SF6气体大量用于气体绝缘开关设备(Gas insulatedswitchgear, GIS)和气体绝缘输电管道(Gas insulated transmission line,GIL)等电气设备，由于SF6具有强温室效应，研究SF6的替代气体已成为电力行业的迫切需求。GE公司利用3M公司研发的七氟异丁腈(分子式为C4F7N)与CO2构成混合绝缘气体替代SF6气体用于GIS和GIL，已在现场投运，具有较好的应用前景。掌握C4F7N/CO2混合气体的工频放电规律是开展设备绝缘设计的前提，混合气体的工频放电电压主要受到混合比例、气压、电极距离、电极表面粗糙度、环境温度等因素的影响，现有研究大多采用放电试验方法，获得了混合比例、气压等部分因素影响下的放电规律，但受试验条件限制，在高气压、大间距下的数据点较少，缺乏普遍适用的规律性，并且鲜有研究考虑电极表面粗糙度和温度的影响，获得的放电规律还不全面。由此，本论文采用计算与试验相结合的方法，考虑混合比例、电极表面粗糙度及环境温度3个主要因素，深入研究了C4F7N/CO2混合气体的工频放电规律，主要工作和结论如下：
　　(1)研究了混合比例对C4F7N/CO2混合气体工频放电的影响。为解决已有数据库中混合气体的电离和附着系数只有特定比例下的数据，无法研究任意比例下的工频放电的问题，本文提出采用Wieland近似方法计算任意比例下C4F7N/CO2混合气体的净电离系数，从而获得临界约化电场，并与文献数据对比，验证了Wieland近似方法的有效性。基于流注起始判据，建立混合气体在任意比例下的工频放电电压计算模型，计算得到混合气体放电电压随比例增大表现出协同效应，与文献报道的击穿试验结果一致。为解释协同效应，分析了协同效应系数的物理意义，通过理论推导得出协同效应系数等于两种纯气组分的净电离曲线斜率的比值。在较低比例时，该比值较小，使得混合气体具有较强的协同效应。在充分利用协同效应时，通过理论推导提出了优化混合比例与协同效应系数之间的关系，得到C4F7N/CO2混合气体的优化比例在9%~15%区间。
　　(2)研究了考虑电极表面粗糙度时C4F7N/CO2混合气体的工频放电规律。为解决高气压下由于混合气体的放电电压饱和导致的计算误差偏大的问题，本文参考Pedersen模型建立了考虑电极表面粗糙度时混合气体的工频放电电压计算模型，优化了Pedersen模型中对局部畸变电场的计算公式，提出指数衰减规律并拟合得到粗糙电极表面附近的电场分布。基于模型计算混合气体的工频放电电压随pd的变化，发现气压越高，粗糙度影响越显著，且当气压与粗糙度乘积小于混合气体的优异值时，可忽略粗糙度的影响。计算了C4F7N/CO2混合气体优异值，并开展粗糙电极下的工频放电试验，验证了计算方法的有效性。同时发现，可先通过试验标定得到粗糙度，再利用该模型进行不同气体的放电电压计算。研制220kV设备电极模型，开展了C4F7N/CO2混合气体的工频放电试验，标定得到粗糙度150μm可以计算该类设备的工频放电电压。通过计算发现C4F7N/CO2混合气体中的粗糙度控制值随气压增大而减小，同时随比例增大而减小；如提高气压使混合气体与SF6气体的放电电压相同，则在4%~30%混合比例区间内，混合气体设备的粗糙度控制值可以采用现有SF6设备的6.3μm标准。
　　(3)研究了考虑环境温度时C4F7N/CO2混合气体的工频放电规律。为解决极端气候条件下当环境温度低于混合气体液化温度时，温度对放电电压的影响仍未知的问题，基于本文已建立的模型，结合C4F7N的饱和蒸汽压曲线方程和气体状态方程，计算了混合气体的工频放电场强随温度的变化规律。得到混合气体的工频放电电压在未出现液化时不受温度影响，在出现液化后随温度降低而降低，转折点温度即为液化温度。为验证计算模型的有效性，建立了可控温的气体放电试验装置，开展-35~20℃温度范围内混合气体的放电试验，得到的试验结果与计算结果接近。利用模型计算获得了不同温度下混合气体的比例与气压，以及不同比例和气压下的最低可用温度等使用方案。
　　综上所述，本文通过引入计算方法，改进现有模型并结合放电试验，研究获得了混合比例、电极表面粗糙度、环境温度等因素影响下C4F7N/CO2混合气体的工频放电规律。实现了任意比例下C4F7N/CO2混合气体放电电压计算，解释了协同效应成因并提出了基于协同效应的优化比例范围。实现了高气压、大尺寸电极下的放电电压计算，并提出了C4F7N/CO2混合气体电极表面粗糙度控制值。开展极寒条件下的放电电压计算，提出了不同环境下C4F7N/CO2混合气体的使用方案。本文的研究结果对于C4F7N/CO2混合气体的推广应用具有重要理论和实用价值，提出的方法对于今后新型混合气体的放电规律研究具有参考意义。