HTS電力技術(shù)應(yīng)用中低溫氮氣的絕緣特性研究

張京業(yè) 戴少濤 施 飛 趙連岐 朱志芹滕玉平 周微微 王邦柱 許 熙

(1中國科學(xué)院電工研究所 北京 100190)

(2江蘇中天科技股份有限公司 南通 226463)

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對電力容量及供電質(zhì)量的需求不斷增加，電網(wǎng)規(guī)模越來越大，電網(wǎng)暫態(tài)穩(wěn)定性等問題也越來越突出。針對國民經(jīng)濟(jì)和電網(wǎng)的巨大需求，包括超導(dǎo)電纜、變壓器、限流器等高溫超導(dǎo)電力技術(shù)近年來獲得了長足發(fā)展［1-4］。超導(dǎo)電力裝置的電壓等級也不斷提高，先后經(jīng)歷了380 V實驗室原理樣機(jī)，10 kV和35 kV配電網(wǎng)的并網(wǎng)示范樣機(jī)，到目前的220 kV甚至500 kV輸電網(wǎng)的示范樣機(jī)［5-7］。

高溫超導(dǎo)電力裝置的核心部件——超導(dǎo)繞組、電纜導(dǎo)體等大都采用廉價的液氮浸泡以獲得運行所必需的低溫環(huán)境。由于電網(wǎng)運行工況的復(fù)雜性，繞組等超導(dǎo)部件要耐受故障短路電流、短時脈沖過電流、瞬時過電壓等極端情況，此時由于自身的交流損耗、渦流損耗以及電流急劇過載等因素超導(dǎo)部件瞬間釋放大量的焦耳熱，導(dǎo)致液氮瞬間汽化，甚至引發(fā)密閉低溫容器的壓力突然增加。這種情況在電阻型超導(dǎo)限流器中表現(xiàn)的尤為突出，因為電阻型超導(dǎo)限流器是采用超導(dǎo)體的狀態(tài)轉(zhuǎn)變特性，即失超電阻進(jìn)行故障限流的，在限流過程中伴有大量的焦耳熱產(chǎn)生［7-12］。由于氮氣的絕緣特性較液氮低的多，大量氮氣的形成對超導(dǎo)電力裝置的絕緣性能具有致命的影響，甚至?xí)l(fā)絕緣失效。

針對以上情況，本文通過實驗系統(tǒng)研究了液面以上低溫氮氣的絕緣與擊穿特性，特別是電極形狀和電極間距對低溫氮氣擊穿特性的影響規(guī)律;并根據(jù)超導(dǎo)電力裝置在極端條件下的工況，重點研究了低溫氮氣壓力等因素對擊穿特性的影響。

2 實驗裝置及實驗方法

2.1 氣體放電理論［13］

氣體的放電主要遵循湯遜/J S Townsend氣體放電理論和Paschen巴申定律/帕邢定律，氣體放電過程中電壓與電流的關(guān)系如圖1所示。

圖1 氣體放電過程中電壓與電流的關(guān)系(擊穿電壓UB，自持放電電壓U0)Fig.1 Relationship between current and voltage in discharge process of gases(breakdown voltage UB，self sustained discharge voltage U0)

氣體的擊穿電壓UB計算公式:

把氮氣和銅電極參數(shù)代入式(1)得到氮氣擊穿電壓:

式(1)、(2)中:UB為擊穿電壓，V;p為氣體壓力，托(133 Pa);d為電極之間的距離，cm;T為熱力學(xué)溫度，K;公式適用范圍:pd≤200(cm×133 Pa)。

2.2 實驗裝置及電極設(shè)計

如圖2所示，實驗裝置的容器采用非金屬材質(zhì)，筒體具有保溫功能;不同形狀的電極可以固定在上下電極桿上;下電極桿固定不動，上電極桿可以上下移動，通過容器上方的標(biāo)尺和聯(lián)動桿可以精確地調(diào)節(jié)電極距離;容器上蓋板上有增壓閥、泄壓閥、安全閥和壓力表，在確保安全的前提下可以調(diào)整容器內(nèi)氣體的壓力，壓力調(diào)節(jié)范圍(1—5)×105Pa。

如圖3所示，下電極與低溫容器固定，液氮液面始終在下電極以下;通過上電極的上下移動調(diào)節(jié)電極間隙的大小;通過液氮的自然蒸發(fā)和容器的泄壓閥調(diào)節(jié)低溫氮氣的壓力。

根據(jù)相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，所研制的電極如圖4所示，包括4對紫銅球電極，分別為Φ50 mm、Φ100 mm、Φ125 mm和Φ150 mm;不銹鋼柱電極1對，Ф75 mm-R3修圓和Ф25 mm-R3修圓;不銹鋼針-板電極1對，針電極18度圓錐、板電極Ф300 mm-R5修圓。

