以六氟化硫(SF6)为绝缘的电气设备具有占地面积小、可靠性高、维护量小等优点,被广泛应用于电力工业的各个领域。我国每年生产的SF6气体90%以上都应用在电力行业。然而,作为一种对大气环境具有较大危害的温室气体,SF6带来的环境问题也成为了电力工业亟需解决的问题。近年来,全世界对环境保护的要求越来越高,环保型气体绝缘电气设备也逐渐成为了电力行业的研究热点之一。而SF6替代气体的绝缘和运维策略则是研制环保型气体绝缘电气设备的关键问题。七氟异丁腈(C4F7N)及其混合气体被认为是极具替代SF6潜质的环保型绝缘介质。本文从C4F7N气体分子结构层面入手,采用量子化学计算、分子反应动力学以及试验研究的方式,围绕着C4F7N及其混合气体的绝缘性能和分解机制展开研究,重点开展了以下几方面工作:首先,从气体分子结构的本征特性出发,计算了 47种气体的22个分子描述符参数,采用多元线性回归方法建立了气体绝缘性能的定量构效关系(QSPR)模型和含双键或三键气体分子绝缘性能的QSPR改进模型,获得了影响气体绝缘性能的关键结构参数:分子表面静电势正值面积和负值面积。在此基础上,利用量子化学计算方法,获得了偶极矩电场作用时分子表面静电势正值面积和负值面积的变化规律,提出了一种计算绝缘气体相对介电强度的新方法。同时,基于混合气体分子间相互作用,研究了 C4F7N气体与CO2或N2混合后的相互作用因数、分子构型以及分子间结合能等指标,提出了一种考虑分子间协同作用关系的C4F7N混合气体配比方法。第二,为了获得C4F7N混合气体耐电强度的协同效应,利用稳态汤逊法(SST)测试了 C4F7N及其与N2、CO2混合气体的I-d关系,获得了 C4F7N混合气体电离系数α/N、吸附系数η/N和有效电离系数(α-η)/N随约化场强E/N的变化规律。结果表明,C4F7N混合气体临界耐电强度(E/N)lim随C4F7N含量增加而基本呈线性增大趋势,并根据试验结果提出了 C4F7N混合气体耐电强度的经验公式和相关系数。计算了 C4F7N/CO2和C4F7N/N2两种混合气体的协同效应指数C,发现C4F7N含量在一定范围内时,两种混合气体具有很强的绝缘正协同能力。提出了一种基于分子表面静电势面积As、分子表面静电势不平衡度v和协同效应指数C值的C4F7N混合气体耐电强度计算模型,并验证了其有效性。第三,在不同电压形式、不同气压和不同电场结构下开展了 C4F7N混合气体击穿特性试验研究,分析了影响C4F7N混合气体击穿电压的因素,提出了一组以电极表面粗糙度及试验气压为参数的C4F7N/CO2混合气体击穿场强经验公式。开展了 C4F7N/CO2混合气体的直流局部放电特性研究,结果表明,C4F7N/CO2混合气体抑制负极性直流局部放电的能力优于相同气压时SF6/N2混合气体,抑制正极性直流局部放电的能力与相同气压时SF6/N2混合气体相当。最后基于气体绝缘性能、GWP和液化温度等性能,提出了 C4F7N/C02混合气体应用方案。第四,采用量子化学和分子反应动力学的方法研究了 C4F7N/CO2混合气体分解的能量变化及动力学过程,分析了 C4F7N/CO2混合气体的主要分解路径,获得了不同反应温度、不同浓度和不同反应时长条件下C4F7N/CO2混合气体分解过程中各种自由基和产物含量的变化规律,揭示了 C4F7N在不同反应条件下的分解机理。采用模拟局部放电的方法,试验研究了电晕放电和悬浮放电条件下C4F7N/CO2混合气体分解产物的相对含量变化规律,提出了计算饱和碳氟类产物相对含量的“自我抑制性”模型和不饱和碳氟类产物相对含量的“竞争性”模型,并分析了不同放电形式及微水对气体分解产物形成过程的影响。提出了采用CF3CN/CF4和CF3CN/C3F8比值来判断悬浮放电和电晕放电的方法。采用QSPR计算模型和试验的方法分析了产物对气体绝缘的影响,同时给出了产物的理化特性和毒性。本文研究了 C4F7N及其混合气体的绝缘性能和分解特性,研究结果可为C4F7N及其混合气体的研究方法和工程应用提供一定理论参考及技术支撑。