應(yīng)用SF6與N2混合氣體的氣體絕緣封閉開關(guān)殼體壓力與電場(chǎng)強(qiáng)度研究

王鳳智, 樓 丹, 傅正財(cái)

1. 上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院 上海 200240 2. 上海西門子高壓開關(guān)有限公司 上海 200245

1 研究背景

現(xiàn)有氣體絕緣封閉開關(guān)(GIS)的設(shè)計(jì)是依據(jù)絕緣介質(zhì)為100%SF6進(jìn)行的，近些年，GIS產(chǎn)品導(dǎo)體及殼體的設(shè)計(jì)原理并無變化，簡(jiǎn)言之，GIS產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是成熟設(shè)計(jì)[1]。但是由于SF6是溫室氣體并難以分解，因此越來越多的廠家正在研究新氣體或者混合氣體以替代SF6?；旌蠚怏w的應(yīng)用可有效減少SF6氣體排放量，而對(duì)生產(chǎn)廠家而言，混合氣體的使用還需要兼顧產(chǎn)品成本[2]。因此，在不更改設(shè)計(jì)的前提下，能實(shí)現(xiàn)混合氣體的應(yīng)用尤為重要。筆者就典型 550kV 母線段的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，結(jié)合產(chǎn)品的電場(chǎng)仿真和壓力試驗(yàn)兩個(gè)因素，計(jì)算出合理的30%SF6、70%N2條件下的充氣壓力，同時(shí)通過型式試驗(yàn)驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果。

2 氣體含量比例對(duì)介電性能的影響

SF6是具有良好介電性能的氣體，負(fù)電性和二次復(fù)合特性是其廣泛應(yīng)用于高壓開關(guān)設(shè)備的重要原因。與SF6混合的氣體有CF4、N2等，已有試驗(yàn)結(jié)果表明，N2在絕緣性能上優(yōu)于CF4，而CF4在滅弧性能上優(yōu)于N2[3-5]。因此在靜態(tài)模塊中，SF6與N2的組合被廣泛應(yīng)用，比如在氣體絕緣輸電線路產(chǎn)品中，選擇20% SF6、80% N2作為絕緣氣體[6-7]。對(duì)于GIS而言，其內(nèi)部電場(chǎng)均勻程度明顯低于氣體絕緣輸電線路產(chǎn)品，這是由于GIS在模塊設(shè)計(jì)中很難實(shí)現(xiàn)同軸圓柱電場(chǎng)，同時(shí)更多的鑄造零件出現(xiàn)在主回路中也增加了電場(chǎng)分布的不均勻程度?；趯?duì)混合氣體的研究，在表壓 4bar(1bar=0.1MPa)狀態(tài)下，不同SF6百分比的混合氣體最高電場(chǎng)強(qiáng)度如圖1所示。

圖1 混合氣體最高電場(chǎng)強(qiáng)度

由圖1可見，伴隨SF6含量的變化，其絕緣性能也有所變化，這種變化并非線性變化。因此，在選擇氣體比例時(shí)應(yīng)綜合考量模塊的絕緣性能和殼體的機(jī)械性能兩方面需求，通過計(jì)算和試驗(yàn)找到兩方面需求的平衡點(diǎn)。

3 殼體設(shè)計(jì)壓力與模塊電場(chǎng)強(qiáng)度

降低SF6含量或提高充氣壓力是混合氣體應(yīng)用于現(xiàn)有產(chǎn)品而不進(jìn)行產(chǎn)品殼體設(shè)計(jì)更改的兩種方法，同時(shí)，SF6含量的減小必然導(dǎo)致絕緣能力的下降，而保持絕緣能力則需要提高充氣壓力來彌補(bǔ)。對(duì)生產(chǎn)廠家而言，設(shè)計(jì)出能夠兼顧使用100% SF6和SF6混合氣體的產(chǎn)品才是最優(yōu)選擇。因此，首先需確認(rèn)現(xiàn)有產(chǎn)品殼體壓力的設(shè)計(jì)裕度。