圖3 低溫氮氣絕緣特性實驗原理圖Fig.3 Experimental diagram for dielectric breakdown characteristics of cryogenic nitrogen gas above liquid nitrogen

圖4 實驗用電極照片及參數(shù)Fig.4 Photo and parameters of electrodes for experiment

2.3 實驗方法

低溫氮氣的絕緣特性實驗過程中嚴(yán)格按照高電壓實驗規(guī)范和以下步驟進(jìn)行:

(1)首先選用合適的電極，并把電極固定在上下電極桿上;

(2)裝配并密封容器;

(3)容器內(nèi)注入液氮至沒過下電極;

(4)泄壓閥打開放置一段時間，通過液氮的揮發(fā)排除容器內(nèi)的雜氣，待液面落至下電極以下;

(5)接線:上電極與高壓發(fā)生器的輸出端連接，下電極接地;

(6)調(diào)節(jié)并固定電極間隙和氣體壓力;

(7)通過高壓測試系統(tǒng)進(jìn)行實驗測試，高壓恒定并持續(xù)1 min，每個電壓值重復(fù)測試3次，取平均值。

3 實驗結(jié)果及分析

利用實驗室的200 kV高壓試驗系統(tǒng)及以上實驗裝置，系統(tǒng)的研究了電極間距、氣體壓力、電極形狀等對高純氮氣絕緣特性進(jìn)了系統(tǒng)的實驗研究，主要結(jié)果如下:

3.1 電極間隙對低溫氮氣擊穿特性的影響

首先利用一對Φ150 mm的球電極并固定球間距為3 mm，測試1 min工頻耐壓，3次擊穿電壓的平均值為36.2 kV。然后逐漸增大電極間距，重復(fù)測試，獲得實驗結(jié)果如圖5所示?？梢姡S著電極間隙的增加，由于球間隙的電場均勻性變差，氮氣擊穿電壓并非線性增加;如圖6所示，這種現(xiàn)象在柱電極的測試結(jié)果中表現(xiàn)的更為突出。

圖5 低溫常壓氮氣在Φ150 mm紫銅球電極下的擊穿電壓隨電極間距的變化規(guī)律Fig.5 Testing results of breakdown voltage with electrode gap for cryogenic nitrogen gas at atmospheric pressure with Ф150 mm ball electrodes

圖6 常壓低溫氮氣在柱電極下的擊穿電壓隨電極間距的變化規(guī)律Fig.6 Testing results of breakdown voltage with electrode gap for cryogenic nitrogen gas at atmospheric pressure with column electrodes

實驗結(jié)果說明，電極間隙的大小對低溫常壓氮氣的擊穿電壓影響顯著，距離越大擊穿電壓越高。

3.2 壓力對低溫氮氣擊穿性能的影響

電極間隙固定為10 mm，用柱電極和針板電極分別實驗，逐漸增加氮氣的壓力，氮氣的擊穿強度隨壓力的變化規(guī)律如圖7所示?？梢姡陔姌O距離固定不變的情況下，隨著氣體壓力的增加，氮氣的擊穿強度呈線性增加。

圖7 在電極間隙固定為10 mm情況下，柱電極和針-板電極的低溫氮氣擊穿電壓隨氣體壓力的變化規(guī)律Fig.7 Breakdown voltage of cryogenic nitrogen gas as a function of pressure for column electrode and needle-plate electrodes with gap of 10 mm

圖8為不同電極情況下，低溫氮氣的擊穿電場強度隨氣體壓力的變化情況。由實驗結(jié)果可以看出:氣體壓力相同時，針-板電極的擊穿電場強度最小，柱電極次之，球電極的最大擊穿電壓差別很小;相較于球電極，針-板電極的擊穿電場強度隨氣體壓力的變化斜率最小，柱電極的次之。隨著氣體壓力的增加，不同形狀的電極具有相同的變化規(guī)律:擊穿電場強度隨氣體壓力的增加不斷增大。

圖8 低溫氮氣在不同電極情況下，擊穿電場強度隨氣體壓力的變化規(guī)律Fig.8 Breakdown strength of cryogenic nitrogen gas as a function of pressure with different electrodes

以上實驗結(jié)果說明，氣體壓力對低溫氮氣的擊穿電壓影響明顯，擊穿電壓隨氣體壓力線性增加。

3.3 電極形狀對低溫氮氣擊穿性能的影響

圖9給出了低溫氮氣在Φ150 mm球電極和柱電極情況下，擊穿電壓隨電極間距的變化情況的實驗結(jié)果。由圖可以看出:相同電極間距情況下，球電極的擊穿電壓較針-板電極高很多;球電極隨電極間距增加的斜率較針-板電極的斜率大的多。

