匀电场。试验结果表明CF4和SF6具有大致相当的冲击击穿电压值，但交流耐压值SF6要比CF4高15%，，且CF4具有抑制局部放电的效果。
韩国学者Cheong-Ho Hwang等人为了研究SF6-CF4混合物在电压等级为25.8kV条件下的击穿特性，使用了25.8kV的GIS改造为试验腔体，如图1-3所示。试验时，腔体中充入不同比例的混合气体，压强变化范围为0.1MPa-0.4MPa。
图1-3 25.8kV GIS试验腔体
试验结果表明随着压强的增大和SF6含量的增加，SF6/CF4混合气体的绝缘强度增大。在25.8kVGIS的试验腔体中，当为球球电极时，SF6/CF4混合气体的冲击击穿电压大约为交流击穿电压的2倍[22]。
清华大学徐国政等人研究了SF6/CF4混合气体作为变压器的冷却和绝缘介质的可行性，研究结果表明SF6/CF4的绝缘性能和散热性能优于SF6/N2和SF6/CO2，虽然CF4的散热性能远远比不上SF6，但是比N2要优越得多。因此本研究得出结论：朝着大容量和高电压方向发展的变压器如果采用气体作为绝缘和冷却介质，面临最大的两个难题就是绝缘和散热问题，在SF6气体中充容一定比例的CF4气
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体既能保证一定强度的绝缘强度，而且可以同时解决散热和液化问题。
上海交通大学的肖登明教授等人研究了CF4气体的灭弧性能[24]。研究表明CF4气体的时间常数曲线始终处于SF6气体时间常数曲线的上方，表明CF4的灭弧性能总体不如SF6气体，从具体数值上来说，在10-20s内对应的每个点，CF4气体的时间常数θ为SF6的1.96-2.2倍，平均2倍，根据时间常数的物理意义，表明CF4气体的介质绝缘强度在电弧电流过零后的恢复速度约为SF6气体的1/2倍，但是比相同情况下的N2快很多。
1.3 本论文的主要工作
通过阅读大量的相关研究的文献，并且总结国内外学者的研究内容，本文开展了SF6/CF4混合气体在工频交流电压下的绝缘性能，并通过试验测量了SF6/N2混合气体在同样情况下的交流击穿电压用以做比较，进行SF6/CF4混合气体作为替代纯SF6气体的可行性分析。论文的主要工作包括如下：
（1）从气体放电的基本形式（非自持放电和自持放电）和放电的基本理论（汤逊放电理论和流注理论）两方面着手，分析气体放电的发展过程及其击穿条件；研究气体击穿电压的影响因素及影响方式，包括大气条件（温度、压强、湿度）和电场形式（均匀电场、稍不均匀电场、极不均匀电场）；
（2）介绍气体电气特性试验系统的结构。所介绍的系统能够为气体电气特性试验提供较为稳定的密封试验环境，负压能保持在0.1Pa以下，正压能够密封0.8MPa的试验气体。除此之外，该系统还应能实现在密封条件下电极间距的调节。介绍的内容包括气体试验腔的密封结构、电极导杆结构和四通管连接的部件选型；
（3）进行混合气体按道尔顿分压定律确定充气方法的理论推导，并且设计产生均匀电场和极不均匀电场的板—板，尖—板电极系统，对SF6/CF4和SF6/N2两种混合气体在均匀场和极不均匀场中进行工频击穿耐压试验，通过实验数据对SF6/CF4混合气体替代纯SF6气体作可行性分析。
（4）分析SF6/CF4和SF6/N2两种混合气体的协同效应，根据SF6/CF4与SF6/N2混合气体击穿电压的比值关系以及SF6/N2绝缘强度经验公式，推导SF6/CF4混合气体的绝缘强度经验公式。
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第2章 气体放电的基本理论
通常情况下，气体中不含带电质点，由不带电的分子或原子构成，在电气工程领域作为良好的绝缘体使用。然而，由于紫外线、宇宙射线和来自地球内部的辐射线的作用，气体中会产生极少量的正、负带电离子，这些带电质点在外电场的作用下定向漂移，达到一定数量后，气体失去绝缘能力，电流通过气体即产生放电现象。这种在一定电场强度下，气体失去绝缘能力的过程称为击穿。击穿的发展过程可描述为电子或光子在漂移过程中与分子发生碰撞，有效碰撞将产生新的电子和离子形成电子崩，电子崩发展强烈建立自持放电，气体被击穿。使气体失去绝缘能力的最低临界电压称为击穿电压Ub或闪络电压Uf。在均匀场中，反映气体耐受电场强度的能力称为气体的击穿场强Eb，表现为击穿电压与电极距离的比值，直接体现了气体的电气强度。在不均匀电场中，击穿电压与电极距离的比值称为平均击穿场强，其值的大小与电极结构密切相关，即决定于电场的分布情况，综合反映了电极结构与气体绝缘能力。在电气工程领域人们最大程度利用气体的绝缘能力而保证其不备破坏，保证系统的安全可靠运行，而气体一旦失去绝缘能力将造成事故，危害系统的正常运行。因此我们应当了解气体放电的形式及过程，以便最合理地利用气体的绝缘性能[33]。
2.1 气体放电形式
一切电流在气体中流通的各种形式称为气体放电。
气体放电包括非自持放电和自持放电两种类型。非自持放电定义为放电依靠外界电离作用，外界作用一旦消失，放电即停止；自持放电定义为在电场作用下自己保持导电状态而不需外界作用，即便外界作用消失，依然能维持导电。由非自持放电过渡到自持放电的过程称为气体的击穿。由于外界各种射线的存在，气体中含有少量的带电质点，两极间一旦施加电压，就会产生微弱的电流，逐渐升高外施电压U，电流I也将变化，如图2-1所示气体中的电流—电压特性曲线[38-39]。
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图2-1 气体中电流－电压特性曲线
上图反映了气体由非自持放电到自持放电的过程，其中OA段、AB段和BC段为非自持放电阶段，CD段进入自持放电阶段，下面具体分析各阶段放电状态和形式：
OA段：在电场作用下，少量电子或负离子运动到电极上，正、负带电粒子的数密度维持一定值，电离与复合处于动态平衡状态，气体中的电流I与电压U成正比。
AB段：外电场继续增大时，消失在电极上的带电质点增多，单位体积内的带电粒子减少，导致电流上升速度减缓。
BC段：外电场增加到一定数值，因外界电离作用产生的带电质点全部消失于电极，电流达到饱和。
CD段：继续加大电压到U0，气体发生强烈的电电离作用，电流急剧增加，即使撤掉外界电离因素，放电依然能保持，进入自持放电阶段。
2.2 气体放电理论
2.2.1 汤逊放电理论
汤逊放电理论指出气体放电包括α过程和γ过程。α过程为在气体间隙空间，电子在电场的作用下对气体分子碰撞发生电离产生电子崩；γ过程为空间正离子撞击阴极材料并释放出电子。
（1）α过程
本世纪初，汤逊首次提出气体放电电子碰撞电离理论。初始电子在电场作用下，向阳极迁移的过程中撞击分子引起碰撞电离，产生的新电子与初始电子一起继续向阳极移动。在运动的过程中，继续产生碰撞电离，更多的电子产生，按指
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数级数不断增加，雪崩式地发展，不断碰撞出的电子和正离子被形象地称为电子崩。在电子崩的尾部是质量较大，运动速度较慢的正离子，前方是电子。
（2）γ过程
在气体放电过程中不仅存在空间碰撞电离即α过程，空间碰撞电离过程中产生的正离子以及正负离子复合时发出的光子在阴极表面激发出的电子作用也不可忽视。相对气体分子的电离能，阴极材料的表面逸出功小很多，所以正离子碰撞阴极比较容易碰撞出电子，加上正负离子复合产生的光子引起的阴极表面电离，统称为γ过程[46]。
