SF6/N2混合氣體應(yīng)用于GIS設(shè)備的研究

摘 要：為應(yīng)對(duì)全球溫室效應(yīng)，要減少GIS設(shè)備中溫室氣體SF6的使用量。本文以SF6/N2混合氣體代替SF6應(yīng)用于GIS設(shè)備，建立了SF6/N2混合氣體的絕緣強(qiáng)度與純SF6絕緣強(qiáng)度之間的關(guān)系，以及相等絕緣強(qiáng)度下的氣壓關(guān)系，同時(shí)，給出了SF6/N2混合氣體溫升的簡(jiǎn)易計(jì)算方法，為其工程化應(yīng)用提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：SF6/N2混合氣體；絕緣特性；溫升特性

中圖分類號(hào)：TM564 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）10-0057-02

Applied Research of SF6/N2 Gas Mixtures Used in GIS

YAN Feiyue QIN Xiaoyu ZHANG Lei MA Zhiqiang

（Henan Pingzhi High-voltage Switchgear Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467013）

Abstract： Engineering application of SF6/N2 gas mixtures used in GIS was research in this paper to reduce the use of greenhouse gas SF6 in GIS equipment in response to the global greenhouse effect. The relationship of the insulation strength between SF6/N2 gas mixtures and pure SF6 was established. Also， the pressure relationship under dielectric strength was studied. Meanwhile， the simplified calculation method of temperature rise in SF6/N2 gas mixtures was discussed. All of those provide the basis for engineering application of SF6/N2 gas mixtures.

Keywords： SF6/N2 gas mixtures；insulation characteristics；temperature rise characteristics

我國(guó)能源分布的不均衡性，使遠(yuǎn)距離大容量輸電成為必然。氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備（GIS）作為輸變電環(huán)節(jié)的源頭設(shè)備，對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。SF6氣體以其絕緣能力強(qiáng)、滅弧性能好等優(yōu)點(diǎn)在GIS中得到廣泛應(yīng)用。但是，SF6也是被《京都議定書》列為需要限制使用的溫室氣體之一[1]，其溫室效應(yīng)是等量CO2氣體的23 900倍。為了減少GIS中SF6氣體的使用量，尋找替代SF6的絕緣氣體迫在眉睫。遺憾的是，到目前為止，人們?nèi)詻](méi)有找到可以完全替代SF6的單一絕緣氣體。

針對(duì)上述問(wèn)題，目前比較好的解決方案是選擇一種背景氣體，與SF6組成混合氣體，作為GIS的絕緣氣體，SF6/N2混合氣體以其優(yōu)良的絕緣性能、較低的溫室效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)受到學(xué)者的青睞。但前人的研究更多的是基于特定電極、特定工況展開(kāi)的理論和試驗(yàn)研究。本文對(duì)SF6/N2混合氣體在GIS母線中應(yīng)用的絕緣和溫升問(wèn)題進(jìn)行研究，為其工程化應(yīng)用提供依據(jù)。

1 SF6/N2混合氣體絕緣特性的應(yīng)用研究

假定混合氣體中SF6的體積分?jǐn)?shù)為x，那么在[x≥0.1]的情況下，SF6/N2混合氣體的絕緣強(qiáng)度與純SF6的絕緣強(qiáng)度之比[RE]可以用式（1）表示：

[RE=x0.18] （1）

從De Broe A M等學(xué)者[2]的研究可知，氣體絕緣強(qiáng)度[Ep]與充氣壓力P之間的關(guān)系可表示為：

[EP=E0.110Pn] （2）

式（2）中，[E0.1]是氣壓P=0.1MPa時(shí)的擊穿場(chǎng)強(qiáng)。n是電極表面粗糙系數(shù)，電極表面光滑時(shí)，n=0.85～0.9；電極表面較粗糙時(shí)，n=0.7～0.75；對(duì)于工程中表面一般光滑的電極，取n=0.8。那么，綜合式（1）和式（2）可知，相等絕緣能力的SF6/N2混合氣體與純SF6氣體所需要的氣壓之比[Rp]滿足以下關(guān)系：

[RP=PmixPsf6=x-0.225] （3）

為了描述隨著混合氣體中SF6體積分?jǐn)?shù)的變化，混合氣體相對(duì)于純SF6氣體的絕緣強(qiáng)度變化趨勢(shì)，以及相等絕緣能力的SF6/N2混合氣體與純SF6氣體所需要的氣壓之比的變化趨勢(shì)，繪制如圖1所示的曲線。其中，曲線Ⅰ表示氣壓相等時(shí)混合氣體與純SF6的絕緣強(qiáng)度之比隨SF6含量x的變化關(guān)系；曲線Ⅱ表示相等絕緣能力的混合氣體與純SF6所需壓力之比隨SF6含量x的變化關(guān)系。

