低溫條件下SF6混合氣體的絕緣特性及配比優(yōu)化技術(shù)

李國強

(國網(wǎng)黑龍江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，哈爾濱 150030 )

0 引 言

SF6氣體因具有良好的絕緣和滅弧特性而在氣體絕緣設(shè)備中得到廣泛使用[1-4]，但是，SF6氣體是一種嚴重導(dǎo)致溫室效應(yīng)的氣體，其全球變暖潛能指數(shù)是二氧化碳的24 000倍，被列入受限排放的6種溫室效應(yīng)氣體之一。相比之下，其他絕緣氣體的全球變暖潛能系數(shù)則較低，如CF4是6 500，而N2是0。同時，SF6氣體液化溫度較低，難以滿足電力設(shè)備在低溫寒冷地區(qū)的運行要求，容易引發(fā)故障[5-6]。為了改善SF6氣體絕緣設(shè)備的不足，對SF6混合氣體絕緣特性的研究一直是人們關(guān)注的熱點[7]。

對SF6混合氣體方面的研究主要是針對SF6與CO2、N2、CF4等惰性氣體的混合，旨在通過混入這些氣體以減少SF6氣體的使用量，同時通過混入更低液化溫度的氣體以降低混合絕緣氣體的液化溫度[8-11]。目前，國內(nèi)外研究及工程應(yīng)用的混合氣體主要有以下兩種：SF6和N2混合、SF6和CF4混合。其中，對于SF6和N2混合氣體的研究已經(jīng)有了一定的成果并得到了初步的實際應(yīng)用[12-14]。

盡管對于SF6+N2混合氣體絕緣性能的研究已有較多報道，但現(xiàn)有研究對象主要是充氣壓強為0.1～0.4 MPa、混合比例為50%～100%的混合氣體，目前仍缺乏以下幾個方面的研究：1)低溫下混合氣體工作特性的研究及不同溫度下的特性對比；2)高壓強低比例SF6混合氣體絕緣特性的試驗研究；3)最優(yōu)混合比例的研究。

基于試驗手段，從以下幾個方面開展研究：1)研究低溫下SF6+N2混合氣體絕緣性能，并進行不同溫度下的對比研究，通過試驗研究為混合氣體在低溫下的應(yīng)用提供參考；2)進行0.4～0.7 MPa、SF6占比為10%～40%的絕緣性能試驗，研究氣體壓強、SF6比例、電壓類型和極性等因素對絕緣性能的影響；3)進行最優(yōu)混合比例研究，得到最優(yōu)的應(yīng)用比例及對應(yīng)的充氣壓強。

1 試驗平臺

為了研究混合氣體在不同工況下的放電特性，搭建了工頻電壓和雷電沖擊電壓試驗平臺，工頻電壓下氣體放電特性試驗電路圖如圖1所示。試驗變壓器型號為YDTCW-3×500 kV/1 500 kVA，保護電阻阻值為1 MΩ，電容分壓器額定電壓為1 500 kV，分壓比為998∶1。在進行擊穿試驗時需要將局部放電檢測儀取下，防止擊穿瞬間由于放電過于強烈而損壞局放儀。

1.調(diào)壓器；2.隔離變壓器；3.無暈試驗變壓器；4.保護電阻；5.電容分壓器；6.電壓測量儀或局部放電檢測儀；7.溫度和壓力傳感器。

雷電沖擊擊穿試驗電路圖如圖2(a)所示。沖擊電壓發(fā)生器標(biāo)稱電壓3 600 kV，標(biāo)稱能量360 kJ，共18級，級電容1 μF，級電壓200 kV，采用雙邊充電方式，用電容分壓器測量沖擊電壓，可在控制室的電腦上顯示沖擊電壓波形。預(yù)估本試驗可能達到的最大50%擊穿電壓U50%低于500 kV，故將原有發(fā)生器改為7級，便于球隙自動觸發(fā)。在進行雷電沖擊試驗之前，需保證沖擊電壓波形符合國標(biāo)規(guī)定，即波前時間T1為1.2 μs±30%，半峰值時間T2為50 μs±20%。通過調(diào)整波頭電阻為70 Ω、波尾電阻為70 Ω/3 300 Ω，可使波形滿足標(biāo)準雷電波要求，如圖2(b)所示，此時波前時間為0.95 μs，半峰值時間為48.20 μs，滿足試驗要求。