2.2.2 流注理论
随着对气体放电的深入研究，人们发现有些现象是汤逊放电理论所不能解释的，比如放电发展速度和放电通道形状，经过对这些实验现象的总结，流注理论由此诞生。汤逊放电理论是气体放电的基础，则流注理论是对汤逊放电理论的补充和发展。流注理论以汤逊电力理论为基础，进一步考虑了光电离以及空间电荷畸变电场的作用。
放电理论包括汤逊放电理论和流注理论对放电现象能做出一定的解释，提供了放电发展图景，但是依然处于粗糙的阶段，不能通过精确计算确定绝缘结构。工程设计、绝缘改造还需要依靠试验方法和以往典型的试验数据。即便如此，依然要重视理论的学习，定性分析影响击穿电压的各个因素之间的相互关系，能够为解决气体绝缘结构问题提供帮助。
2.3 气体间隙的击穿电压
2.3.1大气条件对击穿电压的影响
电气设备的外绝缘由空气间隙和绝缘子构成，而空气间隙和绝缘子的绝缘水平与大气条件有着密切的关系。大气条件如温度、湿度和气压都会影响空气的击穿电压和绝缘子的闪络电压。大气的温度和气压综合表现为气体的密度，随着气体的密度增加气体的击穿电压增大，这是由于增大气体的密度，气体中的电子平均自由行程缩短，进而削弱了电离作用。大气湿度的增加同样也会增加气体的击穿电压，但是增加的幅度随着电场的均匀程度不同而不同，并且表现为电场越不均匀，湿度的影响越大。试验条件下测得的击穿电压与大气条件下的击穿电压可以通过校正系数相互转换。试验性击穿电压值正比于大气校正系数K（，tKt=Ka*Kb）Ka表示气体密度校正系数，Kb表示湿度校正系数。比如，在大气条件下气体的击穿电压为U0，试验条件下加于试品击穿电压值为U，则通过校正系数校正将大气条件下的击穿电压值换算到试验条件下的击穿电压值，即U=Kt U0；反之，可将试验条件下测得的击穿电压修正为标准大气条件下的电压值，即U0=U/ Kt。
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据我国国标DB311-83，标准大气条件为：温度t0=20℃，压强p0=0.1013MPa，湿度h0=11g/m3。气体密度校正系数计算式如下：
Ka=(p)*(273+t0)𝑛 （2-1）
0
p𝑚
273+t
式中p表压强，单位为MPa，t表温度，单位为℃。
通常，电极结构，电压类型与极性都会影响m，n大小，但实际上，如没有特别说明，一般取m=n=1，此时，Ka表达式如下：
Ka=0.2273+𝑡 （2-2）
𝑝
2.3.2不同电场形式的击穿电压
根据电场强度的均匀程度，电场可分为均匀电场和不均匀电场，其中不均匀电场又可分为稍不均匀和极不均匀电场，如图2-2所示不同电极结构产生的不同电场形式。
图2-2（a）均匀电场，（b）、（c）、（d）、（e）不均匀电场
由于均匀电场具有对称的电场，故电压极性的改变不会影响击穿电压的大小。均匀电场中之所以会出现放电起始电压与击穿电压相等的现象是因为均匀场中各处场强大致相等，局部放电不容易持续出现。均匀电场中放电的另一个特点是击穿时间短，这是由于均匀场中电极距离一般不大，且各处场强大致相等，自持放电到间隙完全击穿所需时间很短。因此，在不同的电压类型作用下，其放电电压值或峰值大致相同，分散性较小。经过实践总结，人们得出了空气的经验公式计算式（2-3）：
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𝑈𝑏,𝑝=24.4𝛿𝑆+6.53√𝛿𝑆 ，KV （2-3）
图中（b）所产生的电场为稍不均匀电场，稍不均匀电场的间隙电场均匀程度处于均匀电场和极不均匀电场之间，当间隙中出现局部放电，整个间隙立即击穿，而在极不均匀电场中，即使出现持续的局部放电也不会立即导致整个气隙的击穿。虽然稍不均匀电场具有不对称的电场形式，但是其极性效应不如极不均匀电场显著。与均匀电场相似，电极间距通常不大，整个间隙击穿的时间较短，在不同的电压波形下，击穿试验数据分散性不大。除了上图中的球-球电场结构形式，球-板电极结构同样属于稍不均匀电场形式。在测量高电压峰值时通常采用球-球间隙，不仅简单而且不失准确性[34-37]。
在设计气体绝缘开关设备时，电场结构均采用均匀场或稍不均匀场，但在设备运行的过程中难免会出现金属突出物或颗粒导致电场极不均匀。因此在工程中，大多数电场形式都是极不均匀电场，因此研究极不均匀电场中气体放电特性和规律具有非常重要的实践意义。在极不均匀电场中，场强处处不等，且差别较大，在达到击穿电压之前，间隙中会出现持续的局部放电，空间电荷畸变电场，极性效应显著。在一定条件下，击穿电压的大小与电极形状的关系不大。在工频、直流和冲击电压下，气体的击穿电压值区别较大，分散性较高。
总而言之，气体击穿电压受多方面因素影响，比如气体种类、电压类型、电极形状、气体状态等。气体作为绝缘介质的主要研究方向为如何选择最合理的绝缘距离，最经济合适的气体压力，归根结底，即为如何提高间隙击穿电压的问题。
2.3.3 提高气体介质击穿电压的措施
在不均匀电场中，综合考虑了碰撞电离、光电离、光电子引起的二次电子崩和空间电荷畸变电场的作用，因此与均匀电场的击穿场强相比，不均匀电场的平均击穿场强要小得多，通过增大间隙距离可以使不均匀电场的击穿电压值提高到均匀电场的击穿电压值水平。综合考虑影响气体介质电气强度的因素—电场型式、电压种类、大气条件、气体种类和气隙长度等，可以将提高气体介质电气强度的措施分为以下两大途径：（1）改善电场分布；（2）削弱气体的电离过程。
（1）改善电场分布的具体措施：改善电极形状，如增大曲率半径、改善电极边缘、消除电极上的毛刺棱角、提高电极表面光洁度等使电极具有最佳外形，电场分布均匀化来提高间隙击穿电压；利用空间电荷畸变电场的作用，即―细线效应‖，但是在雷电冲击电压下不存在―细线效应‖；在极不均匀电场中放入薄片固体绝缘材料（如纸或纸板）于气体间隙中，即采用屏障，在一定条件下可提高气隙的击穿电压，但是在均匀场和稍不均匀场中，试验表明设置屏障不能提高气隙的击穿电压，并且在冲击电压作用下，因为几句在屏障上的空间电荷较少，所以屏障的作用稍小。
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（2）削弱气体的电离过程具体措施：采用高气压，减小电子或负离子的平均自由行程；采用高真空，削弱间隙中的碰撞电离过程；采用高电气强度气体，比如含卤族元素的气体化合物，电负性气体，这些气体比空气的绝缘强度高得多
[46]
。
2.4 本章小结
本章主要从气体放电的基本形式（非自持放电和自持放电），放电的基本理论（汤逊放电理论和流注理论）两方面着手，分析了气体放电的发展过程及其击穿条件；讨论了气体击穿电压值的影响因素及影响方式，包括大气条件（温度、压强、湿度）和电场形式（均匀电场、稍不均匀电场、极不均匀电场），这对如何提高击穿电压值提出了理论指导，最后简述了提高气体绝缘强度的措施。这一章节为下面章节的实验现象和试验数据呈现的规律提供了理论解释。
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第3章 混合气体电气特性试验系统
3.1 气体电气特性试验系统的结构组成
本文试验装置的接线图如图3-1所示，试验变压器的选型，综合考虑试验电压的类型、电压的大小和测量精度等，本文所选试验变压器型号为YDQ20/200充气式变压器；电容分压器与变压器相连，用于电压测量，分压比为1:1000，精度为5%；试验腔体是整个试验系统的核心组成部分，其中充入试验气体，进行气体击穿试验。
