本文综述了国内外关于新环保绝缘气体的研究进展，重点围绕国际主流推广的全氟异丁腈（C₄F₇N）气体及其在电气设备中的应用，总结了C₄F₇N混合气体的间隙、沿面绝缘特性并提出了相关设备绝缘的设计依据，分析了其在不同工况下的分解特性与气-固相容性评价指标，介绍了C₄F₇N及其混合气体灭弧性能的研究进展和系列环保设备的研发及应用情况，为当前阶段SF₆电气设备环保化升级提供理论参考。同时指出目前国内外仍在开展性能优异的新环保绝缘气体研发攻关，为绿色低碳电网建设提供技术支撑。

为评估C₅F₁₀O/干燥空气混合气体在低分压条件下替代现有干燥空气或氮气应用于绝缘设备的可行性，本研究系统分析了C₅F₁₀O/干燥空气混合气体的绝缘性能。结果表明：在准均匀电场下，C₅F₁₀O分压为5～10 kPa时，C₅F₁₀O/干燥空气混合气体的绝缘强度分别为相同条件下干燥空气和氮气的1.1～1.9倍和1.4～2.3倍，表明即使在低分压下，C₅F₁₀O/干燥空气混合气体仍表现出较强的绝缘性能，相较于干燥空气或氮气具有技术优势。此外，低分压下C₅F₁₀O/干燥空气混合气体在多次击穿测试中表现出良好的稳定性，击穿电压与击穿次数的拟合曲线斜率接近于零，表明其绝缘性能未发生显著劣化。

C₆F₁₂O具有良好的环保特性和绝缘性能，在中低压气体绝缘设备中具有良好的应用前景。为探究气体绝缘设备内部的微水对C₆F₁₂O/CO₂混合气体绝缘性能和分解特性的影响，本文搭建气体工频击穿试验平台，测试0～1 000 μL/L微水浓度范围内0.14 MPa气压下4%C₆F₁₂O/96%CO₂混合气体的击穿电压，分析不同微水浓度对混合气体工频击穿特性的影响。使用气相色谱质谱联用仪（GC-MS）定性定量分析C₆F₁₂O/CO₂混合气体工频击穿后分解产物的种类和浓度，获得微水浓度对击穿分解产物浓度和有效产气速率的影响规律。结果表明：微水会降低C₆F₁₂O/CO₂混合气体的工频击穿电压。C₆F₁₂O/CO₂混合气体的主要击穿分解产物为CF₄、C₂F₆、C₃F₆、C₃F₈、C₃F₇H、CF₂O、C₄F₁₀、C₅F₁₂和CF₃H，其中CF₄、C₂F₆和C₃F₇H的浓度及有效产气速率与微水浓度呈正相关，CF₄、C₂F₆、C₃F₆、C₃F₈、C₃F₇H的浓度与击穿次数呈正相关。综合考虑绝缘性能和分解特性，建议在工程应用中严格控制C₆F₁₂O/CO₂混合气体设备内部微水的浓度，同时提高设备微水的检测频率。

为了获得纳秒脉冲电压作用下环保型绝缘气体的逃逸束流特性，对洁净空气、SF₆和C₄F₇N/CO₂混合气体中逃逸电子的产生规律进行研究。通过搭建逃逸电子收集平台，检测在不同气压的纯净空气、SF₆和C₄F₇N/CO₂混合气体条件下，施加不同幅值的纳秒脉冲电压时产生逃逸电子的电荷量。结果表明：纳秒脉冲作用下低能电子会加速转变为逃逸电子，纳秒脉冲电压幅值越高，气体压强越低，绝缘气体产生的逃逸电子电荷量越大。洁净空气对逃逸电子产生的抑制效果相对较弱，SF₆和C₄F₇N/CO₂混合气体对逃逸电子产生有明显的抑制效果，随气压升高，C₄F₇N/CO₂混合气体相对于SF₆对逃逸电子产生的抑制效果更加明显。