針對(duì)相關(guān)模塊殼體的爆破試驗(yàn)匯總結(jié)果見表1，可見母線所涉及的殼體均有良好的裕度，即便設(shè)計(jì)壓力有所提升，也并不影響產(chǎn)品的性能。而絕緣子自身的設(shè)計(jì)壓力也已滿足提升壓力的需求。表1相關(guān)殼體中，爆破的最低壓力出現(xiàn)在膨脹節(jié)殼體，其爆破值為4.14MPa。因此初步核算設(shè)計(jì)壓力應(yīng)在8bar及以下，可降低爆破試驗(yàn)失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 殼體爆破試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于最低功能壓力，通常是根據(jù)模塊的電場(chǎng)狀況確定的。由于在應(yīng)用混合氣體的狀態(tài)下要盡量維持原設(shè)計(jì)不變，因此最低功能壓力要盡量保證絕緣裕度。為了正確評(píng)估產(chǎn)品狀況，針對(duì)典型靜態(tài)模塊進(jìn)行仿真，電場(chǎng)分布較不均勻的模塊出現(xiàn)在T型模塊上。由于該模塊設(shè)計(jì)大部分采用鑄造零件，在一定程度上限定了混合氣體母線的最低功能壓力。圖2所示為T型模塊電壓及電場(chǎng)分布仿真結(jié)果，可見對(duì)于鑄件而言，其電場(chǎng)強(qiáng)度在27.6kV/mm左右。

圖2 T型模塊仿真結(jié)果

圖3所示為100% SF6氣體和30%SF6、70% N2混合氣體在不同充氣壓力下的允許電場(chǎng)強(qiáng)度[8-11]。根據(jù)鑄件在4bar、100%SF6氣體中的最大場(chǎng)強(qiáng)推算，在30%SF6、70% N2混合氣體中如需獲得與100%SF6氣體同等的絕緣能力，其最低功能壓力需要從4bar提升至5.5bar。

圖3 氣體允許電場(chǎng)強(qiáng)度

通過電場(chǎng)計(jì)算確認(rèn)30%SF6、70%N2混合氣體壓力在5.5bar及以上可以滿足絕緣的需求。在 20℃ 時(shí)額定充氣壓力需考慮兩方面，一方面是產(chǎn)品本身的泄漏，另一方面是SF6密度繼電器自身的誤差[12-15]。在確認(rèn)最低功能壓力后，可計(jì)算20℃下額定的充氣壓力Prm：

=5.839bar≈6bar

式中：Pmm為最低功能壓力，Pmm=5.5bar；l為泄漏率，l=0.1%；n為工作年限，n=25a；0.2bar為密度繼電器精度誤差。

在GIS帶電運(yùn)行狀態(tài)下，主回路電流產(chǎn)生熱量導(dǎo)致殼體溫度升高，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，該溫度的升高不得超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍。由于殼體為可觸及部分，因此最大溫升值為30K。在同等體積下殼體內(nèi)部的壓力會(huì)隨溫度的升高而升高，有：

(1)

式中：P1為常溫壓力，P1=6bar(相對(duì)壓力)，7bar(絕對(duì)壓力)；T1為20℃時(shí)的熱力學(xué)溫度，T1=273+20=293K；T2為溫升狀態(tài)下的熱力學(xué)溫度，T2=273+Tmax=353K；Tmax為最高溫度，Tmax=Tworking+S+?=40℃+10℃+30℃=80℃；Tworking為環(huán)境溫度；S為太陽輻射引起的溫升；?為殼體溫升允許值。

由式(1)推算，P2=P1T2/T1=8.43bar(絕對(duì)壓力)。此處考慮理想氣體狀態(tài)方程與實(shí)際溫升狀態(tài)略有差異，并考慮足夠裕度，取最大功能壓力為8.5bar(絕對(duì)壓力)，設(shè)計(jì)壓力Pd圓整為8bar(相對(duì)壓力)。

在提高殼體的設(shè)計(jì)壓力及開關(guān)設(shè)備的額定充氣壓力后，和壓力相關(guān)的設(shè)備也需要重新進(jìn)行校核，并選擇合適的型號(hào)，因此對(duì)防爆膜的壓力進(jìn)行如下核算[16-17]：

