GIS用SF6/N2混合氣體母線的研制

張壘 趙艷濤 閆飛越 張路陽

摘 要：SF6氣體憑借優(yōu)異的絕緣及滅弧性能，在GIS中廣泛應(yīng)用。但是，由于其強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)，尋找優(yōu)異的替代氣體顯得日益重要。本文對(duì)GIS母線采用SF6/N2混合氣體時(shí)的絕緣和溫升性能進(jìn)行研究，為SF6/N2混合氣體母線的研制及產(chǎn)品化應(yīng)用提供了理論和實(shí)踐依據(jù)。

關(guān)鍵詞：SF6/N2混合氣體;絕緣性能;溫升性能

中圖分類號(hào)：TM595文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）08-0134-03

Development of GIS Bus Adopting SF6/N2 Gas Mixtures

ZHANG Lei ZHAO Yantao YAN Feiyue ZHANG Luyang

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

Abstract： SF6 is widely used in GIS due to the excellent performance of insulation and arc extinguishing. However， because of the strong greenhouse effect， it is increasingly important to find out the substitution. The capability of insulation and temperature rise of GIS bus adopting SF6/N2 gas mixtures had been studied in this paper，which provided theoretical and practical basis for the development and productized application of bus adopting SF6/N2 gas mixtures.

Keywords： SF6/N2 gas mixtures;insulating property;temperature performance

SF6氣體具有絕緣強(qiáng)度高、自恢復(fù)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高壓開關(guān)領(lǐng)域。但是，SF6氣體是被列入《京都議定書》的溫室效應(yīng)氣體。因此，研究替代SF6的絕緣氣體具有重要的環(huán)保意義。

SF6替代氣體的研究基于兩個(gè)思路。其一，尋找新型絕緣氣體，直接替代SF6作為絕緣介質(zhì)。其二，尋找SF6的混合物作為絕緣介質(zhì)。目前，SF6/N2混合氣體被公認(rèn)是比較好的替代方案，肖登明、邱毓昌等對(duì)SF6/N2的絕緣性能進(jìn)行了研究[1]。但是，針對(duì)GIS產(chǎn)品，利用SF6/N2混合氣體的絕緣和溫升性能，開展的研究和產(chǎn)品設(shè)計(jì)還比較少。

1 SF6/N2混合氣體的絕緣性能

根據(jù)流注放電理論，混合氣體發(fā)生自持放電的條件為：

[oxcrαdx=K]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[α]為SF6/N2混合氣體的有效電離系數(shù);[K]為常數(shù)。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]，在SF6/N2組成的混合氣體中，若SF6的體積分?jǐn)?shù)為[x]，那么SF6/N2混合氣體發(fā)生自持放電條件中的常數(shù)[K]滿足以下條件：

[K=xKSF6+（1-x）KN2]? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[KSF6=10.5];[KN2=5.0]。

式（1）中，混合氣體的有效電離系數(shù)[α]等于構(gòu)成混合氣體的各組分氣體有效電離系數(shù)按分子數(shù)量的加權(quán)平均值，故SF6/N2混合氣體的有效電離系數(shù)為：

[α=xαSF6+1-xα]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

根據(jù)SF6氣體放電理論，其有效電離系數(shù)[αSF6]滿足關(guān)系[3]：

[αSF6P=ksEP-EPcr]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

根據(jù)N2氣體放電理論，其有效電離系數(shù)[αN2]滿足關(guān)系[4]：

[αN2][P=Ae-BPE]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

由式（1）至式（5）可得，混合氣體的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)[Ecr，mix]隨其中SF6氣體的體積分?jǐn)?shù)[x]以及混合氣體的總氣壓[p]的變化關(guān)系，進(jìn)而可以得到：混合氣體的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)[Emixcr]與相同氣壓純SF6氣體的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)[ESF6cr]之比[E0cr]隨SF6體積分?jǐn)?shù)[x]的變化關(guān)系，繪制出曲線Ⅰ，如圖1所示。

[E0cr=EmixcrESF6cr]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

在進(jìn)行混合氣體母線設(shè)計(jì)時(shí)，可以參照現(xiàn)有的純SF6母線規(guī)格參數(shù)和絕緣能力，確定混合氣體母線的氣體成分和氣壓，因此，需要確定達(dá)到相同的絕緣強(qiáng)度需要的混合氣體壓力[pmix]與純SF6氣體壓力[pSF6]的比例關(guān)系，即

[p0=pmixpSF6]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

由式（4）、式（5）和式（7）可知，[p0]與[E0cr]之間的關(guān)系為：

[p0=1E0cr]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

這樣可以得到相同絕緣能力下混合氣體壓力與純SF6氣體壓力之比[p0]隨混合氣體中SF6的體積分?jǐn)?shù)[x]的變化曲線Ⅱ，如圖1所示。

混合氣體中SF6的使用量[qmix]與等絕緣強(qiáng)度下純SF6的氣體使用量[qSF6]之比[q0]滿足以下關(guān)系：

[q0=xp0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

這樣可以得到相同絕緣能力下混合氣體中SF6的使用量與純SF6的氣體使用量之比[p0]隨混合氣體中SF6的體積分?jǐn)?shù)[x]的變化曲線Ⅲ，如圖1所示。

由圖1可知，SF6體積比為30%時(shí)，混合氣體的絕緣能力已經(jīng)達(dá)到等壓力純SF6的80%左右。要達(dá)到與純SF6同樣的絕緣強(qiáng)度，混合氣體母線氣壓提升為純SF6母線的1.33倍。

