c-C4F8及其混合氣體的滅弧性能

高小飛，陳 炯，李 峰，張周勝

(上海電力學(xué)院電力與自動化工程學(xué)院，上海 200090)

高壓斷路器是電力系統(tǒng)最重要的控制和保護設(shè)備，當(dāng)系統(tǒng)處于空載、負(fù)載或短路故障要求斷路器動作時，它都能可靠地動作.當(dāng)斷路器開、斷電路時，只要電路中的電流超過100 mA，電源電壓超過幾十伏，動、靜觸頭間就會出現(xiàn)電?。?］.滅弧的過程主要發(fā)生在斷路器的滅弧室內(nèi)，而高壓氣體斷路器的滅弧室內(nèi)通常充有SF6氣體，幾十年的實踐證明，沒有任何一種氣體絕緣介質(zhì)可與之相比［2］.但SF6也是一種很強的溫室氣體，其溫室效應(yīng)為CO2氣體的23 900倍，排放到大氣后能存在3 200年［2］.因此，尋求SF6替代氣體的研究已在全球廣泛開展.

SF6替代氣體的選擇主要從氣體的導(dǎo)熱系數(shù)、定壓比熱、絕熱系數(shù)、液化溫度等物理參數(shù)，電弧產(chǎn)物無毒或毒性等化學(xué)性質(zhì)，以及電負(fù)性、溫室效應(yīng)等方面加以考慮.目前對SF6替代氣體的研究主要集中在空氣，CO2，H2，CF3I，N2，以及它們的混合氣體［3］.

c-C4F8是一種溫室效應(yīng)值為8 700的氣體，遠(yuǎn)低于SF6.它也是一種具有高絕緣性能的電負(fù)性氣體，而且這種氣體完全無毒，無臭氧影響.1997年美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)會會議上已將c-C4F8混合氣體列為最有潛力的SF6絕緣替代氣體.其缺點是液化溫度比較高，沸點為－8℃，較易液化，不適合在高寒地區(qū)使用，但它可以通過添加價格便宜的、液化溫度較低且不存在碳分解的N2和CO2等緩沖氣體得到緩解.

國內(nèi)外一些學(xué)者已經(jīng)對c-C4F8混合氣體的絕緣性能進行了一定的研究，但對其滅弧性能的研究尚未有記載.因此，本文對c-C4F8氣體及其混合氣體進行了滅弧試驗，測得其電弧的電壓和電流值，計算了電弧時間常數(shù)和散出能量常數(shù)，并分析了其滅弧性能.

1 試驗裝置及回路

本試驗的滅弧試驗裝置截面圖如圖1所示［4，5］.滅弧室由有機玻璃桶組成.靜觸頭和動觸頭頭部的材料為銅.靜觸頭頭部與靜觸頭之間由螺紋嚙合，必要時可以旋出或旋入以調(diào)節(jié)伸長位置.機械動作部分由電磁閥推動.經(jīng)測量，當(dāng)汽缸氣壓值為 0.3 MPa時，分閘速度為 1.8 m/s，合閘速度為 2.12 m/s.

圖1 試驗裝置

圖2為滅弧測試回路.滅弧試驗裝置初始狀態(tài)為分閘狀態(tài)，高壓直流電源通過限流電阻R對電容C充電.當(dāng)充電完成后，滅弧室中靜觸頭和動觸頭兩端電壓為電容充電電壓，電流為零.利用電磁閥控制試驗裝置合閘動作，此時電容C和電感L，以及試驗裝置和分流器形成導(dǎo)通回路，產(chǎn)生短路電流，滅弧室內(nèi)氣體放電擊穿，形成電弧，然后由短路電流過零自然熄弧.串入試驗裝置下端的低感分流器用于測試電弧電流，電弧電壓信號由電阻式分壓器采集.考慮到放電電壓及示波器的測試范圍，選取分壓比為1 000∶1.電弧電壓和電弧電流波形由雙蹤記憶示波器記錄.

圖2 試驗電路

2 麥也爾電弧模型及電弧參數(shù)計算

2.1 麥也爾電弧模型

所謂電弧模型，就是在能量平衡的基礎(chǔ)上將電弧當(dāng)作一個圓柱形的氣體通道，而電導(dǎo)是隨能量變化的.弧隙通過熱傳導(dǎo)、對流及輻射方式向其周圍介質(zhì)放出能量，故弧隙電阻實際上是由弧隙中輸入與散出的能量之間的關(guān)系來決定的，它還與時間有關(guān).