试验腔体电容分压器工频试验变压器
图3-1 试验装置连接图
向试验腔充入气体之前应先确保其内部为真空状态，必须同时符合正压和负压的标准。为了确保气体的清洁性，避免因杂质过多而对试验结果造成影响，所以冲入气体前腔内的真空度至少应为0.1Pa [25]。负压系统主要由真空机械泵、测量装置以及相应的密封器件等构成。选择机械泵的型号时，必须结合试验腔的尺寸以及对于真空度的需要来决定。选择测量装置的型号时，则主要结合腔体内部真空度的标准，选择量程恰当、精度适宜的产品。对密封器件进行选择时需要结合正压系统的标准，即最后使用的密封器件必须能够在保持真空压的同时，维持腔体设计的最高试验气压。
试验腔所能接受的最高气压值为0.8MPa。正压系统主要由气体瓶、充气连接管道及接头、压力测量装置和密封元器件等构成。其中，气体瓶和连接管道的型号由试验气体生产厂家负责选取，接头采取能够与试验腔接口相一致的型号即可。对测量装置进行选择时，需要确保其能够承受腔内的最高气压和最低气温，保证在气体降温时，可以精确地对腔内的气压进行测量。
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3.2 试验腔体组成
3.2.1 试验腔体的总体结构
试验腔体主要由试验腔、高低压电极、观察窗、聚四氟乙烯顶盖等部件构成，图3-2简单描述了其构造。对图3-2进行观察可以发现，四通管和观察窗的通孔连接在一起，这些通孔又依次与机械泵、真空计、气体瓶和压力变送器相互连接。增爬伞裙所使用的材料为聚四氟乙烯，通常安装在顶盖上方。
图3-2 试验腔体结构
3.2.2 气体试验腔的密封结构
气体试验腔的密封结构主要包括圆筒、底部不锈钢板、观察窗圆筒、观察窗口、四通管、顶盖以及密封元器件等部位。为了尽可能避免电极与腔体内壁之间形成放电，通常将腔壁的形状制造成圆筒状，以尽可能减小其曲率从而降低电荷密度。在本研究中，腔壁的尺寸如下：内径211mm，外径219mm，腔壁的厚度为4mm，高度为1mm，其形状可以通过图3-3进行描述。不锈钢底板的尺寸为：外直径219mm，厚度6mm，具体见图3-4所示。底板与腔体的圆筒以焊接的形式相互连接。观察窗圆筒设计的高度为（以圆心为准）为97mm，内径96mm，
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外径102mm，壁厚3mm，具体见图3-5。四通管的具体尺寸可以通过图3-6进行简单描述。顶盖外径为250mm。为了防止电极与圆筒之间放生放电以及加长腔体外部的爬电距离，一般将顶盖的两端制造为凸台形，具体见图3-7。顶盖中部留有空心，其主要作用是为高压电极导杆提供通道，并且用密封圈围绕在导杆四周。顶杆的密封圈与其下部的凹槽相接，电极的密封圈位于其螺纹杆上，观察圆筒及窗口的密封圈则各自布置在相应的凹槽中。不同密封器件的安装位置可以通过图3-8表示。
图3-3 腔壁工程图
图3-4 不锈钢底板工程图
图3-5 观察窗圆筒工程图
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图3-6 四通管工程图
图3-7 聚四氟乙烯顶盖工程剖面图
图3-8 密封元器件分布示意图
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3.2.3电极导杆
电极导杆可以分为高压和低压两种形式，图3-9和图3-10依次给出了其示意图。从图中可以看出，高压导杆明显由两个部分构成，其中，一部分是圆柱截出的椭圆形，表面有螺纹分布，以便与固定片和旋转片连接，从而方便地对电极间距进行调整，具体见图3-11，旋转片动作时，导杆受固定片的约束保持在原位不动，则其垂直间距必然会产生改变，进而实现对电极间距的调整。螺纹之间的距离为1mm，即旋转片每旋转一周，电极间距对应得改变1mm。导杆的另一部分表面比较光滑，与密封元器件共同作用，实现对腔内气体进行密封的目的，其底部端口内部分布有母螺纹，和电极上的公螺纹相互对应。高压电极中部为空心状态，其主要目的是为铂电阻传感器接线提供通道。低压电极倒杆下部与腔体的底部相互连接，二者通过螺纹相接，在试验过程中前者的位置保持相对不变。
图3-9 高压电极导杆
图3-10 低压电极导杆
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图3-11 高压导电杆零部件爆炸视图
3.2.4 四通管连接的部件
（1）四通管口的密封
本试验中所使用的四通管满足DN14标准，借助焊接端头、密封元器件、卡箍等和快装球阀联系在一起，后者能够对四通口的开启和闭合进行控制。图3-12给出了快装球阀的实物图。
图3-12 快装球阀实物图
（2）真空泵的相关计算与选型
真空泵的选型主要包括其类型、抽速以及极限真空度等方面的选择。 上文已经提到过，向试验腔中通入气体前，为了避免杂质的存在对试验结果造成影响，必须确保真空度保持在0.1Pa以上。对于真空泵而言，其极限真空度应该比0.1Pa要求更加严格，必须高0.5至1个数量级，同时考虑真空泵的使用
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效果等因素的作用 [26-28]，最后决定选择机械型真空泵。
对于机械真空泵而言，其抽速的高低一般受试验腔所需要维持的真空度及其最高排气流量等因素影响。其抽速的具体数值可以通过以下方式求取：
1、气体试验腔的有效抽速S
设试验腔所要求的真空度数值为Pg=0.1Pa，Q为试验腔的最高排气流量，其单位为PaL/s，则试验腔的有效抽速S（L/s）可以通过公式（3-1）进行计算：
SQ/Pg
(3-1)
其中Q包括两个部分，可以将其表示为：
式中
QQlQf
(3-2)
Ql——外界大气经由各密封连接处渗透到腔内的气流量，单位为
PaL/s；
Qf——腔内壁和内部所有元件的表面排气量，单位为PaL/s。
其中，漏气流量Ql可以采用公司（2-3）求取：
QlPysV/3600 (PaL/s)
式中 Pys——试验腔所能承受的最大压力增长率，单位为Pa/h；
V——试验腔的容积，单位L。
放气流量Qf则通常采用公式（2-4）进行计算：
(3-3)
式中
Qf = qiAi (PaL/s)
2(3-4)
qi——腔内第i种元件单位面积的放气速度，通常采用抽气开始一小
时后的数值，单位PaL/(scm)；
Ai——第i种元件位于腔内部分的表面积，单位cm2。
试验腔内部的容量为V7.97L，腔内壁的总面积为A11959.57cm；顶盖
2底部的表面积A2412.51cm，电极的表面积A377.62cm。
22结合相关真空容器的数据，本试验所采用的的压力增长率数值为
Pys1.33Pa/[30]h；真空腔采用不锈钢材质制造，这种材料的放气率数值为
q12.8107PaL/(cm2s)，顶盖的放气率数值为q21.3108PaL/(cm2s)，
电极的放气率数值为q3210PaL/(cms)[30]。把这些数据代入公式（2-3）和（2-4）进行计算,可得
72Ql2.94103PaL/s；
Qf5.69104PaL/s；