2 SF6/N2混合氣體的溫升性能

GIS設(shè)備對(duì)外散熱共有3種形式，分別為熱傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射.工程上，常把三種散熱因素合并考慮，并用牛頓公式表達(dá)為;

[ps=KTAτ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （10）

式中，[ps]為總散熱功率;[A]為有效散熱面積;[τ]為發(fā)熱體溫升;[KT]為綜合散熱系數(shù)。

由熱平衡原理（發(fā)熱=散熱+溫升）可知：

[Pdt=KTAτdt+cmdτ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（11）

式中，[P]為設(shè)備總發(fā)熱功率;[c]為設(shè)備發(fā)熱體比熱;[m]為設(shè)備發(fā)熱體質(zhì)量;[dt]為時(shí)間間隔;[dτ]為溫升變化量。

當(dāng)設(shè)備達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，發(fā)熱量和散熱量相等，設(shè)備的溫升不變，此時(shí)，式（11）可以退化為：

[Pdt=KTAτdt]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （12）

由此可知，采用混合氣體絕緣和采用純SF6絕緣的GIS母線達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)的發(fā)熱量相等，殼體和大氣之間的散熱系數(shù)相等，系統(tǒng)的散熱面積相等，因此，采用混合氣體替代純SF6前后，殼體的溫升不變。同樣，高壓側(cè)部件的溫升與絕緣氣體的散熱系數(shù)成反比，即

[T2，mix-T1T2，SF6-T1=KT，SF6KT，mix=[K0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?]（13）

式中，[T1]為殼體溫升值;[T2，mix]為混合氣體母線高壓側(cè)溫升值;[T2，SF6]為純SF6母線高壓側(cè)溫升值;[KT，mix]為混合氣體母線高壓側(cè)綜合散熱系數(shù);[KT，SF6]為純SF6母線高壓側(cè)綜合散熱系數(shù);[K0]為換算系數(shù)。

GIS母線高壓側(cè)到低壓側(cè)的熱量傳遞因素中，對(duì)流傳熱起主導(dǎo)作用，對(duì)流傳熱速率與絕緣氣體的性質(zhì)密切相關(guān)，工程中，用此對(duì)流傳熱系數(shù)近似表征高壓側(cè)的綜合散熱能力。由文獻(xiàn)[5]可知，SF6/N2混合氣體與純SF6的對(duì)流傳熱系數(shù)滿足以下關(guān)系：

[KT，mixKT，SF6=x+1.572.57pmixpSF60.6=1K0]? ? ? ? ? ? ? ? ?（14）

式中，[pmix]為混合氣體母線氣體絕對(duì)壓力;[pSF6]為純SF6母線氣體絕對(duì)壓力。

綜合式（13）和式（14），混合氣體母線與純SF6母線壓力比一定時(shí)，高壓側(cè)溫升值滿足以下條件：

[T2，mix=K0TT2，SF6-K0-1T1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（15）

式中，

[K0=2.57x+1.57pSF6pmix0.6]。

在采用純SF6絕緣的GIS母線溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，可以得到SF6/N2混合氣體絕緣母線高壓側(cè)的溫升值。這是SF6/N2混合氣體母線溫升的簡(jiǎn)易設(shè)計(jì)方法，在工程上非常實(shí)用。

3 SF6/N2混合氣體母線的試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)樣機(jī)簡(jiǎn)介

以平芝公司550 kV母線結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，按照上述設(shè)計(jì)方法對(duì)SF6/N2混合氣體母線進(jìn)行開發(fā)，SF6/N2混合氣體體積比為3∶7。

3.2 絕緣試驗(yàn)

絕緣試驗(yàn)姿態(tài)如圖2所示，按照標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行雷電沖擊、操作沖擊和工頻試驗(yàn)，順利通過。

3.3 溫升試驗(yàn)

溫升試驗(yàn)姿態(tài)如圖3所示，通流1.1×6 300 A，試驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)和采用純SF6試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。結(jié)果表明，試驗(yàn)值與計(jì)算值誤差在2 K以內(nèi)，溫升設(shè)計(jì)方法可以滿足工程需求。

4 結(jié)論

本文對(duì)SF6/N2混合氣體的絕緣特性和溫升性能進(jìn)行了研究，得到了等絕緣強(qiáng)度下SF6/N2混合氣體與純SF6氣體氣壓之間的關(guān)系，得到了SF6/N2混合氣體母線的溫升設(shè)計(jì)方法。通過對(duì)以上研究結(jié)果的應(yīng)用，開發(fā)出SF6/N2混合氣體母線，試驗(yàn)驗(yàn)證了SF6/N2混合氣體母線絕緣和溫升設(shè)計(jì)方法的正確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]肖登明，邱毓昌.SF6/N2和SF6/CO2的絕緣特性及其比較[J].高電壓技術(shù)，1995（1）：16-18.

[2]阮全榮，謝小平.氣體絕緣金屬封閉輸電線路工程設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2011.

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[4]Baumgartner R G.Dielectric characteristics of mixtures of sulfurhexafluoride（SF6）and Nitrogen[C]//3rd International Conference on Gas Discharges.1974.

[5]W Boeck，T R Blackburn，A H Cookson，et al.N2/SF6 Mixtures for Gas Insulated Systems[Z].2004.