在實(shí)際工程中，可以根據(jù)圖1對(duì)混合氣體成分及滿足絕緣強(qiáng)度的氣壓進(jìn)行協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，確定合理的氣體成分及對(duì)應(yīng)的氣壓。

2 SF6/N2混合氣體溫升特性的應(yīng)用研究

GIS設(shè)備在正常運(yùn)行過(guò)程中，必須保證各部分的溫度在一定范圍內(nèi)，否則將會(huì)造成絕緣或結(jié)構(gòu)破壞，或?qū)е聣勖档停o電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)危害。

設(shè)備通過(guò)電流時(shí)，會(huì)由于電阻發(fā)熱、渦流等因素，使電能轉(zhuǎn)化為熱能，成為設(shè)備的發(fā)熱源。高壓側(cè)導(dǎo)體熱量通過(guò)混合氣體傳遞到低壓側(cè)殼體，殼體通過(guò)大氣散熱。當(dāng)發(fā)熱量與散熱量相等時(shí)，設(shè)備的溫升穩(wěn)定，此時(shí)，熱量交換關(guān)系為：

[pdt=KTAτdt] （4）

式（4）中，[p]為系統(tǒng)的發(fā)熱功率（W）；[dt]為時(shí)間間隔（s）；[KT]為綜合散熱系數(shù)（W/m2K）；[A]為散熱面積（m2）；[τ]為溫升（K）。

由此可知：相同母線結(jié)構(gòu)通過(guò)相同電流時(shí)，混合氣體母線與純SF6母線相比，總發(fā)熱量不變，殼體向大氣的散熱面積及散熱系數(shù)不變，那么殼體的溫升不變。同理，導(dǎo)體相對(duì)殼體的溫升與絕緣氣體的綜合散熱系數(shù)成反比。采用混合氣體絕緣與采用純SF6絕緣各部位溫升變化關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2中，[T0]為環(huán)境溫度，[T1]為殼體溫度，[T2]為高壓側(cè)導(dǎo)體溫度，[Q1]為殼體發(fā)熱量，[Q2]為導(dǎo)體發(fā)熱量。采用混合氣體絕緣與采用純SF6絕緣的低壓側(cè)殼體溫升相等，即

[τ1，mix=τ1，sf6] （5）

高壓側(cè)導(dǎo)體相對(duì)于低壓側(cè)殼體溫升與絕緣氣體的綜合傳熱系數(shù)成反比，即

[τ2，mix-τ1τ2，sf6-τ1=wsf6wmix] （6）

氣體介質(zhì)傳熱時(shí)，對(duì)流效應(yīng)起主導(dǎo)作用，用對(duì)流傳熱系數(shù)表示綜合傳熱系數(shù)可以滿足工程要求。從W.Boeck等學(xué)者[3]的研究可知，SF6/N2混合氣體與純SF6氣體的對(duì)流傳熱系數(shù)滿足式（7）：

[wmixwsf6=x+1.572.57pmixpsf60.6] （7）

綜合式（5）至式（7），可以得到不同SF6體積分?jǐn)?shù)下，混合氣體母線高壓側(cè)溫升與混合氣體壓力之間的關(guān)系，可以在純SF6母線結(jié)構(gòu)及其溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，預(yù)計(jì)特定氣壓下混合氣體母線的溫升值。同樣，可以計(jì)算混合氣體母線滿足特定溫升值所需要的最低氣壓，這為工程上的溫升設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3 結(jié)論

本文從混合氣體擊穿場(chǎng)強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)公式出發(fā)，建立了混合氣體的絕緣能力與純SF6氣體的絕緣能力的關(guān)系，并得到二者達(dá)到相同絕緣能力所需氣壓的關(guān)系；對(duì)系統(tǒng)發(fā)熱因素和散熱因素展開(kāi)研究，得到混合氣體母線溫升簡(jiǎn)易計(jì)算方法；對(duì)SF6/N2混合氣體中SF6氣體使用量進(jìn)行計(jì)算，采用SF6/N2混合氣體絕緣可以有效減少SF6氣體使用量。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧云坤，肖登明，陳炯.CF3I-N2混合氣體作為SF6替代氣體用于GIS/C-GIS的絕緣性能分析[J].高電壓技術(shù)，2013（9）：2288-2293.

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[3] W. Boeck，T.R. Blackburn，A.H. Cookson，et al. N2/SF6 Mixtures for Gas Insulated Systems[J].Cigre TechnicalBrochure，2004（10）：260.