c-C4F8/N2混合氣體稍不均勻電場下絕緣性能及放電分解產(chǎn)物的試驗研究

鄧先欽， 薛 鵬， 趙 謖， 張 輝

(1.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院， 上海 200437； 2.上海交通大學(xué)電氣工程系， 上海 200030)

?

c-C4F8/N2混合氣體稍不均勻電場下絕緣性能及放電分解產(chǎn)物的試驗研究

鄧先欽1， 薛 鵬2， 趙 謖2， 張 輝2

(1.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院， 上海 200437； 2.上海交通大學(xué)電氣工程系， 上海 200030)

SF6存在液化溫度高和溫室效應(yīng)兩大問題，電力行業(yè)發(fā)展急需新型環(huán)保氣體。本文對c-C4F8/N2混合氣體的絕緣性能進行了試驗研究，測量了在稍不均勻電場中，不同氣壓強度以及混合比例條件下的工頻交流擊穿電壓，結(jié)果表明，在實驗條件范圍內(nèi)，擊穿電壓隨著氣壓和c-C4F8占比的上升而上升；將實驗結(jié)果與SF6比較發(fā)現(xiàn)c-C4F8/N2混合氣體具備和SF6相當(dāng)?shù)慕^緣性能。此外，本文還對混合氣體擊穿后的氣體進行了檢測，發(fā)現(xiàn)了分解產(chǎn)物C2F4。本文為今后c-C4F8/N2混合氣體在電力行業(yè)中的實際應(yīng)用提供了參考。

SF6替代氣體； c-C4F8/N2混合氣體； 絕緣性能； C2F4

1 引言

六氟化硫(SF6)因為其優(yōu)秀的絕緣和滅弧性能在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。SF6是強電負(fù)性氣體，在較均勻電場中的耐電強度大約為空氣的25倍[1]。純凈的SF6無色、無味、無毒、不燃，和電氣設(shè)備相容性好[2-4]，但是SF6氣體在實際應(yīng)用中還存在以下兩個問題：①SF6氣體在壓力大溫度低的環(huán)境下容易液化，限制了其在高寒地區(qū)的使用[5]；②SF6是一種強溫室效應(yīng)氣體，在1997年通過的全球變暖《京都議定書》中，將SF6氣體列為受限制的六種溫室氣體之一[6]。因此，尋找一種環(huán)境友好的替代氣體成為電力行業(yè)發(fā)展的必然趨勢。c-C4F8是一種無色、無味、不可燃的氣體，對環(huán)境的影響遠(yuǎn)小于SF6[7,8]，在較均勻電場下的絕緣強度是SF6氣體的1.25倍，具備了作為替代氣體的基本理化和電氣性能。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對c-C4F8及其混合氣體的理化性質(zhì)、絕緣性能、閃絡(luò)特性、分解產(chǎn)物進行了大量研究[9-14]。然而c-C4F8也存在液化溫度較高、不適合高寒地區(qū)使用并且價格昂貴等問題。A. Pederesn等學(xué)者提出，可以通過將c-C4F8與價格低廉且液化溫度較低的N2或者CO2混合來克服純凈c-C4F8存在的缺陷[15]。此外，c-C4F8分子中存在碳原子，存在分解出導(dǎo)電微粒的可能。

本文通過實驗測量了c-C4F8/N2混合氣體在不同混合比例、氣壓環(huán)境以及間隙距離條件下的工頻擊穿電壓，并與純凈的SF6氣體進行比較，分析c-C4F8/N2替代的可行性。此外，對完成了500次工頻電壓擊穿后的氣體進行分解物檢測。

2 實驗方法與設(shè)置

2.1 實驗裝置

實驗裝置的示意圖如圖1所示。能量來源為市電220V交流電壓，通過調(diào)壓器U1升壓后，再連接一臺額定變比的變壓器U2升壓，其最大輸出電壓300kV。變壓器并聯(lián)一臺電阻分壓器，實際擊穿電壓為電壓測量裝置測得的電壓值除以分壓系數(shù)，本實驗中分壓器分壓系數(shù)為0.0005。電阻R為保護電阻。電極與間隙被密封在一個實驗罐內(nèi)，氣隙擊穿在密封罐中進行。實驗前需要向?qū)嶒灩拗谐淙胍蟮幕旌蠚怏w，靜置24h以上，使c-C4F8/N2氣體充分混合。依據(jù)IEC60060-1標(biāo)準(zhǔn)，通過調(diào)節(jié)調(diào)壓器直至氣隙擊穿，記錄下?lián)舸┧查g的電壓，將10次重復(fù)實驗的實驗結(jié)果取平均值記為最終的擊穿電壓。