圖2 雷電沖擊擊穿試驗電路和沖擊電壓波形

2 試驗結(jié)果分析

2.1 溫度對混合氣體絕緣性能的影響

在球-板電極和棒-板電極下分別研究了SF6+N2混合氣體的工頻擊穿電壓與溫度的關(guān)系，球-板電極與棒-板電極下的試驗結(jié)果分別如圖3和圖4所示。圖中，r表示混合氣體中SF6氣體的體積占比值，p表示0 ℃下氣體充氣壓強的絕對值。從圖3、圖4中可以看出，對于圖示壓強和混合比例的SF6+N2混合氣體，在混合氣體不發(fā)生液化的溫度條件下，球-板電極和棒-板電極下的混合氣體工頻擊穿電壓隨溫度的改變而變化較小，說明在此條件下溫度對工頻擊穿電壓的影響較小。對比不同SF6含量的氣體工頻擊穿特性可以看出，0.4 MPa純SF6氣體在在-35 ℃以下發(fā)生液化失去氣體絕緣性能。相比之下，SF6+N2混合氣體的耐低溫特性更理想，在-50 ℃下仍然保持良好的絕緣特性。以上結(jié)果與碰撞電離學(xué)相吻合，混合氣體不發(fā)生液化的情況下，固定體積中的氣體分子數(shù)密度不隨溫度改變，氣體分子在相同電場下碰撞的幾率近乎相同，即具有近乎相等的擊穿場強。

圖4 棒-板電極下SF6+N2混合氣體工頻擊穿電壓與溫度的關(guān)系

圖3 球-板電極下SF6+N2混合氣體工頻擊穿電壓與溫度的關(guān)系

根據(jù)以上結(jié)果可以獲得低溫地區(qū)混合氣體的使用技術(shù)，在確定混合氣體絕緣設(shè)備的充氣壓強時，需要以設(shè)備充氣密度與常溫下相同為主要依據(jù)，在保證混合氣體不發(fā)生液化情況下，可不必考慮溫度變化對絕緣性能的影響。

利用雷電沖擊擊穿試驗平臺，試驗研究了SF6+N2混合氣體的U50%沖擊擊穿電壓與溫度的關(guān)系，根據(jù)工頻試驗結(jié)果已發(fā)現(xiàn)的溫度、混合比例和充氣壓強的影響規(guī)律，區(qū)別于已有的雷電沖擊研究，選擇0.7 MPa含30% SF6的混合氣體、0.4 MPa純SF6氣體進行不同溫度下的雷電沖擊擊穿試驗，結(jié)果如圖5和圖6所示。從圖5、圖6可以看出，對于不同SF6含量的混合氣體，在混合氣體密度一定時，氣體在球-板電極和棒-板電極中的雷電沖擊擊穿電壓受環(huán)境溫度因素影響較小，試驗結(jié)論與工頻情況下相同，原理也可由碰撞電離學(xué)解釋，即當(dāng)混合氣體分子數(shù)密度不變時，其絕緣性能受溫度因素影響較小。從圖5和圖6中也可以看出，球-板電極下SF6+N2混合氣體的正極性(正板-負球)50%擊穿電壓低于負極性(負板-正球)50%擊穿電壓，而棒-板電極下的情況則相反。