麥也爾認(rèn)為電弧具有圓柱形氣體通道的形狀，但其直徑是恒定的.從電弧間隙散出的能量是常數(shù)，能量的散出是依靠熱傳導(dǎo)和徑向擴散完成的.麥也爾電弧數(shù)學(xué)模型，也可稱為麥也爾方程(Mayr’s equation)為:

式中:ga——電弧電導(dǎo);

θ——電弧時間常數(shù)，即弧隙中能量變化使弧隙電阻改變2.73倍時所需的時間;

N0——散出能量常數(shù).

麥也爾方程是基于熱平衡、熱慣性、熱游離3個基本原理推導(dǎo)出來的.當(dāng)e·i＞N0時，電弧溫度應(yīng)增加，熱游離加強，所以(dga/dt)＞0，即電弧電導(dǎo)有增加的趨勢;反之同理.在電流過零后弧隙上沒有外加恢復(fù)電壓的情況下，也即e=0，得:

式(2)表明，在沒有外加恢復(fù)電壓情況下，電弧電導(dǎo)按電弧時間常數(shù)的指數(shù)曲線下降.因此，電弧時間常數(shù)θ和散出能量常數(shù)N0在滅弧過程中起決定作用，可作為衡量滅弧性能的重要指標(biāo).

2.2 電弧參數(shù)計算

試驗得到的電弧電導(dǎo)和電弧電流的波形如圖3所示.

圖3 電弧參數(shù)計算方法示意

根據(jù)麥也爾方程可推導(dǎo)出電弧時間常數(shù)θ和散出能量常數(shù)N0隨電導(dǎo) g變化的計算公式［5］為:

3 試驗結(jié)果及分析

試驗電源采用振蕩回路，充電電壓為5 kV，最大放電電流為3 kA.在滅弧試驗裝置內(nèi)充入0.1 MPa的c-C4F8氣體及其與N2或CO2的混合氣體.當(dāng)利用電磁閥讓動觸頭動作時，裝置內(nèi)產(chǎn)生了明亮的電弧后熄弧.示波器設(shè)為單次觸發(fā)，通過分流器和分壓電阻測得電弧電流和電壓，并利用式(3)和式(4)計算出電弧時間常數(shù)和散出能量常數(shù).

圖4為純c-C4F8氣體、CO2與c-C4F8混合氣體、N2與c-C4F8混合氣體在電導(dǎo)值0～60 S內(nèi)的時間常數(shù)曲線.圖5為純c-C4F8氣體、CO2與c-C4F8混合氣體、N2與c-C4F8混合氣體在電導(dǎo)值0～60 S內(nèi)的散出能量常數(shù)曲線.

圖4 不同氣體的電弧時間常數(shù)

圖5 不同氣體的電弧散出能量常數(shù)

由圖4和圖5可以看出:電弧時間常數(shù)為c-C4F8＜CO2＜N2;散出能量常數(shù)為 N2＞CO2＞c-C4F8.從電弧時間常數(shù)看，CO2氣體與 c-C4F8氣體相差不大，N2氣體則與CO2氣體和c-C4F8氣體有一定的差距;從散出能量常數(shù)看，CO2氣體與N2氣體更為接近，但都明顯遜于c-C4F8氣體.

4 結(jié)論

(1)電弧參數(shù)的試驗結(jié)果表明，作為SF6替代氣體，c-C4F8氣體的滅弧性能優(yōu)于CO2氣體和N2氣體.

(2)c-C4F8/N2和c-C4F8/CO2混合氣體都能降低沸點，進一步減小溫室效應(yīng)值，但同時混合的緩沖氣體越多則滅弧性能越差.

(3)c-C4F8/N2/CO23元混合氣體的混合比、沸點，以及在不同氣壓條件下的滅弧性能還有待進一步研究和探討.

［1］清華大學(xué)高壓教研組.高壓斷路器:上冊［M］.北京:水利電力出版社，1980:12-30.

［2］邱毓昌.GIS裝置及其絕緣技術(shù)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，1994:55-60.

［3］TAKI M，MAEKAWA D，ODAKA H，et al.Interruption capability of CF3I gas as a substitution candidate for SF6gas［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2007，14(2):341-346.

［4］黎斌.SF6高壓電器設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2008:63-98.

［5］徐國政.高壓斷路器原理和應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2000:15-23.