圖1 工頻交流氣隙擊穿實驗裝置示意圖Fig.1 Experimental setup

2.2 電極與氣體間隙

本文通過如圖2所示的球板電極來模擬實際的稍不均勻電場。球板之間的氣隙距離可以通過實驗罐底部的旋鈕調(diào)節(jié)。通過ANSYS仿真軟件對該電極不同氣隙距離下的電場分布進行分析，電極材料為銅，電極間電壓為100V，仿真結(jié)果示意圖如圖3所示。分別計算出不同間隙下的電場不均勻系數(shù)如表1所示。在電極距離為30mm時，最大的不均勻系數(shù)為1.434，滿足稍不均勻電場條件。

圖2 球板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural diagram of sphere-plate electrode

圖3 電場仿真示意圖Fig.3 Simulation of electric field

3 實驗結(jié)果分析

3.1 純凈氣體絕緣性能

圖4為SF6、c-C4F8以及N2純氣體的工頻擊穿電壓隨氣隙距離變化的曲線。實驗氣壓條件均為0.1MPa。如2.2節(jié)中所述，電場環(huán)境為稍不均勻電場。觀察發(fā)現(xiàn)，三種氣體的擊穿電壓與間隙距離的關(guān)系都近似于線性增加。其中c-C4F8的增長速度最快，SF6略低于c-C4F8，N2增長最慢。將三種氣體的擊穿電壓相比較發(fā)現(xiàn)相同氣隙距離的情況下，c-C4F8絕緣性能最好，其工頻擊穿電壓約為SF6的1.45倍、N2的4倍。例如在間隙距離為20mm時，c-C4F8擊穿電壓為150.4kV，SF6擊穿電壓為102kV，N2擊穿電壓則為38.5kV。

表1 電場不均勻系數(shù)與氣隙距離的關(guān)系

圖4 純凈氣體工頻擊穿電壓與間隙距離關(guān)系曲線Fig.4 Breakdown voltage of pure gas with different gap distances

3.2 c-C4F8/N2混合氣體絕緣性能

圖5為不同混合比例下c-C4F8/N2混合氣體的工頻擊穿電壓隨間隙距離變化的曲線。其中c-C4F8所占比例依次為5%、10%、20%以及30%，實驗氣壓范圍為0.1～0.3MPa。與純氣體類似，混合氣體的擊穿電壓隨間隙距離的增加近似線性增加。同時，在實驗氣壓范圍內(nèi)，擊穿電壓隨著氣壓的升高而逐漸升高。

圖5 c-C4F8/N2工頻擊穿電壓與間隙距離關(guān)系曲線Fig.5 Breakdown voltage of c-C4F8/N2 with different gap distances

為了更清晰地比較擊穿電壓和混合比例的關(guān)系，選擇氣體間隙距離為10mm，繪制出不同氣壓下，擊穿電壓與混合比例的關(guān)系曲線，如圖6所示?？梢钥闯?，隨著c-C4F8占比的上升，工頻擊穿電壓也逐漸上升。這是因為c-C4F8電負(fù)性遠(yuǎn)強于N2，當(dāng)c-C4F8占比越大，電子碰撞到c-C4F8的概率和次數(shù)越大，相應(yīng)的被吸附的概率也就上升，從而阻礙了碰撞電離的發(fā)展，使擊穿電壓上升[16]。此外，這種增長的趨勢在c-C4F8占比在0～5%之間尤為明顯，隨著占比的上升，擊穿電壓隨之增長的速度越來越慢。

圖6 c-C4F8/N2工頻擊穿電壓與混合比例關(guān)系曲線Fig.6 Breakdown voltage of c-C4F8/N2 with different ratios