全氟异丁腈（C₄F₇N）的环保和绝缘性能优良，是替代SF₆气体的主流环保气体。本文首先利用针-板电极对C₄F₇N/CO₂混合气体开展了一系列工频交流电晕放电实验，然后基于气相色谱-质谱仪分析了不同电极材料（不锈钢、铝和黄铜）和施加电压对C₄F₇N/CO₂混合气体分解特性的影响。结果表明：C₄F₇N/CO₂混合气体特征分解气体的含量随施加电压的升高而增大，且受金属材料化学活性的影响明显，其中铝电极下的分解产物总量最高。特征分解气体含量比值c[C₂F₆]/c[CF₄]和v[C₂F₄]/v[C₃F₆]对电极材料和电晕放电程度具有较好的识别度。

为了探索微水存在条件下全氟异丁腈（C₄F₇N）气体分解产物的生成机制，本文对微水参与反应时C₄F₇N气体的分解过程以及分解后重组的过程进行研究，基于密度泛函理论和过渡态理论计算得到C₄F₇N气体在微水参与反应条件下的热力学参数以及部分特征产物的生成路径和生成速率。结果表明：在微水参与反应时，C₄F₇N气体分解所需的活化能低于干燥C₄F₇N气体分解所需的能量，微水的存在使C₄F₇N气体更容易分解。C₄F₇N气体分解产物中CHF₃气体的反应速率常数较大，化学性质稳定且具有可检性，可以作为微水存在条件下C₄F₇N气体分解的特征产物。

C₄F₇N/CO₂/O₂混合气体是目前具有潜力的可替代SF₆的环保型气体绝缘介质之一。目前针对外加缓冲气体O₂及其含量变化对C₄F₇N/CO₂/O₂分解特性的影响机理研究较少。本文基于反应分子动力学（ReaxFF-MD）方法，通过构建C₄F₇N/CO₂/O₂混合气体反应体系模型，开展了不同O₂含量和温度下C₄F₇N/CO₂/O₂混合气体的热分解过程模拟，分析了其主要反应路径、产物组成及生成速率等。结果表明：C₄F₇N/CO₂/O₂混合气体热分解主要生成CF₃、CF₂、CF、F、CN和C₂F₅等粒子，其中CF₂和CN的生成量最高，其次是CF₃和F。尽管C₄F₇N/CO₂混合气体中加入O₂会使C₄F₇N的初始分解时间缩短，但是可以有效减少C₄F₇N的分解量和大部分粒子的生成量，尤其在O₂体积分数为6%时C₄F₇N分解量最少。当O₂体积分数为0%～4%时，反应体系中主要分解反应的反应速率减小，而当O₂体积分数大于8%时，反应速率增大。当模拟温度高于2 600 K时，C₄F₇N的初始分解时间显著缩短，分解粒子的生成速率加快。研究结论为C₄F₇N/CO₂/O₂的应用配比优化及其设备运维诊断提供了理论基础。

基于气体组分分析法搭建了洁净空气绝缘缺陷分解实验装置，采用傅里叶红外光谱（FTIR）技术对洁净空气在不同放电形式（火花放电以及电晕放电）以及不同气体压强下的主要特征分解组分进行了检测分析，探索了主要分解产物的基本反应原理和路径，并定量或定性分析了不同气体压强对洁净空气部分主要特征分解产物组分的影响。结果表明：洁净空气在火花放电下的主要特征分解产物有NO₂、NO与N₂O₄，在电晕放电下的主要特征分解产物有O₃、N₂O₅与N₂O。火花放电形式下气体压强的增加会影响NO和NO₂的生成比例，在高气体压强范围内NO的组分占比较低，NO选择性随气体压强的降低而增大。电晕放电条件下产生的O₃、N₂O₅与N₂O浓度在同一电压等级下随气体压强增大整体呈现先增大后减小的趋势，且N₂O₅的产生与O₃浓度具有较强关联性。

