直流電壓作用下極不均勻電場中SF6/N2混合氣體局部放電起始特性研究

龐培川,孫澤明,張芊,侯志強(qiáng),張軒瑞,孫善源,李軍浩

(西安交通大學(xué)電氣工程工程學(xué)院,710049,西安)

直流氣體絕緣輸電線路(GIL)作為一種新型的輸電方式,雖然國內(nèi)還未商用,但隨著特高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展,相關(guān)的研究越來越多[1]。作為此類電氣設(shè)備的主要絕緣介質(zhì)SF6于1947年已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用[2]。SF6氣體對(duì)電場均勻程度比較敏感,電場不均勻程度的增加會(huì)使SF6氣體的絕緣性能大幅度降低[3],而且SF6氣體價(jià)格昂貴,是一種溫室氣體,對(duì)環(huán)境不友好[4],另外SF6氣體及其分解物對(duì)人體的危害和對(duì)設(shè)備的影響也不可忽視[5]。因此,尋求SF6替代氣體成為行業(yè)研究熱點(diǎn)。

SF6替代氣體主要分成3種類型[6]:常規(guī)氣體中有干燥空氣[7],CO2和N2[8]的研究比較多;混合氣體中主要有SF6/N2[9]、SF6/He[10]、SF6/CO2[11];新型電負(fù)性氣體主要研究CF3I、C3F8、C2F6及其混合氣體[12]。常規(guī)氣體物化性質(zhì)穩(wěn)定,價(jià)格便宜,但是吸附電子能力遠(yuǎn)小于SF6氣體,僅用單一常規(guī)氣體作為絕緣介質(zhì)絕緣性能欠佳。新型電負(fù)性氣體雖然溫室效應(yīng)低且具備較好的絕緣性能,但是價(jià)格昂貴,液化溫度相對(duì)較高,且CF3I被歐盟列為第三類致癌物質(zhì),工程應(yīng)用需進(jìn)一步研究考量。SF6混合氣體作為絕緣介質(zhì)的電力設(shè)備在工程中得以運(yùn)用,其中最具工程應(yīng)用前景的是SF6/N2混合氣體,德國西門子公司研發(fā)的世界上第一條SF6/N2混合氣體GIL已于2001年在瑞士日內(nèi)瓦國際機(jī)場投入運(yùn)行[13],目前SF6/N2混合氣體GIL已成功應(yīng)用在245～550 kV線路中。因此,將SF6/N2混合氣體作為一種可能替代SF6氣體的絕緣氣體,近年來受到廣泛關(guān)注。

直流GIL高壓導(dǎo)體和接地外殼之間是稍不均勻電場,但是在安裝過程中,難免引入金屬尖端等缺陷,導(dǎo)致局部電場集中,絕緣劣化。局部放電既是引起絕緣劣化的主要原因,又是絕緣劣化的重要征兆[14]。目前,直流下極不均勻電場氣體局部放電的研究多針對(duì)純SF6氣體,唐炬研究了極不均勻電場中直流局部放電量與SF6氣體分解的關(guān)聯(lián)性,表明SF6分解氣體的產(chǎn)氣均方速率與體積分?jǐn)?shù)可作為判定直流局部放電的組分特征量[15]。Roland研究了針板電極中直流局部放電特性[16],而SF6/N2混合氣體的絕緣特性研究多關(guān)注稍不均勻電場的擊穿特性。李旭東等的研究表明,在均勻電場中氣壓在0.25 MPa以下時(shí),適當(dāng)增加SF6混合氣體的壓強(qiáng)可以達(dá)到純SF6相同的絕緣強(qiáng)度[17]。成毅等的研究表明,SF6與N2的協(xié)調(diào)效應(yīng)可顯著提高SF6/N2混合氣體的擊穿特性[18]。

本文針對(duì)直流電壓下SF6/N2在極不均勻電場中的局部放電特性展開研究,為SF6/N2混合氣體絕緣直流GIL的建設(shè)提供試驗(yàn)參考。文中提及的氣體絕緣特性、絕緣強(qiáng)度僅考慮局部放電的起始特性。