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因为试验腔内部的真空度必须维持在0.1Pa以上，结合公式(2-1)和(2-2),经过计算可以求得有效抽速的数值为：
S3.51×10-2 （L/s）
2、主泵的抽速Sp
一般采用（5-2）所示的经验公式来计算主泵的抽速Sp：
SpKsS （L/s）
(3-5)
式中 Ks——出口处主泵的抽速损失系数，其数值一般为Ks1.3~1.4；
S——真空系统的有效抽速，L/s。
本试验中，选择Ks1.4，对应可以得到主泵的抽速数值为：10-2L/s，Sp4.91×但是实际工程中，机械型真空泵的抽速基本数值单位为0.5L/s。因此，本试验对于真空泵的有效抽速要求较低，采用市场中常见的产品就可以满足使用需求。最后决定采取上海真空泵厂生产的2XZ-2型旋片真空泵，其主要参数为：抽速
Sp2L/s，极限真空度为6×10-2Pa。
（3）真空计的选型
对试验腔通入气体之前，需要先控制其内部的气体压强从大气压降低到0.1Pa以下，所以本试验所选择的真空计量程应包含上述范围，同时在这一范围内拥有比较理想的线性特征，可以较为准确地反映腔内压强从初始值到真空的变化情况。真空系统用于进行从大气压到真空气压等不同情况下的电气特性测量，所以使用的真空计有效测量范围必须完全包含这一压强范围。
根据本试验的压强数值变化情况，最终决定采用普益林真空科技公司制造的
DL-10A型石英真空计，图3-13给出了其实物图。这一型号的真空计内部安装的FC135晶振阻抗与压强之间的对应关系必须在试验范围内满足较好的线性对应关系 [43]，有效量程必须包含0.1Pa~105Pa。与之配套的真空规管选择ZJ-52T型电阻式产品，图3-14给出了其实物图，有效测量范围为0.1Pa~105Pa，试验中设置在四通管的某一个通口处。二者相互配合能够准确、动态地反映腔内的实际气压情况。
图3-13 DL-10A石英真空计
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图3-14 ZJ-52T型电阻式规管
（4）气瓶连接管道
试验气体以高密度的形式存储在气瓶之中，经减压阀通入试验腔中。减压阀的主要作用是对气压进行调节，从而对气体从气瓶中流出的速度进行调整。减压阀的输气管经焊接端头和卡箍安装在四通管上。本试验中所使用的输气管需要选择能够承受60kg压力的气管，内径尺寸为8mm，其实物如图2-15所示。
图3-15减压阀与气瓶连接管道
（5）压力变送器选型
控制试验腔内部转变为真空状态后，就可以向其内部通入试验气体。因为真空计只能对负压强进行测量，因此难以直接对腔内的正压强进行检测，所以在试验过程中必须通过压力变送器实现对腔内气压的动态检测，而且因为压力变送器难以有效测量负压，因此试验腔从降压到升压整个过程的压强变化情况，必须通过真空计和压力变送器的共同配合才能正确获得，才能对腔内气压进行有针对性的调整。
本试验中，向腔内通入的气体所达到的压强上限为0.8MPa，因此正压强的测量范围为0.1Pa—0.8MPa，根据对有效量程的要求可以采用美控自动化公司生产的MIK-PX300型产品，图2-16给出了其实物图，有效测量范围为0~1MPa
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（相对压强），该产品通过24V直流电源供电，可以在低至-40℃的环境下正常工作。
图3-16 MIK-PX300压力变送器
3.2.5 气体试验腔安全性检验
试验腔中的气压在试验过程中数值存在较大变化，为了防止发生危险，在设计过程中必须遵守《GB150压力容器》的有关标准。为了保证试验过程的安全，有必要对试验腔的安全性进行理论分析和试验验证 [29-32]。
（1）理论安全性检验
在理论分析方面，主要内容是对顶盖、腔壁、观察窗等部件进行安全性检验。 1、顶盖理论安全性检验
为了保证顶盖在试验过程中，腔体维持高压强的状况下依然能够保证绝对安全，必须对其厚度进行检验，计算公式如下：
CP (3-6) td式中 d——顶盖的直径，单位mm，本试验中这一数值取233mm；
C——常系数，取0.25；
P——腔内压力，其数值取0.8MPa；
——材料基本许用盈利，其数值取17.5 N/mm2。
将上述数值代入公式（2-6）可以得到：t=24.91mm，市场中聚四氟乙烯材质的顶盖厚度最低为26mm，完全满足试验需求。
2、腔壁理论安全性检验
试验腔所用的材料为304不锈钢，其厚度计算方法如下：
PD (3-7) dh2tP式中 P——腔内压力，其数值取0.8MPa； D——圆筒内径，其数值取211mm；
δt——材料许用压力，其数值取137MPa。
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将上述数据代入公式（2-7）可以得到：dh=0.618mm，实际上腔壁的厚度最低为4mm，完全满足安全标准。
3、观察窗理论安全性检验
观察窗才使用的材料为钢化玻璃，其厚度可以通过公式(2-8)进行计算d=113mm，C=0.25，P=0.8MPa，=97N/mm2，求得t=5.14mm。实际上，观察窗的厚度通常不小于20mm，完全符合安全标准。
（2）试验检验 1、压力试验检验
为了避免气体试验腔在试验过程中存在某些安全隐患，必须在试验开始前对其进行压力检验。在环境温度为7℃的条件下，向腔中通入1.2MPa纯净水，并对其进行密封，放置35min后，对其中的水压进行测量，如果水压保持为1.2MPa，则控制腔中的水压减小到1.0MPa，密封后放置15min，重新测量水压，如果依然保持不变，并且在这一过程中没有发生漏水现象，没有出现明显的变形或噪声等，则可以判断试验腔合格。
2、泄漏试验检验
为了确保试验腔在室温的设计压力下不会产生泄漏，必须对其进行泄漏检验。像腔中通入气压为1.2MPa的空气，并对其进行密封放置35min，对其中的气压进行测量。如果其内部的气压依然维持1.2MPa，说明试验腔不会发生气体泄漏，在室温下的密封性较好，检验合格。
3.3 气体试验流程
室温下的气体试验基本过程可以通过图2-18表示，需要注意的问题如下： （1）向腔内充入气体前应该将真空计和球阀关闭。由于真空计的最大量程为1MPa，如果压强大于这一数值，可能会对仪器造成破坏。
（2）试验电极的形状需要在试验开始前确定。当两个电极刚刚接触时，二者之间的间距为零，将旋转片顺时针旋转一周，电极间距延长1mm。逆时针转动时将产生回程差，致使电极间距形成误差，因此在试验过程中应尽可能避免出现逆时针转动，如果必须使用之前的电极间距，则应该调节旋转片将电极间距设置为零后重新开始。
（3）气体静置的时间需要根据其性质确定，如果是单一气体，则最少应静置10min，如果为多种气体的混合，则最少应静置12h甚至更久。
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抽真空过程连接四通管各个部件（各阀门处于关闭状态）充气过程打开压力变送器及其球阀调节电极距离打开真空泵及其连接的球阀打开气体瓶及其球阀打开真空计及其连接的球阀达到目标压强?静置是关闭气体瓶及其球阀进行试验真空度大于10Pa?是关闭真空计及其球阀关闭压力变送器及其球阀关闭真空泵及其球阀 图3-18 常温气体试验流程
3.4 本章小结
本章主要介绍了试验系统的基本构成、试验腔的具体结构以及相关的零部件等，同时明确了试验的基本流程。具体工作如下：