基于密度泛函理论研究CF₃SO₂F气体分子在Al(111)表面的吸附作用及其分解机理。通过计算CF₃SO₂F气体分子在Al(111)表面的吸附能、电荷转移、差分电荷密度、电子定域化函数（ELF）和态密度等数据，对二者之间的相容性进行理论分析。进一步建立CF₃SO₂F气体的分解路径理论计算模型，计算CF₃SO₂F气体在不同分解路径下的自由能，通过过渡态分析得到CF₃SO₂F气体主要的分解产物。结果表明：CF₃SO₂F气体在正常工况下与Al(111)表面具有良好的相容性，相互作用表现为物理吸附，CF₃SO₂F气体的典型分解气体产物主要包括CF₄和SO₂。研究结果可为评估新型环保绝缘气体CF₃SO₂F的气-固相容性及稳定性提供理论参考。

C₄F₇N在放电或过热故障时会产生有害分解副产物，特别是C₂F₆和C₃F₈生成量相对较大，会对气体绝缘设备的安全运行和使用寿命构成威胁，因此有必要对其进行控制和处理。本文研究了C₂F₆与C₃F₈在γ-Al₂O₃（110）上的吸附能、电荷转移、吸附距离，并进行了态密度分析，以评价γ-Al₂O₃作为副产物吸附剂的可能性。结果表明：γ-Al₂O₃表面对C₂F₆和C₃F₈分子具有较强的吸附能力，吸附能分别达到-0.574 4 eV和-2.819 eV，表现出较强的吸附效果。特别是在Al位点上的吸附构型显示出更高的稳定性和较强的电荷转移现象，表明两种气体与γ-Al₂O₃具有强相互作用。态密度分析结果进一步证实，C₂F₆和C₃F₈的吸附不仅改变了γ-Al₂O₃表面的电子状态，也影响了其电子和化学性质，这为利用 γ-Al₂O₃作为C₄F₇N的副产物吸附剂提供了理论支持。

全氟异丁腈（C₄F₇N）具有优异的绝缘性能和较低的温室效应，是当前用于电气设备绝缘的主流环保气体。由于C₄F₇N与SF₆的理化特性差异较大，现有SF₆检测技术及设备无法满足C₄F₇N混合气体的应用需求。本文参考运行设备中SF₆气体的带电检测技术，开展C₄F₇N/CO₂气体的检测方法研究。提出了采用基于高精度氦离子化检测器的气相色谱检测气体纯度和组分、采用热导原理检测C₄F₇N占比和阻容传感器法监测微水含量、采用非分光红外技术结合朗伯-比尔定律定量监测漏气故障等现场检测方案，开发了相应的检测装置，并对气体状态开展检测和验证试验。结果表明：各项检测方案都具有较高的检测精度，可支撑C₄F₇N环保电气设备的运维检测和现场应用。

本文采用线性升降温的方式，探究冷热循环次数和变温速率对环氧树脂电气性能的影响机制。结果表明：随着循环次数的增加，环氧树脂的直流电气强度和体积电阻率均呈先上升后下降的趋势，且这种趋势随着变温速率的增大在循环前期上升幅度较小，而在循环后期下降幅度较为显著。分析认为，冷热交替环境会促进环氧树脂内部链段动态调整，使其结构更致密规整。尽管在循环前期，热胀冷缩作用会使环氧树脂表面出现少量微裂纹，但链段动态调整占主导作用，此时环氧树脂电气性能得到提升，而随着循环次数增加，长期热胀冷缩作用加剧了分子链段的断裂，微裂纹扩展，使环氧树脂电气性能逐渐下降。随着变温速率的增大，环氧树脂内部链段无法充分调整，且所受温度应力冲击增大，环氧树脂更容易发生劣化。