1 試驗(yàn)平臺(tái)與方法

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

利用半波整流電路搭建直流高壓系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái),如圖1所示,AC是380 V交流電源,T1是調(diào)壓器,T2是200 kV/(100 MV·A)無局部放電試驗(yàn)變壓器,P1(600 kV/0.5 A)是高壓硅堆,C2是90 nF濾波電容,交流電壓經(jīng)過濾波整流成直流電壓,紋波系數(shù)為0.9%,符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[19]。Rz是阻值為1 MΩ的水電阻,它在樣品突然被擊穿時(shí),起限流保護(hù)作用,同時(shí)也有助于抑制來自電源側(cè)的干擾[20]。F是分壓比為1 000∶1的阻容分壓器,萬用表可實(shí)時(shí)讀取高壓端電壓值。阻容分壓器一方面起電壓測量的作用,另一方面相當(dāng)于一耦合電容。CX為缺陷模型,電極安裝在密封氣室里面,密封氣室由有機(jī)玻璃筒和鋁制法蘭組成,R為50 Ω無感電阻,用于檢測局部放電信號(hào)。示波器采用力科9404,帶寬為4 GHz,最高采樣率為4×1010s-1,利用此示波器順序功能可以長時(shí)間且高采樣率檢測局部放電信號(hào)。利用校準(zhǔn)脈沖發(fā)生器對(duì)測量系統(tǒng)背景噪聲進(jìn)行標(biāo)定,背景噪聲小于5 pC,滿足測量要求。

圖1 直流高壓系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)示意圖

為了模擬金屬尖端缺陷對(duì)電場造成的畸變,文中搭建高壓試驗(yàn)常用的小模型,如圖2所示,利用鋁塊、有機(jī)玻璃、尼龍棒、O形線圈、螺母和充氣閥門構(gòu)造封閉氣室,耐壓可達(dá)0.6 MPa。由于鎢銅耐高溫、耐燒蝕、耐磨損等特性,試驗(yàn)選用鎢銅作為尖端電極,試驗(yàn)后測量尖端曲率半徑無明顯變化,尖端用800、1 200、2 500和7 000目砂紙依次打磨光滑,盡量避免電極表面粗糙引起的測量誤差。將鎢銅尖端電極安裝在氣室內(nèi),尖電極與地電極距離調(diào)為6 mm,利用1 000倍電子顯微鏡測量尖曲率半徑r分別為20、50、100、120和160 μm,模擬不同電場均勻度的情形。電場均勻度用不均勻系數(shù)f表示,為最大場強(qiáng)Emax和平均場強(qiáng)Emean的比值,f=Emax/Emean。利用Comsol有限元仿真得到5種尖端的不均勻系數(shù)(f>4為極不均勻場;1

表1 不同尖端曲率半徑的電場不均勻系數(shù)

圖2 尖端缺陷模型示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

SF6和N2被認(rèn)為是理想氣體,二者混合不發(fā)生化學(xué)變化,根據(jù)道爾頓分壓定律,SF6氣體含量調(diào)配通過控制混合氣體中SF6氣體的壓強(qiáng)達(dá)到,即

(1)

式中:nA、nB分別為兩種氣體的摩爾數(shù);PA、PB分別為兩種氣體的氣壓。定義混合氣體中SF6的體積分?jǐn)?shù)為

φ(SF6)=PSF6/(PSF6+PN2)

(2)

式中:PSF6為容器中SF6的氣壓;PN2為容器中N2的氣壓。采用氣體充氣裝置對(duì)SF6和N2進(jìn)行混合,由于SF6密度大于N2,而且充氣口位于試品罐子的底部,因此先充SF6然后再充N2,達(dá)到配比要求后,靜置24 h使其充分混合后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。對(duì)于純SF6和純N2,充氣后靜置30 min。

文中以500 V/s(±20%)[21]穩(wěn)定速率緩慢加壓直至出現(xiàn)局部放電,參考美國標(biāo)準(zhǔn)[22],當(dāng)在1 min內(nèi)至少出現(xiàn)1次放電時(shí),確定此時(shí)的外施電壓為起始放電電壓U0。在起始電壓下,采集10～50個(gè)放電脈沖,取算數(shù)平均值為起始放電量;然后降壓至0,等待10 min,待絕緣恢復(fù)后再次加壓測量起始放電電壓U0,測量5次,取平均值以減少測量誤差。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 SF6體積分?jǐn)?shù)對(duì)U0的影響

5種曲率半徑的尖端在0.3 MPa氣壓下φ(SF6)對(duì)U0的影響如表2和圖3所示,φ(SF6)分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%和100%,其中0%表示純N2,100%表示純SF6。

當(dāng)N2中加入SF6后,混合氣體的U0高于純N2。曲率半徑為20、50、100和120 μm的尖端在純N2中的U0分別為5.8、6.6、8.7、9.2 kV,當(dāng)分別加入10%的SF6,U0分別提高了37.9%、42.4%、20.7%和17.4%,說明加入SF6氣體可在一定程度上提高絕緣氣體的耐電強(qiáng)度。U0提高的程度與r有關(guān);當(dāng)r小于50 μm時(shí),U0提高的程度隨著r增加而增加;當(dāng)r大于100 μm時(shí),U0提高程度隨r增加而減小。

