全氟异丁腈（C4F7N）是一种人工合成气体,因其环保特性良好、绝缘性能优异,成为一种极具潜力的SF6完全替代气体,备受电力行业和研究者关注。高压断路器作为电力系统中最为重要的承载、保护与控制单元之一,其绝缘与开断目前仍大量依赖于SF6气体,C4F7N混合气体的电气性能能否满足高压断路器的性能要求,急需开展深入研究。本文以一台40.5k V SF6断路器样机作为载体,采用C4F7N混合气体直接替换断路器灭弧室中SF6的方式,运用仿真与实验相结合的研究手段,获得C4F7N混合气体的动、静态绝缘特性;揭示C4F7N及其混合气体放电分解复合机理及反应动力学行为;评估C4F7N混合气体的熄弧性能。主要研究工作情况如下:（1）开展高压断路器触头间隙C4F7N/CO2混合气体和C4F7N/N2混合气体的动态和静态击穿电压测量工作,研究获得C4F7N混合气体的动、静态绝缘特性。实验发现两种C4F7N混合气体的动态击穿电压分散性极大,均存在明显的“欠电压击穿”现象,并具有“反极性”效应;增加混合气体中C4F7N含量和灭弧室充气压力对混合气体的“欠电压击穿”和分散性大的问题改善不大。对比动、静态击穿电压发现,触头刚合前或刚分后的一段开距内,纯SF6、C4F7N/CO2、C4F7N/N2以及纯CO2四种气体的动态击穿电压均低于静态,因此,灭弧室断口绝缘设计时,特别是针对极短燃弧或小电流电弧开断等工况,断口绝缘设计应以气体介质的动态绝缘特性作为依据。（2）研究C4F7N及其混合气体分解复合过程,获得高温条件下C4F7N混合介质体系中各反应物、过渡态、中间体和产物的最优分子构型,给出分解与复合反应过程中各粒子化学键断裂和自由基重组时的反应能垒、谐振频率等信息,寻得最低能量反应路径,揭示C4F7N混合介质体系分解复合机理,获得反应速率常数与温度的定量关系,得到不同温度下C4F7N混合介质体系中各粒子摩尔分数随反应时间的动态变化规律。构建气体分子的电离能、电子亲合能以及电子极化率等微观参数与宏观绝缘强度关联关系,建立气体介质绝缘强度预测模型,获得C4F7N混合介质体系中各粒子的相对SF6绝缘强度,模型相关度可达0.8以上。（3）建立高压断路器短路电流开断多物理场耦合电弧数学模型,分析CO2和N2两种缓冲气体对C4F7N混合气体电弧特性的影响,研究灭弧室内混合气体宏观参数分布特性及变化规律,分析开断全过程C4F7N混合气体分解与复原机制,获得混合气体的热、电恢复特性。研究结果表明,与SF6相比,燃弧阶段C4F7N混合气体对流换热能力更强,电弧温度更低,但压气效果较差,弧后温度衰减速度较慢。40k A短路电流开断时,0.6MPa的9%C4F7N/91%CO2和9%C4F7N/91%N2混合气体热开断能力仅为相同条件下SF6的38.7%和34.1%,电恢复强度为相同条件下SF6的56.9%和61.8%,弧后C4F7N无法复原,CO2作为缓冲气体时,复原产物中CO摩尔分数高达40%以上。（4）开展C4F7N/CO2混合气体燃弧实验,研究不同C4F7N含量、充气压力、燃弧时间和开断次数条件下断路器中C4F7N/CO2混合气体的燃弧特性,在此基础上,验证电弧数学模型,进一步研究不同因素对混合气体熄弧性能的影响。研究结果表明,C4F7N/CO2混合气体的电弧电压和熄弧尖峰均低于SF6,不利于电弧熄灭;增大灭弧室充气压力比增加C4F7N含量更能有效地提升混合气体的熄弧性能。考虑到高压断路器运行温度范围要求,建议采取低C4F7N占比,高充气压力的气体配置方案,如0.8MPa、5%C4F7N/95%CO2,最低可适用于-26℃环境温度,其热开断能力和绝缘恢复强度分别为0.6MPa下SF6的41.1%和51.8%。本文研究成果为新一代绿色环保型高压断路器等开关设备的设计、研发以及应用奠定了理论基础,提供了实验数据和研究方法。为促进电力能源装备绿色低碳发展进程、助力“双碳”目标早日实现具有推动作用。