针对复合绝缘子内部碳化爬电缺陷，建立FXBW-500大-小-小伞型线路复合绝缘子的电磁热耦合计算有限元模型，分析缺陷位置、表面污秽对芯棒内部碳化爬电缺陷引起的温升影响规律。结果表明：当复合绝缘子不同位置存在局部碳化爬电缺陷时，局部温升从大到小依次为高压端、低压端和中端。存在污秽时，碳化爬电缺陷绝缘子的温度分布没有明显变化，但各部位最大温升值均明显增大，其中高压端最大温升值由9.3℃增大至18.2℃，沿面温升由2.52℃增大至4.94℃。虽然污秽的存在使得绝缘子整体温度升高，但并未掩盖缺陷处的温度突变。因此在通过温度识别碳化爬电缺陷位置时，可重点将温升突变情况作为参考依据。

首先对芯棒酥朽试样的理化特征进行分析，并研究芯棒酥朽对其力学性能的影响，然后利用仿真对复合绝缘子芯棒的振动模态进行分析，研究特征频率与酥朽程度的关系，最后针对酥朽复合绝缘子提出了一种振动激励检测方法，并对存在不同程度酥朽缺陷的110 kV复合绝缘子芯棒的振动模态特征频率进行测量分析。结果表明：芯棒中环氧树脂的完全降解以及玻璃纤维的水解、粉化使酥朽区域丧失力学性能，导致芯棒整体刚度、抗拉伸性能、抗形变性能降低；与完好芯棒相比，酥朽芯棒3～5阶振动模态的特征频率降低了2.8%～14.3%，高阶振动模态的特征频率降幅更明显，降幅随酥朽程度增大而增大。基于振动模态的酥朽检测方法可以对复合绝缘子的酥朽程度进行诊断，同时可以反映其力学性能变化，适用于复合绝缘子酥朽的无损检测。

为解决传统频域反射法（FDR）在诊断电缆接头受潮缺陷时易误判的问题，本文提出一种基于热激励下频域反射特性的受潮诊断方法。首先分析了热激励对受潮电缆接头特征阻抗的影响规律，提出了基于热激励下频域反射特性的电缆接头受潮诊断方法，然后在长度为58 m的10 kV XLPE电缆上设置受潮接头，用加热带改变受潮接头的温度，随即对受潮缺陷进行定位诊断。结果表明：施加热激励时，电缆本体、正常接头的单位电容和特征阻抗几乎不随温度变化而改变，受潮电缆接头的单位电容随温度升高而减小，特征阻抗随温度升高而增大；仿真结果表明，不同温度下的频域反射图谱在受潮接头处的幅值随温度升高而升高，在正常接头处的幅值基本不变。基于上述研究结果，通过热激励得到不同温度下真实电缆反射系数谱在接头处的幅值变化实现了受潮缺陷的定位诊断。

为实现变压器绝缘纸老化状态的准确评估，提出一种基于组合赋权和改进TOPSIS的绝缘纸老化状态评估方法。首先，为克服单一特征量评估的不足，选取聚合度、抗张强度、断裂伸长率、击穿电压和介质损耗因数作为老化特征量，建立绝缘纸老化状态评价体系；其次，利用组合赋权模型计算特征量的组合权重值；最后，提出一种改进TOPSIS模型，构建欧氏-灰色关联距离测度，利用改进TOPSIS模型计算贴近度，并设置贴近度区间对绝缘纸的老化状态进行分级评估。结果表明：基于组合赋权和改进TOPSIS的绝缘纸老化状态评估方法既考虑了专家主观经验赋权，又利用特征量数据自身特征进行了权重修正，赋权更加科学合理；同时弥补了传统TOPSIS模型的距离判据缺陷，使计算得到的贴近度更加合理；通过电-热-力联合老化试验实例验证了该评估方法能准确、有效地判断绝缘纸的老化状态，且通过设置贴近度区间可以实现老化状态的分级评估。