表2 不同r下φ(SF6)與U0的關(guān)系

引入氣體相對(duì)絕緣強(qiáng)度參數(shù)k

k=U0,mix/U0,SF6

(3)

式(3)表示混合氣體初始放電電壓U0,mix與純SF6氣體初始放電電壓U0,SF6的比值,即混合氣體相對(duì)于純SF6氣體的絕緣性能,k越大表示絕緣性能越好。k<1表示混合氣體絕緣性能低于純SF6氣體,k>1表示絕緣性能高于純SF6氣體。

由表2和圖3可知:對(duì)于r為100 μm的尖端,φ(SF6)-k關(guān)系具有單峰形狀;當(dāng)φ(SF6)在0%～50%范圍內(nèi)時(shí),隨著φ(SF6)的增加,U0增加;當(dāng)φ(SF6)為30%、40%、50%和100%時(shí),U0分別為12.1、13.6、15.2和13.1 kV。由上可知,當(dāng)φ(SF6)>40%時(shí),k>1,即混合氣體絕緣強(qiáng)度高于純SF6;當(dāng)φ(SF6)<30%時(shí),k<1,即混合氣體的絕緣強(qiáng)度小于純SF6氣體;當(dāng)φ(SF6)=30%時(shí),混合氣體U0已經(jīng)達(dá)到純SF6氣體的92.4%。r為120 μm的尖端也具有類似變化關(guān)系,φ(SF6)-k具有單峰形狀。

圖3 尖端在不同曲率半徑下φ(SF6)與k的關(guān)系

對(duì)于r為20 μm的尖端,φ(SF6)-k關(guān)系為雙峰形狀。當(dāng)φ(SF6)為20%、40%和50%時(shí),k>1,即混合氣體的絕緣強(qiáng)度高于純SF6;當(dāng)φ(SF6)為10%和30%時(shí),k<1,即混合氣體的絕緣強(qiáng)度小于純SF6;當(dāng)φ(SF6)為10%時(shí),混合氣體的U0已達(dá)純SF6氣體U0的95.3%。r為50 μm的尖端具有和r為20 μm的尖端類似的現(xiàn)象,φ(SF6)-k關(guān)系為雙峰形狀。對(duì)于r為160 μm的尖端,當(dāng)φ(SF6)為10%～50%時(shí),混合氣體的U0小于純SF6氣體的U0。其中當(dāng)φ(SF6)為50%時(shí),混合氣體U0已達(dá)純SF6氣體的97%。

在極不均勻電場中,相同總氣壓的SF6/N2混合氣體的U0有可能高于純SF6氣體的U0,從而使混合氣體的絕緣強(qiáng)度在一定程度上高于純SF6氣體。電場不均勻程度越高,混合氣體的絕緣強(qiáng)度高于純SF6氣體絕緣強(qiáng)度所需的SF6比例越低。

2.2 電壓極性對(duì)SF6/N2混合氣體U0的影響

在正負(fù)極性電壓下,r為20、50 μm的尖端在0.3 MPa SF6/N2混合氣體中U0隨φ(SF6)的關(guān)系見表3,k與φ(SF6)的關(guān)系見圖4。r為20、50 μm的尖端在正負(fù)極性電壓下的φ(SF6)與k的關(guān)系為雙峰形狀,當(dāng)φ(SF6)為30%時(shí),k<1。在負(fù)極性電壓下,r為20、50 μm的尖端滿足k>1的φ(SF6)為20%、40%、50%和70%;正極性電壓下,r為20、50 μm的尖端滿足k>1的φ(SF6)為40%、50%和70%;但是,當(dāng)φ(SF6)為20%時(shí),20 μm的尖端k=100%,50 μm的尖端k=99.1%,已基本達(dá)到純SF6氣體的絕緣強(qiáng)度。

圖4 電壓極性對(duì)混合氣體k的影響

φ(SF6)/%U0/kVr=20 μm負(fù)極性正極性r=50 μm負(fù)極性正極性05.87.16.58.5108.09.59.410.8209.810.1510.111.5308.18.839.210.94010.411.0011.012.15011.212.211.812.67012.212.9312.713.21008.510.149.511.6