分析试验的各项指标和整体思路，介绍系统的基本组成，详细描述了试验腔的整体构造及其密封形式、四通管等配件的设计要求和型号选取；最后进行理论与试验两方面的安全性检验，证明本试验所使用的气体试验腔拥有良好的安全与密封性能。
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第4章 SF6/CF4和 SF6/N2两种混合气体的工频交流
耐压试验
4.1 气体的混合
实验的对象是混合气体，对于如何控制混合气体各组分含量，需要一定的理论指导。在工程应用范围，混合气体各成分均可看做理想气体，各气体压强可由（4-1）式表示：
𝑃𝐴=
表示：
P=
𝑛𝑅𝑇𝑉
𝑛𝐴𝑅𝑇𝑉
; 𝑃𝐵=
𝑛𝐵𝑅𝑇𝑉
（4-1）
式中 𝑛𝐴，𝑛𝐵表示两种气体组分的摩尔数，则混合气体的压强由下式（4-2）
=(𝑛𝐴+𝑛𝐵)
𝑃𝐴=
𝑅𝑇𝑉𝑛𝐴𝑛
=𝑃𝐴+𝑃𝐵 （4-2） 𝑃 （4-3）
上式即为道尔顿分压定律，可推导出（4-3）式：
显然，只要控制气体组分的分压力即可控制混合气体的混合比。为了使混合比更精确，在充气时，应当先充混合比例低的气体组分。气体的混合依靠分子的热运动即扩散而达到充分混合的状态，所以不论先充哪种气体，经过一定时间的静置，最终都能达到充分混合的目的。通常，可用（4-4）式表示扩散过程:
𝜕𝑁𝜕𝑡
=D𝜕𝑥2 （4-4）
𝜕2𝑁
上式中，N表示某种气体成分在x处的浓度，D表示混合气体的扩散系数。扩散系数的大小与气体的状态有关，比如气体的温度和气压。在温度较低或气压较高的情况下，气体的扩散系数较小。这是因为在上述情况下，气体分子的运动速度低和平均自由行程小。对于混合气体，可用（4-5）式表示个气体组分的分子量M和扩散率系数D之间的关系：
D∝√𝑀+𝑀 （4-5）
𝐴
𝐵
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由上式可知，在相同的温度和气压下，气体的扩散率和分子量M的平方根成反比关系[40-45]。因此，试验所需混合气体不需要在充气之前混合好，只要按照分压比先充比例较小的气体再充比例较大的气体的原则充气，达到足够的静置时间（二元混合气体的静置时间为24h以上），就能达到混合均匀状态[49]。这样的理论指导，为试验操作带来很大的便利。
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4.2 试验电极结构
按照电极之间形成的电场的均匀性强弱，可以将其分成均匀、稍不均匀和极不均匀三种基本情况。在本试验中，主要涉及了均匀和极不均匀两种形式。其中均匀场通过板板电极实现，极不均匀场通过尖板电极实现。试验中所使用的电极均为不锈钢材质，并且提前通过无水酒精进行清洁。每次试验后，电极都会产生一定的消耗，在下次试验开始前，必须对其进行一定的处理。平板电极一般通过细砂纸的打磨促使其平滑，而尖电极因为砂纸打磨容易导致其曲率发生变化所以一般采用直接更换的方法。
板板电极的两个电极构造可以通过图4-1和图4-2进行标示。从图中可以看出，电极主要包括电极板、凸台和螺纹杆等三部分，并且高压电极留有空心。螺纹杆的主要作用是使电极与导电杆相接，凸台的存在可以更方便得将电极拧紧，增强密封性。高压电极的尺寸为：凸台直径为23mm，厚度为7mm，螺纹杆直径为8mm，长度为7mm，圆孔直径为4mm，深度为20mm 20mm。低压电极的尺寸为：凸台的直径为30mm，厚度为12mm，螺纹杆直径为4mm，长度为10mm。
a) 高压电极前视图 b) 高压电极剖视图
图4-1 高压电极
图4-2 低压电极
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Φ8Φ10Φ20R0.3R2Φ10Φ46Φ50单位:mm
图4-3 尖-板电极
4.3 试验步骤
均匀电场中，电极距离d保持3mm；极不均匀电场中，电极距离d取4mm，6mm，8mm，10mm和15mm五个等级；SF6/CF4最高压强到0.35MPa，SF6/N2最高压强取0.25MPa。试验步骤如下：
（1）调整电极间距d，将腔内的压强控制在0.1MPa之内。
（2）向腔内通入压强为0.35MPa的试验气体，如果为多种气体的混合，则按照分压定律进行体积比与压强比之间的转换（SF6的占比分别取为100%，
80%，60%，40%，20%，10%）；
（3）将试验气体放置一段时间，如果是单一气体最少为10min，多种气体的混合则最少为24h；
（4）在电极两侧施加电压，选择70%升压的形式，即先控制电压匀速提高到击穿电压的70%，然后逐级提高，其幅度约为击穿电压的5%~10%，直到完全击穿，然后放置2min，开始下一次试验，最终的击穿电压为10组试验的均值。
（5）如果电场结构为极不均匀场，则调节电极距离，再重复步骤（4），直到一个压强下的各种电极距离的试验全部完成，若为均匀场，步骤（5）省略；
0.25MPa，0.2MPa，（6）对试验气体的总压强进行调整（分别取为0.3MPa，0.15MPa，0.1MPa）；
（7）放置10min中，重复（4）、（5）、（6）中的工作；
（8）重复进行（1）~（7）的工作并改变试验气体的比例，直到试验完成。
4.4 试验结果与分析
单一气体的击穿电压受气体种类、电压类型、电极结构和气体状态等因素
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的影响，混合气体不仅与上述因素有关，并且与气体的混合比例密切相关。如何确定混合气体的最佳混合比例、绝缘距离和压强，就要通过控制相关的影响因素，改变某一变量的方法对试验气体进行试验，取得试验数据并分析整理。
4.4.1均匀场下SF6/CF4和SF6/N2两种混合气体的工频击穿试验
气体的平均击穿强度按下式（4-1）计算：
Eav=Ub·av/d （4-1）
式中：Eav为平均击穿强度，单位为KV/mm；Ub·av击穿电压，单位为KV；d为电极距离，单位为mm。将试验数据按公式（4-1）换算成平均击穿电压整理成折线图。
为了使SF6/CF4混合气体作为SF6/N2混合气体的替代气体具有说服力，本试验同时对两种混合气体进行了相同情况下的工频耐压试验，通过控制变量，改变某一影响因素的方法分别获得了不同间隙距离，不同混合比例，不同压强下的试验数据。将试验数据整理成如下的表格，并绘制两种混合气体试验数据的对比折线图。
表4-1 SF6/N2混合气体在不同的混合比例和不同的压强下的平均击穿电压值(kV)
SF6含量 （%） 压强（MPa） 0.25 0.2 0.15 0.1
14.09 11.76 8.94 6.42
13.14 11.0 8.51 6.25
12.01 9.72 7.71 5.61
10.67 9.21 7.04 5.01
9.88 7.94 6.18 4.71
5.3 4.1 3.1 2.4
100 80 60 40 20 0 表4-2 SF6/CF4混合气体在不同的混合比例和不同的压强下的平均击穿电压值(kV)
SF6含量 （%） 压强（MPa） 0.25 0.2 0.15 0.1
14.09 11.76 8.94 6.42
13.93 11.66 8.85 6.38
13.57 11.27 8.56 6.23
12.69 10.59 8.17 6.01
12.15 10 7.91 5.