圖9 低溫氮氣在Φ150 mm球電極和柱電極情況下，擊穿電壓隨電極間隙的變化規(guī)律Fig.9 Breakdown voltage of cryogenic nitrogen gas as a function of electrode gap for Φ150 mm ball electrodes and column electrodes

圖10給出了不同電極擊穿電場強度的實驗結(jié)果。通過實驗結(jié)果可以看出，在電極距離相同的前提下，不同電極形狀的擊穿電壓差別很大，針-板電極最小，柱電極次之，而球電極的擊穿電壓近似。

圖10 電極形狀對低溫氮氣擊穿電場強度的影響Fig.10 Breakdown strength of cryogenic nitrogen with different electrodes

以上實驗結(jié)果說明:電極形狀對低溫氮氣的擊穿電壓影響顯著，電極間隙的電場越均勻，擊穿電壓越高，如圖10所示，4×105Pa壓力下電極距離同為10 mm，冷氮氣在針-板電極的擊穿電場強度僅為5.08 kV/mm，柱電極的高達(dá)14.58 kV/mm;電極間隙的增大引發(fā)電場均勻性變差的，單位長度的耐壓強度隨長度的增加而降低，不改變電極間隙電場均勻性的，單位長度的耐壓強度隨長度的增加保持不變，如圖9所示;氣體壓力改變的情況下，電極間隙電場越均勻，擊穿電壓越高的規(guī)律同樣成立。

4 結(jié)論

液氮廣泛用作超導(dǎo)電力裝置制冷劑的同時，還肩負(fù)著高電壓絕緣介質(zhì)的作用。本文通過實驗系統(tǒng)研究了低溫氮氣的高電壓擊穿特性及影響因素，得出氣體擊穿電壓隨電極間距的變化規(guī)律、氣體壓力對氮氣擊穿特性的影響及變化規(guī)律、電極形狀以及電場均勻性對氮氣擊穿電壓的影響規(guī)律等。本文可為高溫超導(dǎo)電力裝置，特別是電阻型超導(dǎo)限流器在短路故障、短時脈沖過電流等導(dǎo)致液氮瞬間汽化、氣體快速升溫情況下，電力裝置的絕緣設(shè)計提供理論與實驗依據(jù)。

1 David Larbalestier，Alex Gurevich，D Matthew Feldmann，et al.High-Tcsuperconducting materials for electric power applications［J］.Nature，2001，414:368-377.

2 Xiao Liye，Lin Liangzhen.Recent progress of power application of superconductor in China［C］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2007，17:2355-2360.

3 Swarn Singh Kalsi.Applications of high temperature superconductors to electric power equipment［M］.Wiley-IEEE Press，2011.

4 Xiao Liye，Dai Shaotao，Lin Liangzhen，et al.HTS power technology for future DC power grid［C］.IEEE Transactions on applied superconductivity，2013，23:5401506.

5 Xiao Liye，Dai Shaotao，Lin Liangzhen，et al.Development of the world’s first HTS power substation［C］.IEEE Transactions on applied superconductivity，2012，22:5000104.

6 Xin Y，Hong H，Wang J Z，et al.Performance of the 35kV/90MVA SFCL in live-grid fault current limiting tests［C］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2011，21:1294-1297.

7 Hans-Peter Kraemer，Wolfgang Schmidt，Hong Cai，et al.Superconducting fault current limiter for transmission voltage［J］.Physics Procedia，2012，36:921-926.

8 Hong Z，Sheng J，Yao L，et al.The structure，performance and recovery time of a 10kV resistive type superconducting fault current limiter［C］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2013，23:5601304.

9 Nguyen N T，Tixador P.A YBCO-coated conductor for a fault current limiter:architecture influences and optical study［J］.Supercond Science Technology，2010，23:025008.

10 Jérika S Lamas，Carlos A Baldan，Carlos Y Shigue.Electrical and magnetic characterization of BSCCO and YBCO HTS tapes for fault current limiter applicationr［C］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2011，21:3398-3402.

11 Pavol U?ák，Pavol Mozola.How to speed up Y-Ba-Cu-O tape recovery［C］.IEEE Transactions on Applied Superconductivity，2013，23:4701011.

12 王銀順，戴少濤，肖立業(yè)，等.YBCO涂層導(dǎo)體工頻下過電流失超特性［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，7(36):63-67.

13 嚴(yán)璋，朱德恒.高電壓絕緣技術(shù)［M］.北京:中國電力出版社，2002:50-60.