2.3 氣壓對(duì)SF6/N2混合氣體U0的影響

(a)負(fù)極性

(b)正極性圖5 混合氣體U0與氣壓的關(guān)系

當(dāng)r為20 μm、φ(SF6)為20%時(shí),U0隨氣壓變化趨勢如圖5所示。從中可見,SF6/N2混合氣體和純SF6氣體中,隨著氣壓的增加,U0呈上升趨勢,但是純SF6氣體中U0與氣壓的斜率隨氣壓增加而增加。這說明純SF6氣體對(duì)氣壓敏感,而混合氣體中隨著氣壓增加,U0呈現(xiàn)飽和趨勢,證明了加入N2后降低了混合氣體對(duì)氣壓的敏感程度。

正負(fù)極性下的混合氣體與純SF6氣體的k如表4所示。在0.1～0.3 MPa范圍內(nèi),混合氣體的絕緣強(qiáng)度高于純SF6氣體,且負(fù)極性電壓下的k均在115%左右,正極性電壓下的k保持在105%～110%之間,說明0.1～0.3 MPa時(shí)混合氣體對(duì)負(fù)極性電壓敏感程度高于正極性電壓。當(dāng)氣壓為4 MPa時(shí),混合氣體絕緣強(qiáng)度低于純SF6氣體,且正極性電壓下k為94.9%,負(fù)極性電壓下k為94.5%,說明0.4 MPa下混合氣體對(duì)電壓極性敏感程度一致。

表4 r為20 μm的尖端氣壓與k的關(guān)系

3 分析與討論

3.1 SF6體積分?jǐn)?shù)對(duì)U0影響的分析

(4)

式中:C為常數(shù)(隨氣體類型發(fā)生變化);E(x)為間隙內(nèi)電場強(qiáng)度;(E/P)0為混合氣體理論耐電強(qiáng)度(歸算到單位氣壓)。

電負(fù)性氣體自持放電的流注判據(jù)為

(5)

對(duì)于電負(fù)性氣體,在α-η=0附近可寫成

(6)

對(duì)于SF6,(E/P)0=88.5 kV/(mm·MPa),C=27.7 kV,有

(7)

由式(7)可見,在極不均勻電場中,電極表面的臨界擊穿場強(qiáng)不僅取決于(E/P)0,還與氣體的C值有關(guān)。對(duì)于混合氣體,不同φ(SF6)時(shí)(E/P)0與K/C也不一樣(均假定K不隨φ(SF6)變化)。如圖6所示,K/C隨著φ(SF6)增加而減小,(E/P)0隨φ(SF6)增加而增加[23-24]。

因此,雖然在SF6中加入N2使得(E/P)0降低,但是K/C比純SF6氣體要高,從而導(dǎo)致在極不均勻電場中,SF6/N2混合氣體的U0高于純SF6氣體。不同曲率半徑的尖端,需要在N2中加入不同濃度的SF6,才能使混合氣體的U0高于純SF6氣體,這是由于在不同SF6/N2配比和電場畸變下,臨界電子崩長度不一樣所致。根據(jù)電場不均勻系數(shù)將電場畸變分為特別嚴(yán)重(30.92≤f≤47.72)、一般嚴(yán)重(20.24≤f≤22.32)和輕微嚴(yán)重(f≤17.59)3個(gè)等級(jí)。當(dāng)氣壓為0.3 MPa時(shí),從經(jīng)濟(jì)和安全兩方面考慮,電場畸變特別嚴(yán)重時(shí)φ(SF6)取20%為宜;電場畸變一般嚴(yán)重時(shí)φ(SF6)取40%為宜;電場畸變輕微嚴(yán)重時(shí)φ(SF6)應(yīng)不低于50%。

圖6 φ(SF6)與(E/P)0、K/C的關(guān)系

3.2 電壓極性對(duì)SF6/N2混合氣體U0的影響

正極性電壓下,r為20、50 μm的尖端k隨φ(SF6)變化趨勢與負(fù)極性電壓一致,且均當(dāng)φ(SF6)為20%、40%、50%和70%時(shí),k≥1,區(qū)別在于同一φ(SF6)時(shí),負(fù)極性的k大于正極性的k。但從電壓絕對(duì)值角度考慮,正極性的U0始終高于負(fù)極性的U0,原因在于空間電荷對(duì)電場畸變的作用。