7.42 5.90 4.35 3.36
100 80 60 40 20 0 由图4-4和图4-5可知，在试验压强范围内，同一混合比例的混合气体的平均击穿场强随压强的增大而大致线性增加；混合气体的工频击穿场强随着
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SF6含量的增加而增加，并且击穿场强与SF6含量具有饱和趋势，即SF6含量较低时，增加SF6比例，击穿场强增加幅度较大，随着SF6含量的提高，击穿场强的增加幅度逐步下降，如图4-5所示。相对SF6/N2，SF6/CF4更快趋于饱和，在0.25MPa时，当CF4中混入20%的SF6气体后，其击穿电压提高至相同气压下纯SF6气体的86%，相同情况下，SF6/N2为纯SF6气体的71%。在均匀场中，SF6/CF4的耐电强度明显高于SF6/N2。
图4-4 均匀场中混合气体击穿电压随压强变化曲线
图4-5 均匀场中混合气体击穿电压随混合比K的变化曲线
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4.4.2 极不均匀场下SF6/CF4和SF6/N2两种混合气体的工频击穿试验
在设计气体绝缘开关设备时，电场结构均采用均匀场或稍不均匀场，但在设备运行的过程中难免会出现金属突出物或颗粒导致电场极不均匀[50-51]。因此，采用尖板电极形式模拟极不均匀电场，研究混合气体在该种电场结构下的击穿电压影响因素具有非常重要的实际意义。本文采用尖板电极产生极不均匀场模拟真实的气体绝缘设备常见的金属突出物缺陷[15]，进行工频耐压试验。在极不均匀场中的耐压试验需控制的变量有压强、间隙距离、混合比和混合气体种类，分析这些变量对混合气体绝缘特性的影响，对气体绝缘设备的制造具有一定的指导意义。
利用前述试验装置，在尖板电极下对SF6/CF4和SF6/N2两种混合气体进行工频交流耐压试验。试验电极距离取4mm、6mm、8mm、10mm和15mm，气体压强从0.1~0.35MPa，混合比K（K表示SF6所占混合气体的百分含量）取0、20、40、60、80和100，分析各个因素对混合气体击穿电压的影响。
（1）混合气体的绝缘强度与压强P、混合比K的关系
表（4-3）~（4-7）分别列出了d=4，6，8，10，15mm时各SF6含量百分含量的混合气体击穿电压随压强变化的数据。
表4-3 电极距离d=4mm时SF6/CF4混合气体的击穿电压(kV) SF6含量 （%） 压强（MPa） 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
9.29 12.82 14.87 16.53 18.81 20.80
12.45 15.98 19.36 22.57 25.33 27.39
12.99 18.19 22.23 25.56 27.82 30.21
14.04 19.30 23.47 26.95 29.98 31.18
14. 20.30 25.08 28. 30.92 32.33
15.09 20.58 25.84 29.87
0 20 40 60 80 100
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表4-4 电极距离d=6mm时SF6/CF4混合气体的击穿电压(kV) SF6含量 （%） 压强（MPa） 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
11.46 14.03 16.81 19.63 23.32 26.79
15.48 21.82 26.71 31.45 34.93 38.02
18.08 25.14 31.03 35.67 40.43 42.
19.86 26.37 33.76 37.57 42.27 43.72
20.02 28.06 35.31 39. 43.16 45.19
20.57 28.81 36.77 41.21
0 20 40 60 80 100 表4-5 电极距离d=8mm时SF6/CF4混合气体的击穿电压(kV) SF6含量 （%） 压强（MPa） 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
13.21 17.69 21.52 24.04 26.49 29.55
20.90 26.01 32.23 38.75 43.37 46.39
23.90 29.71 36.72 42.07 46.34 49.78
25.11 31.29 37.67 43.07 47.46 51.24
26.35 33.99 41.59 46.66 50.39 53.60
27.68 34.35 41.90 47.
0 20 40 60 80 100 表4-6 电极距离d=10mm时SF6/CF4混合气体的击穿电压(kV) SF6含量 （%） 压强（MPa） 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
16.75 20.52 24.97 28.22 32.13 35.87
23.50 30.87 37.86 43.37 48.52 52.06
30
0 20 40 60 80 100 28.63 34.81 40.40 46.25 50.26 53.00
30.11 36.96 42.20 48.08 51.73 53.87
31.19 38.99 43.23 49.60 52. .96
32.34 39.48 43.84 50.51
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表4-7 电极距离d=15mm时SF6/CF4混合气体的击穿电压(kV) SF6含量 （%） 压强（MPa） 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35
23.00 26.71 33.68 38.80 43.61 46.21
33.47 39.87 43.51 48.52 .04 56.87
37.57 41.59 46.79 52.18 57.45 61.98
39.65 43.38 48.41 53.91 59.56 65.56
40.83 44.80 50.04 55.20 60.65 66.79
41.07 45.00 51.12 56.74
0 20 40 60 80 100 从上述表格以及下列变化曲线可以看出，在间隙距离d和混合比K一定时，混合气体的击穿电压随着压强P的升高大致线性增高，在间隙距离和混合气体压强一定时，SF6/CF4混合气体击穿电压随着SF6含量的升高而升高，并且在K＜40的时候，升高的幅度较大，当K＞40之后，上升的趋势有所减缓。
图（4-6）~图（4-15）给出了在电极距离一定时各SF6百分含量的SF6/CF4
和SF6/N2两种混合气体击穿电压随压强变化的曲线。对比两种混合气体的击穿电压曲线，可以看出，在低气压和低混合比时，SF6/CF4混合气体的击穿电压高于SF6/N2混合气体。
图4-6 SF6/CF4在d=4mm时的击穿电压 图4-7 SF6/N2在d=4mm时的击穿电压
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图4-8 SF6/CF4在d=6mm时的击穿电压 图4-9 SF6/N2在d=6mm时的击穿电压
图4-10 SF6/CF4在d=8mm时的击穿电压 图4-11 SF6/N2在d=8mm时的击穿电压
图4-12 SF6/CF4在d=10mm时的击穿电压 图4-13 SF6/N2在d=10mm时的击穿电压
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图4-14 SF6/CF4在d=15mm时的击穿电压 图4-15 SF6/N2在d=15mm时的击穿电压
图4-16电极距离d=4mm时SF6/CF4混合气体击穿电压变化曲线
图4-17电极距离d=6mm时SF6/CF4混合气体击穿电压变化曲线
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图（4-16）~图（4-20）给出了SF6/CF4混合气体在电极距离一定时各压强下的击穿电压随混合比K的变化曲线。由变化曲线可知，在电极距离试验调节范围内，无论电极距离为多少都呈现出当K＞40时，混合气体击穿电压增加的趋势减缓，且在K＜20时增长的速度最快。利用这一特点，在设计气体绝缘开关设备或断路器时为混合气体的最经济合理的比例选择提供良好的参考。
图4-18电极距离d=8mm时SF6/CF4混合气体击穿电压变化曲线
图4-19 电极距离d=10mm时SF6/CF4混合气体击穿电压变化曲线