防爆膜最低爆破壓力Pbmin為：

Pbmin=Pd×100%/85%=9.41bar

防爆膜最高爆破壓力Pbmax為：

Pbmax=Pbmin×(1+10%)=10.35bar

防爆膜爆破壓力Pbmid為：

Pbmid=(Pbmin+Pbmax)/2=9.88bar

由此根據(jù)產(chǎn)品的狀態(tài)，確定最低功能壓力為5.5bar，殼體設(shè)計(jì)壓力為8bar，其防爆膜的爆破范圍應(yīng)在9.4～10.4bar范圍內(nèi)。根據(jù)計(jì)算得出的防爆膜壓力范圍，替換原產(chǎn)品使用的防爆膜以滿足混合氣體對(duì)壓力的要求。同時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)壓力Pd核算爆破試驗(yàn)壓力。

鑄件殼體的爆破壓力Pb1為：

Pb1=Pd×3.5÷0.8÷0.875=40bar

鑄造殼體并焊接殼體的爆破壓力Pb2為：

Pb2=Pd×3.5÷0.7=40bar

4 型式試驗(yàn)驗(yàn)證

基于前述計(jì)算分析的結(jié)果，使用30%SF6、70% N2混合氣體，在現(xiàn)有產(chǎn)品無任何更改的前提下，模塊的最低功能壓力從原有的4bar提升至 5.5bar，故可使用30% SF6、70% N2混合氣體替代100% SF6氣體。試驗(yàn)樣機(jī)布置考慮母線結(jié)構(gòu)中涉及的相關(guān)模塊，如波紋管、膨脹節(jié)，以及不同形態(tài)的T型模塊。

雷電沖擊試驗(yàn)的充氣壓力為5.5bar，為母線及相關(guān)模塊的最低功能壓力。混合氣體中SF6含量為28.4%，N2含量為71.6%。試驗(yàn)電壓為 1675kV，雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)結(jié)果見表2。由試驗(yàn)結(jié)果可見，該混合氣體狀態(tài)下可以保證絕緣裕度。同時(shí)，該試驗(yàn)樣機(jī)的操作沖擊、工頻耐壓和局部放電試驗(yàn)也均滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求[18-19]。

表2 雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)結(jié)果

爆破試驗(yàn)結(jié)果見表3，殼體的爆破試驗(yàn)結(jié)果與之前的分析結(jié)果基本相同。絕緣子的設(shè)計(jì)壓力為 8bar，其試驗(yàn)結(jié)果在34～48bar之間，顯示性能非常優(yōu)異。殼體和絕緣子的爆破試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖4所示，比照前述的殼體設(shè)計(jì)壓力計(jì)算和過往試驗(yàn)記錄，確認(rèn)兩者的結(jié)果一致。

表3 爆破試驗(yàn)結(jié)果

圖4 爆破試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

5 結(jié)論

從試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果兩方面來看，30%SF6、70%N2混合氣體在靜態(tài)模塊中可以替代100%SF6氣體應(yīng)用于GIS產(chǎn)品。綜合考量設(shè)計(jì)與成本，在不更改現(xiàn)有設(shè)計(jì)的情況下，合理應(yīng)用混合氣體，在裕度許用范圍內(nèi)提高殼體的設(shè)計(jì)壓力，以改善混合氣體帶來的絕緣性能下降。

在應(yīng)用新的技術(shù)時(shí)，最有效的方法是研究原有技術(shù)和新技術(shù)的差異，從而節(jié)約研發(fā)成本?？紤]功能和成本的要求，應(yīng)綜合考慮殼體設(shè)計(jì)強(qiáng)度和電場(chǎng)強(qiáng)度，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行聯(lián)合分析。

合理的SF6混合氣體比例可以保證GIS的絕緣強(qiáng)度，在靜態(tài)模塊，如通管、T型模塊等中可以達(dá)到預(yù)期的絕緣強(qiáng)度。合理的SF6混合氣體比例應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及零件的表面狀況進(jìn)行評(píng)估。值得注意的是，鑄造零件的應(yīng)用增大了零件質(zhì)量控制的難度，在使用時(shí)應(yīng)關(guān)注鑄造零件的表面質(zhì)量。

合理的SF6混合氣體比例可以在不更改殼體設(shè)計(jì)的同時(shí)滿足提升設(shè)計(jì)壓力的需求。GIS產(chǎn)品兼有100%SF6氣體和30%SF6、70%N2混合氣體作為絕緣介質(zhì)的功能，將有效降低生產(chǎn)廠家的制造成本。

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