3.3 分解產(chǎn)物

對c-C4F8占比20%的c-C4F8/N2混合氣體進行分解產(chǎn)物分析。本實驗使用的檢測設(shè)備為了保證檢測結(jié)果的精確性，在進行放電實驗之前，對實驗罐中的氣體進行采樣。對擊穿500次后的混合氣體采樣，采用質(zhì)譜儀對組成成分進行分析。檢測結(jié)果如圖7所示。結(jié)果顯示，經(jīng)過多次放電后的樣本氣體內(nèi)產(chǎn)生了少量的四氟乙烯(C2F4)氣體。除此之外，沒有檢測到其他新產(chǎn)物，也沒有碳顆粒產(chǎn)生。值得注意的是，C2F4是一種有毒氣體，可能會引起人體中毒反應(yīng)；此外它還是一種易燃?xì)怏w[17]，實際應(yīng)用中可能會對人身或者設(shè)備造成損害。

圖7 分解產(chǎn)物質(zhì)譜分析結(jié)果Fig.7 Mass spectrum of c-C4F8/N2 after breakdown

4 結(jié)論

本文通過交流工頻耐壓實驗測量了稍不均勻電場中，不同氣壓強度和混合比例下的工頻擊穿電壓，研究了c-C4F8/N2混合氣體的絕緣特性，同時對多次放電后的氣體產(chǎn)物進行了分析，得到以下結(jié)論：

(1)在實驗條件范圍內(nèi)，c-C4F8氣體的絕緣性能最好，其不均勻電場下的擊穿電壓約為SF6的1.45倍、N2的4倍。

(2)在實驗條件范圍內(nèi)，c-C4F8/N2混合氣體工頻擊穿電壓隨氣隙距離上升近似線性上升。

(3)在實驗條件范圍內(nèi)，c-C4F8/N2混合氣體工頻擊穿電壓隨c-C4F8占比上升而上升，且上升速度越來越慢。

(4)c-C4F8占比大于20%的c-C4F8/N2混合氣體在氣壓稍大于純SF6時可以獲得與SF6相當(dāng)?shù)慕^緣性能。

(5)實驗室條件下，c-C4F8/N2混合氣體放電后的分解產(chǎn)物中含有微毒的氣體C2F4，在實際生產(chǎn)應(yīng)用中應(yīng)注意。

[1] 肖登明(Xiao Dengming).環(huán)保型絕緣氣體的發(fā)展前景(Development prospect of gas insulation based on environmental protection)[J].高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering)，2016，42 (4)：1035-1046.

[2] Berg D, Works C N. Temperature effect in the electrical breakdown of SF6[A]. Conference on Electrical Insulation[C]. Pocono Manor, PA, USA, 1957. 31.

[3] Safar Y A, Qureshi A H, Malik N H. Impulse corona in positive rod-plane gaps filled with SF6gas mixtures [A]. IEEE International Conference on Electrical Insulation[C]. Philadelphia, PA, USA, 1982. 197-201.

[4] 李錳，汪沨，王湘漢(Li Meng, Wang Feng, Wang Xianghan).不同電極結(jié)構(gòu)中SF6/N2混合氣體正向流注電暈放電特性(Review of power electronic transformer topologies applied to distribution system)[J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2015，34 (3)：24-28, 48.

[5] 李興文，趙虎(Li Xingwen, Zhao Hu). SF6替代氣體的研究進展綜述(Review of research progress in SF6substitute gases)[J].高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering)，2016，42 (6)：1695-1701.

[6] 李錳，汪沨，張盈利，等(Li Meng, Wang Feng, Zhang Yingli, et al.). 同軸場域SF6/N2混合氣體電暈放電特性的仿真研究(Streamer corona discharge simulations of coaxial gap in SF6/N2gas mixtures)[J]. 電工電能新技術(shù)(Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy)，2014，33 (7)：49-54.

[7] 張劉春，肖登明，張棟，等(Zhang Liuchun, Xiao Dengming, Zhang Dong, et al.). c-C4F8/CF4替代SF6可行性的SST實驗分析(SST experimental analysis on the feasibility of c-C4F8/CF4substituting SF6as insulation medium)[J].電工技術(shù)學(xué)報(Transactions of China Electrotechnical Society)，2008，23 (6)：14-18.