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图4-20电极距离d=15mm时SF6/CF4混合气体击穿电压变化曲线
（2）混合气体的绝缘强度与间隙距离的关系
当混合比K一定时，可通过表（4-3）~（4-7）绘制出混合气体的击穿电压在各个压强下随着间隙距离变化的曲线，如下列曲线所示。当混合比K和压强P一定时，随着电极距离的增大，混合气体的击穿电压呈非线性增大趋势，在d＞10mm时，击穿电压增加的趋势有所减缓，即在d=10mm时出现拐点，这是因为随着电极距离的增大，电场越不均匀，平均击穿电压越低。
图4-21 混合比K=0时SF6/CF4混合气体击穿电压变化曲线
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图4-22 混合比K=20时SF6/CF4混合气体击穿电压变化曲线
图4-23 混合比K=40时SF6/CF4混合气体击穿电压变化曲线
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图4-24 混合比K=60时SF6/CF4混合气体击穿电压变化曲线
图4-25 混合比K=80时SF6/CF4混合气体击穿电压变化曲线
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图4-26 混合比K=100时SF6/CF4混合气体击穿电压变化曲线
4.5 本章小结
本章首先讨论了混合气体按道尔顿分压定律确定充气方法的理论推导，并且设计了产生均匀电场和极不均匀电场的板—板，尖—板电极系统，详述了工频交流耐压试验流程和注意事项，然后对SF6/CF4和SF6/N2两种混合气体的试验数据进行了分析比较，试验结果表明：
（1）在均匀场中，在试验压强范围内，同一混合比例的混合气体的平均击穿场强随压强的增大而大致线性增加；
（2）混合气体的工频击穿场强随着SF6含量的增加而增加，并且击穿场强与SF6含量具有饱和趋势，即SF6含量较低时，增加SF6比例，击穿场强增加幅度较大，随着SF6含量的提高，击穿场强的增加幅度逐步下降；
（3）相对SF6/N2，SF6/CF4更快趋于饱和，在0.25MPa时，当CF4中混入20%的SF6气体后，其击穿电压提高至相同气压下纯SF6气体的86%，相同情况下，SF6/N2为纯SF6气体的71%。在均匀场中，SF6/CF4的耐电强度明显高于SF6/N2；
（4）在极不均匀场中，当间隙距离d和混合比K一定时，混合气体的击穿电压随着气压的升高大致线性增加；
（5）当混合比K和压强P一定时，随着电极距离的增大，混合气体的击穿电压呈非线性增大趋势，在d＞10mm时，击穿电压增加的趋势有所减缓，
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即在d=10mm时出现拐点；
（6）当压强P和电极距离d一定时，随着SF6气体含量的增加，混合气体的击穿电压逐渐上升，且当SF6百分含量超过20%，击穿电压增大的趋势减缓。
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第5章 混合气体的协同效应和耐电强度经验公式
5.1 SF6/CF4和SF6/N2两种混合气体的协同效应
两种气体混合后，根据混合气体和单一气体的击穿电压关系总结为线性关系、协同效应、正协同效应和负协同效应四种类型[52-53]。其中，电负性气体与缓冲气体混合后，其击穿电压高于按照两种成份分压力加权的击穿电压之和，而不是等于简单的线性相加，这种现象称为协同效应。
图5-1给出了电极间距为10mm时，SF6/CF4和SF6/N2两种混合气体的击穿电压随SF6含量变化的情况。由图7可知，两种混合气体的击穿电压并非随SF6百分含量线性变化，呈现出一定程度的协同效应关系，且SF6/CF4的协同效应明显优于SF6/N2。
图5-1 SF6/CF4和SF6/N2的击穿电压随SF6含量变化的曲线
协同效应值的计算在文献[18]有具体的说明，其计算式如下所示：
12
Um=U2+K+(1−K)C，U1 >U2 （5-1）
K(U−U)
式中：Um为混合气体的击穿电压；U1 和U2分别为SF6百分含量为100%和0%时，即对应的纯气体的击穿电压；K为混合比；C为协同效应系数值。当C=1时，混合气体表现出线性关系；当0＜C＜1时，Um的值由U2非线性增加
40
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到U1。因此，协同效应的程度可以很直观地通过C值的大小来判断，并且C值越小协同效应越明显，反之亦然[19]。表3和表4分别列出了两种混合气体分别在各种情况下的协同效应值。
在间距和混合比K值一定时，混合气体在各气压下的协同效应系数平均值计算如下[20]：
𝑖
𝐶𝑒𝑞=∑𝑛𝑖𝑛 （5-2）
𝐶
表5-1 SF6/CF4的协同效应
间距/mm
混合比K%
0.25
20
4
40 60 80 20
6
40 60 80 20
8
40 60 80 20
10
40 60 80 20
15
40 60 80
0.30 0.32 0.42 0.44 0.21 0.23 0.30 0.26 0.15 0.21 0.36 0.17 0.12 0.16 0.18 0.17 0.21 0.23 0.28 0.37
气压（MPa） 0.20 0.36 0.33 0.41 0.30 0.25 0.27 0.27 0.32 0.23 0.23 0.39 0.06 0.12 0.15 0.14 0.13 0.19 0.22 0.28 0.26
0.15 0.28 0.17 0.06 0.38 0.22 0.22 0.30 0.21 0.25 0.26 0.34 0.09 0.21 0.22 0.23 0.11 0.10 0.15 0.15 0.04
0.10 0.21 0.38 0.33 0.14 0.32 0.25 0.13 0.26 0.22 0.24 0.32 0.40 0.33 0.21 0.25 0.32 0.18 0.16 0.08 0.05
Ceq 0.29 0.30 0.31 0.32 0.25 0.24 0.25 0.26 0.21 0.23 0.35 0.18 0.19 0.18 0.20 0.18 0.17 0.19 0.20 0.18
式5-2中：i为混合气体的气压等级；n为所取试验气压的等级总数；Ci为各气压等级下混合气体的协同效应系数值。根据表3和表4的数据可知，协同效应系数值随电极间距的改变而改变，并且随着电极间距的增大，C值越小，
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即协同效应越明显；随SF6气体含量的改变，C值有很小的变化，随着SF6含量的增加，C值有上升的趋势；在低气压时，C值一般较小。即在极不均匀电场中，低气压、低SF6含量且电极间距大时，协同效应明显。
由表5-1和表5-2可知，SF6/CF4混合气体的协同效应平均值约为0.23，SF6/N2约为0.48，显然，SF6/CF4的协同效应明显优于SF6/N2。因此，从耐电强度和协同效应出发，SF6/CF4较SF6/N2更加适合替代纯SF6气体作为气体绝缘介质用于中低压气体绝缘设备中。
表5-2 SF6/N2的协同效应
气压（MPa）
间距/mm
混合K%
0.25
20
4
40 60 80 20
6
40 60 80 20
8
40 60 80 20
10
40 60 80 20
15
40 60 80
0.44 0.46 0. 0.83 0.34 0.56 0.66 0.71 0.31 0.52 0.58 0.66 0.33 0.42 0.63 0.63 0.26 0.46 0.66 0.37
0.20 0.37 0. 0. 0.68 0.30 0.46 0.63 0.49 0.47 0.57 0.73 0.56 0.28 0.43 0.69 0.61 0.31 0.41 0.68 0.39
0.15 0.40 0.27 0.62 0.87 0.45 0.41 0.50 0.29 0.48 0.61 0.56 0.33 0.39 0.42 0.51 0.18 0.26 0.28 0.42 0.04
0.10 0.52 0.49 0.29 0.16 0.40 0.60 0.57 0.85 0.46 0.51 0.29 0.48 0.35 0.51 0. 0.24 0.19 0.27 0.38 0.47
Ceq 0.43 0.44 0.67 0. 0.37 0.51 0.59 0.59 0.43 0.52 0.55 0.50 0.33 0.47 0.58 0.42 0.25 0.35 0.53 0.32