當(dāng)尖端為負(fù)極性時(shí),電子在電場力作用下向正極板運(yùn)動(dòng),在尖端附近區(qū)域聚集大量正電荷,導(dǎo)致尖端附近場強(qiáng)增加。當(dāng)尖端為正極性時(shí),尖端附近發(fā)生電子崩,電子流入尖電極,正電荷在電場力作用下向負(fù)極板運(yùn)動(dòng)。但是,正電荷質(zhì)量大,遷移速率較低,所以尖端附近聚集大量正電荷,導(dǎo)致正極性尖端附近電場被削弱,從而需要更高的電壓才能發(fā)生局部放電,因此正極性U0高于負(fù)極性U0。

在純SF6氣體中,r為20 μm的尖端正極性U0比負(fù)極性高1.64 kV,r為50 μm的尖端正極性U0比負(fù)極性高2.1 kV?；旌蠚怏w中,正負(fù)極性U0差距較小,當(dāng)φ(SF6)為50%時(shí),r為20 μm的尖端正極性U0比負(fù)極性高1 kV,r為50 μm的尖端正極性U0比負(fù)極性高0.8 kV,即混合氣體中正負(fù)極性U0差值要小于純SF6氣體中的差值,從而導(dǎo)致負(fù)極性電壓下k大于正極性電壓的k。這說明在混合氣體中,空間電荷的影響作用要小于純SF6氣體,同時(shí)說明負(fù)極性電壓下SF6中加入N2對(duì)氣體絕緣強(qiáng)度的影響高于正極性電壓。

3.3 氣壓對(duì)SF6/N2混合氣體U0的影響

在氣體放電起始過程中,主要有兩種因素影響放電特性,其一是電子平均自由程,其二是分子數(shù)目。在氣壓較低時(shí),分子密度較小,電子平均自由程大,電子獲得動(dòng)能碰撞分子導(dǎo)致電離的概率大,但是由于分子數(shù)目小,從而導(dǎo)致碰撞分子的概率低,分子電離概率低。在氣壓較高時(shí),電子平均自由程較低,電子獲得動(dòng)能小碰撞電離概率低,但是分子數(shù)目多,從而使碰撞電離的概率增大。氣體放電過程就是這兩種因素相互影響相互制約的過程。純SF6氣體中,隨著氣壓增加,U0隨氣壓增加的速率上升,說明隨著氣壓增加,電子平均自由程較低導(dǎo)致放電概率減小的趨勢占據(jù)主導(dǎo)優(yōu)勢。在SF6/N2混合氣體中,隨著氣壓增加,U0隨氣壓增加的速率下降,說明隨著氣壓增加,混合氣體中分子數(shù)目增加導(dǎo)致碰撞電離概率增加的趨勢占據(jù)主導(dǎo)地位。其次SF6氣體是強(qiáng)電負(fù)性氣體,分子具有強(qiáng)吸附電子的能力,N2是中性氣體,分子不具備吸附電子的能力,且SF6氣體分子電離能高于N2,所以在混合氣體中,電子碰撞N2分子電離的概率要大于SF6分子。因此,純SF6氣體中,U0隨氣壓增加的速率上升,純N2中U0隨氣壓增加的速率下降。所以,對(duì)于r為20 μm的尖端,當(dāng)φ(SF6)為20%時(shí),在0.1～0.3 MPa氣壓范圍內(nèi),SF6/N2混合氣體U0高于純SF6氣體;當(dāng)氣壓為0.4 MPa時(shí),SF6/N2混合氣體的U0為純SF6氣體的95%。

4 結(jié) 論

(1)在電場畸變嚴(yán)重的情況下,氣壓為0.3 MPa時(shí),SF6/N2混合氣體的U0高于純SF6氣體,且電場畸變越嚴(yán)重,使SF6/N2混合氣體U0高于純SF6氣體所需的SF6濃度越低,且r為20 μm和50 μm的尖端k隨φ(SF6)變化趨勢一致,呈現(xiàn)雙峰形狀,r為100、120和160 μm的尖端k隨φ(SF6)變化呈現(xiàn)單峰形狀。

(2)對(duì)于r為20 μm和50 μm的尖端,氣壓為0.3 MPa時(shí),負(fù)極性電壓下k高于正極性電壓,說明負(fù)極性電壓下SF6中加入N2對(duì)氣體絕緣強(qiáng)度的影響高于正極性電壓。

(3)r為20 μm的尖端在φ(SF6)為20%時(shí),正極性和負(fù)極性電壓下,0.1～0.3 MPa氣壓范圍內(nèi)SF6/N2混合氣體U0均高于純SF6氣體;氣壓在0.4 MPa時(shí),SF6/N2混合氣體U0為純SF6氣體的95%,已基本達(dá)到純SF6氣體的絕緣強(qiáng)度。