[8] 高小飛，陳炯，李峰，等(Gao Xiaofei, Chen Jiong, Li Feng, et al.). c-C4F8及其混合氣體的滅弧性能(On the interruption capability of c-C4F8and its mixtures)[J]. 上海電力學(xué)院學(xué)報(Journal of Shanghai University of Electric Power)， 2011，27 (5)：444-446, 450.

[9] Zhao H, Li X, Lin H. Insulation characteristics of c-C4F8-N2and CF3I-N2mixtures as possible substitutes for SF6[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2017, 32 (1): 254-262.

[10] Joyce J M, Laubert R, Varghese S L, et al. Investigation of electron capture cross section additivity for CF4, C2F6and C4F8at Ep=0.8 and 1.5 MeV[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1981, 28 (2): 1072-1073.

[11] Qiu Y, Kuffel E. Dielectric strength of gas mixtures comprising SF6, CO, c-C4-F8and SF6, N2, c-C4F8[J]. IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, 1983, PAS-102 (5): 1445-1451.

[12] Zhao S, Jiao J, Zhao X, et al. Synergistic effect of c-C4F8/N2gas mixtures in slightly non-uniform electric field under lightning impulse [A]. IEEE Electrical Insulation Conference (EIC) [C]. Montreal, QC, Canada, 2016. 531-534.

[13] 吳變桃(Wu Biantao). c-C4F8及其混合氣體絕緣性能的研究(Researches on insulation characteristics of c-C4F8and its mixtures)[D].上海：上海交通大學(xué) (Shanghai: Shanghai Jiao Tong University)，2007.

[14] 馬吉祥(Ma Jixiang). 蒙特卡洛模擬c-C4F8與CHF3混合氣體的放電特性(Monte Carlo simulation of c-C4F8and CHF3mixed gas discharge characteristics) [D]. 上海：上海交通大學(xué)(Shanghai: Shanghai Jiao Tong University)，2012.

[15] Pedersen A. On the assessment of new gaseous dielectrics for GIS[J]. IEEE Power Engineering Review, 1985, PER-5 (8): 54.

[16] 陳慶國，肖登明，邱毓昌(Chen Qingguo, Xiao Dengming, Qiu Yuchang). SF6/N2混合氣體的放電特性 (Discharge characteristics of SF6/N2gas mixtures) [J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(Journal of Xi’an Jiaotong University)，2001，35 (4)：338-342.

[17] 李康，張國強，邢衛(wèi)軍，等(Li Kang, Zhang Guoqiang, Xing Weijun, et al.). c-C4F8及其與N2混合絕緣氣體在典型故障時分解生成物的試驗分析(Experiment analysis of decomposition products in typical fault of c-C4F8gas and insulating gas mixture containing c-C4F8and N2)[J]. 高電壓技術(shù)(High Voltage Engineering)，2012，38 (4)：985-992.

Experimental research on insulation characteristics and decomposition products of c-C4F8/N2mixtures in slightly non-uniform electric field

DENG Xian-qin1, XUE Peng2, ZHAO Su2, ZHANG Hui2

(1.State Grid Shanghai Electric Power Design Institute, Shanghai 200437, China; 2.Department of Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China)

High liquefaction temperature and greenhouse effect are two major problems of SF6. To find alternative gas of SF6becomes an urgency in power industry. In this paper, the insulation characteristics of c-C4F8/N2are studied. The AC breakdown voltage in slightly non-uniform electric field with different air pressure and mix ratio is measured. The results show that breakdown voltage increases with the increase of the pressure and the proportion of c-C4F8within the range of experimental conditions and c-C4F8/N2has considerable insulation properties as compared with SF6. In addition, the mixture gas after breakdown is detected. C2F4, a new decomposition product, is found. Results in this paper provide a reference for the practical application of c-C4F8/N2mixtures in power industry.

alternative gas of SF6; c-C4F8/N2mixtures; insulation characteristics; C2F4

2016-11-22

鄧先欽(1988-), 男, 江西籍, 碩士研究生, 研究方向為絕緣介質(zhì)檢測與應(yīng)用； 薛 鵬(1993-), 男, 江蘇籍, 碩士研究生, 研究方向為氣體放電與氣體絕緣。

10.12067/ATEEE1611053

1003-3076(2017)07-0073-05

TM854