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5.2 SF6/CF4混合气体的耐电强度经验公式
表5-3列出了SF6/CF4和SF6/N2在不同气压和不同混合比下击穿电压的比值。
从表5-3易知，SF6/CF4的绝缘强度明显优于SF6/N2，尤其是在SF6含量为20%时。当SF6含量上升到为80%，两种混合气体的绝缘强度大致相同。在工频交流电压下，SF6/N2和纯SF6的击穿电压实际值可根据经验公式计算。纯SF6的经验公式为[16]：
Ed（SF6/N2）=65(10p)0.73（kV/cm） （5-3）
对于SF6/N2，当SF6气体百分含量为k≥10%时，SF6/N2平均击穿场强的经验公式为：
Ed（SF6/N2）=Edk0.18（kV/cm） （5-4）
表5-3 SF6/CF4和SF6/N2击穿电压的比值
混合比K（%）
20 40 60 80 平均值
气压（MPa）
0.1 1.25 1.20 1.11 1.02 1.15
0.15 1.28 1.16 1.11 1.04 1.15
0.2 1.26 1.15 1.16 1.06 1.17
0.25 1.23 1.19 1.13 1.06 1.15
平均值 1.25 1.17 1.13 1.05
表5-4 SF6/CF4击穿电压计算值和试验值
击穿电压（kV/mm）
压强/MPa
0.1 0.15 0.2 0.25
K=20%（SF6/CF4） 计算值 5.99 8.06 9.95 11.71
试验值 5. 7.91 10.00 12.15
K=40%（SF6/CF4） 计算值 6.21 8.35 10.30 12.12
试验值 6.01 8.17 10.59 12.69
根据表5-4列出的SF6/CF4和SF6/N2击穿电压的比值关系，同样可推导出SF6/CF4的平均击穿场强估算式：
Ed（SF6/CF4）=65(10p)0.73x0.05（kV/cm） （5-5）
根据公式（5-5）可计算出SF6/CF4的平均击穿场强，表5-4列出了不同K值情况下的混合气体击穿电压计算值和试验值，可见两者是比较吻合的，由于
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试验具有分散性和一定的误差，计算值和试验值有一些偏差，误差保持在±5%范围内，属于工程上能接受的范围。
5.3 本章小结
本章主要分析了SF6/CF4和SF6/N2两种混合气体的协同效应，在间距和混合比K值一定时，计算了两种混合气体在各气压下的协同效应系数平均值，计算结果表明SF6/CF4混合气体的协同效应平均值约为0.23，SF6/N2约为0.48，显然，SF6/CF4的协同效应明显优于SF6/N2；根据SF6/CF4与SF6/N2混合气体击穿电压的比值关系以及SF6/N2绝缘强度经验公式，SF6/CF4的绝缘强度也可用经验公式表示。
44
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第6章 结论与展望
6.1 结论
SF6气体因其优良的绝缘性能和良好的开断能力而在电力系统中得到了广泛的应用。但是，由于其液化温度高，且具有极高的温室效应指数，其进一步的应用空间受到了。然而，目前并未找到绝缘性能、液化温度、经济安全等特性上都优于SF6的单一气体。现有的研究中，在SF6气体中加入缓冲气体是提高绝缘气体综合性能的一种有效方法，也是绝缘气体研究的主流方向。国内外SF6混合气体的研究主要集中在SF6/N2，SF6/CO2两种混合气体上，对于SF6/CF4混合气体的研究甚少。CF4是一种价格低、液化温度低、温室效应指数低、灭弧性能优良且具有一定电负特性的优质绝缘气体，其与SF6气体的混合作为气体绝缘介质具有一定的学术研究和工业应用价值。本文在查阅了大量相关领域研究文献的基础上，研制了适用于测试气体电气特性的试验系统，并在该试验系统下进行了混合气体的工频交流耐压试验，并取得了如下成果：
1.介绍了密封性能良好、电极距离可调并且能承受正负压的试验腔体，为混合气体耐压试验提供了一个稳定的试验环境；
2.在工频交流电压下，对SF6/CF4和SF6/N2两种混合气体进行了耐压试验。试验结果表明SF6/CF4混合气体在SF6含量为20%时，其击穿电压能达到纯SF6气体的86%，比SF6/N2混合气体提高了15%；在SF6含量为20%时，适量提高混合气体的气压就能达到纯SF6气体的绝缘能力；
3.详细分析了气压P、混合比K、电极距离d对SF6/CF4和SF6/N2混合气体绝缘性能的影响：
（1）在均匀场中，在试验压强范围内，同一混合比例的混合气体的平均击穿场强随压强P的增大而大致线性增加；
（2）在均匀场中，混合气体的工频击穿场强随着K增大而增加，并且击穿场强与SF6含量具有饱和趋势，即SF6含量较低时，增加SF6比例，击穿场强增加幅度较大，随着SF6含量的提高，击穿场强的增加幅度逐步下降；
（3）在极不均匀场中，当间隙距离d和混合比K一定时，混合气体的击穿电压随着压强P的升高大致线性增加；
（4）在极不均匀场中，当混合比K和压强P一定时，随着电极距离的增大，混合气体的击穿电压呈非线性增大趋势，在d＞10mm时，击穿电压增加的趋势有所减缓，即在d=10mm时出现拐点；
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（5）在极不均匀场中，当压强P和电极距离d一定时，随着混合比K的增大非线性增加。
4.根据SF6/CF4与SF6/N2混合气体击穿电压的比值关系以及SF6/N2绝缘强度经验公式，SF6/CF4的绝缘强度亦可通过经验公式计算。
5.对两种混合气体击穿电压随电极间距变化的协同效应进行了比较分析，发现SF6/CF4的协同效应明显优于SF6/N2。
从耐电强度角度分析，SF6/CF4可以代替纯SF6和SF6/N2作为气体绝缘介质应用于气体绝缘设备中，为SF6气体混合物的研究奠定了良好基础和参考价值。
6.2 展望
试验仅完成了SF6/CF4与SF6/N2两种混合气体的工频交流耐压试验，对于混合气体完整的绝缘特性研究还应当补充直流、冲击电压试验，因此有待进一步推进混合气体的绝缘特性研究。由于试验过程中需要对装置进行拆除和安装，每次的试验环境并不完全相同，导致一定的试验误差，其次，试验气体的纯度也不能完全保证，这也导致了一定的偏差存在，因此，在进行数据研究时，分析的都是数据的大致状况，数据表现的大致趋势，用精确的数据来描述显然会不足。
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攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
（一） 申请及已获得的专利
[1]《一种用于测量真空灭弧室真空度的容性耦合传感器》实用新型专利，专利号：2015201693.9，第二作者
[2]《一种用于测试油纸绝缘电导特性的装置》实用新型专利，专利号：201521108374.1，第二作者
[3]《一种新型直流电弧发生装置》实用新型专利，专利号：2014208398.8，第三作者
[4]《一种用于测量开关柜局部放电的传感器》实用新型专利，专利号：201521101988.7，第三作者
[5]《一种基于GPRS的远程液氮液位检测系统》实用新型专利，专利号：201420839000.8，第四作者
[6] ―一种基于超声信号的开关柜局部放电检测系统‖，发明（实审阶段），公开号：201511009478.1，第二作者
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致 谢
本研究工作和论文是在我的导师李卫国教授悉心指导和亲切关怀下完成的，他对学生无微不至的指导，给予了我极大的动力，他对科学永无止境的追求、渊博的知识、饱满的工作热情和对事物发展的准确预判，都让我深深折服，并且将永远激励我在以后的人生道路上奋发向上，勤恳踏实地学习与工作。
感谢陈艳老师在研究中给予我的支持与关心！
感谢项目组的侯孟希博士师兄给予我的指导与关怀，刘富浩师兄在项目研究中的积极参与和帮助！
感谢曾臣师兄、蔡正梓师兄、张祥帅师兄、焦彦俊师兄，感谢实验室的同门李志超、贾国滨、刘文斌、高寒和代冲，还有杨亚奇博士、夏喻、程宇頔、王文媛、袁创业以及其他的实验室的师弟师妹们，他们都在我的研究生生涯中给予我研究中的帮助和生活中的快乐！
感谢我的父母和家人的默默无闻的付出，你们永远是我坚强的后盾和勇气的来源！
在论文即将完成之际，我的心情激动无比，要感谢的人实在太多，无法一一列举，在此再次向给予我帮助与支持的人们致予衷心的感谢！
再过几个月，我的硕士生涯就要划上句号，但学习的脚步永不止于此，在以后的学习生活或者工作中，我将永远铭记：勤劳，善良，责任，感恩！
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