圖5 球-板電極下SF6+N2混合氣體U50%雷電沖擊擊穿電壓與溫度的關(guān)系

圖6 棒-板電極下SF6+N2混合氣體U50%雷電沖擊擊穿電壓與溫度的關(guān)系

2.2 充氣壓強和混合比例對混合氣體絕緣性能的影響

在球-板電極和棒-板電極下研究了SF6+N2混合氣體的工頻擊穿電壓與充氣壓強和混合比例的關(guān)系，不同充氣壓強與混合比例下的試驗結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知，在0.4 ～0.7 MPa壓強范圍內(nèi)，隨著氣壓的增大，兩種電極下的SF6+N2混合氣體的擊穿電壓近似以線性關(guān)系增長，當(dāng)氣壓增加到0.6～0.7 MPa時，棒-板電極下的部分混合比例氣體的工頻擊穿電壓增速變緩。由圖7和圖8可知，當(dāng)純N2中混入SF6氣體后，其擊穿電壓相對于純N2可以實現(xiàn)較大幅度的增加，隨著SF6體積分數(shù)的增加，擊穿電壓幅值逐漸增大，當(dāng)SF6體積分數(shù)從0增長到0.4時，SF6+N2混合氣體的擊穿電壓呈現(xiàn)非線性增加且增速漸緩。

圖7 球-板電極SF6+N2混合氣體工頻擊穿電壓與充氣壓強的關(guān)系

圖8 棒-板電極SF6+N2混合氣體工頻擊穿電壓與充氣壓強的關(guān)系

2.3 混合氣體配比優(yōu)化技術(shù)

為了從絕緣性能角度找出最可能代替純SF6氣體的SF6+N2混合氣體，以0.5 MPa純SF6為參照，以達到其絕緣性能的80%以上為標(biāo)準，獲得了幾種與0.5 MPa純SF6絕緣性能相當(dāng)?shù)幕旌蠚怏w，如表1所示。前3類混合方案氣體的絕緣性能可以達到0.5 MPa純SF6的80%以上，呈現(xiàn)較好的絕緣特性；后3類混合方案氣體的絕緣性能高于0.5 MPa純SF6的 90%，其中，0.7 MPa下SF6含量為30%的混合氣體的絕緣特性達到0.5 MPa 純SF6的1.01倍，其絕緣特性能夠理想替代0.5 MPa純SF6氣體，并且其具有更加良好的耐低溫特性，減少SF6氣體使用率高達47.5%，極大地提高了氣體絕緣裝備的環(huán)保特性。

表1 優(yōu)化的SF6+N2混合氣體充氣壓強和混合比例

3 結(jié) 語

采用試驗方法研究了SF6+N2混合氣體的絕緣特性、混合氣體配比優(yōu)化技術(shù)研究特性及規(guī)律，得到如下結(jié)論：

1)在液化溫度以上的工程應(yīng)用溫度范圍內(nèi)，對于特定充氣密度和比例下的SF6+N2混合氣體，其工頻擊穿電壓和U50%雷電沖擊擊穿電壓隨溫度的改變呈現(xiàn)較小的波動，相比純SF6氣體，SF6+ N2混合氣體的耐低溫特性更理想，在-35 ℃及更低溫度下仍然保持良好的絕緣特性。在低溫地區(qū)使用混合氣體時，需保證設(shè)備充氣密度與常溫下相同。

2)隨著混合氣體中SF6體積分數(shù)的增加，擊穿電壓幅值逐漸增大，當(dāng)SF6體積分數(shù)在0～0.4范圍內(nèi)變化時，SF6+N2混合氣體的擊穿電壓隨混合比例呈現(xiàn)非線性增加且增速漸緩。在0.4～0.7 MPa壓強范圍內(nèi)，球-板電極和棒-板電極中SF6+N2混合氣體的擊穿性能隨著氣壓增大呈近似線性增長。

3)從絕緣角度出發(fā)，研究確定了混合氣體配比方案，充氣壓強為0.7 MPa、混合比例為30%的SF6+N2混合氣體的擊穿強度為0.5 MPa 純SF6氣體的1.01倍，且具有更加良好的耐低溫特性，并可減少SF6氣體使用率達47.5%，體現(xiàn)了混合氣體替代SF6氣體的可行性以及良好的環(huán)保特性。