SF6替代氣體熱開斷能力與物性參數(shù)關(guān)系研究

安德寶 李濤 馮加坤

摘 要：在我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的新時(shí)期，科學(xué)技術(shù)發(fā)展十分迅速，文中討論了在探索選擇六氟化硫（SF6）替代氣體的過程中關(guān)于氣體開斷能力研究的重要性，并對氣體開斷能力的評(píng)估進(jìn)行了闡述。簡要總結(jié)了目前工業(yè)界對SF6替代氣體開斷試驗(yàn)的結(jié)果。以N2和CO2為例，從理論上分析了其開斷性能劣于SF6的原因，初步建立了噴口電弧中氣體開斷能力與物性參數(shù)間的關(guān)系，為理解SF6替代氣體開斷機(jī)理及選擇判據(jù)的建立提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：SF6替代氣體;噴口電弧;N2;CO2;湍流模型;開斷能力

引 言

SF6氣體具有極好絕緣性能和滅弧性能，SF6電氣設(shè)備是利用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)的。SF6電氣設(shè)備目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高壓和超高壓領(lǐng)域，它有體積小﹑重量輕﹑容量大﹑成套速裝﹑維修量少等優(yōu)點(diǎn)。某些正在運(yùn)行的SF6電氣設(shè)備存在缺陷或故障，影響了設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至釀成事故，因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)SF6電氣設(shè)備內(nèi)部缺陷或故障，對保證設(shè)備和電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。SF6氣體在電弧、放電和過熱作用下存在分解現(xiàn)象，通過檢測SF6分解產(chǎn)物的含量診斷設(shè)備內(nèi)部是否存在故障，將成為SF6電氣設(shè)備在線監(jiān)測和故障診斷的一種有效方法。開斷電弧作用下SF6氣體分解物的情況在試驗(yàn)和理論已經(jīng)有了很多研究成果，但在實(shí)際應(yīng)用方面的研究不多。電弧作用下SF6氣體分解產(chǎn)物主要有硫化物和氟化物。硫化物主要有SO2、H2S、SF4、SO2F2、SOF2等;氟化物主要有HF、CF4和金屬氟化物。上述的分解物中SF4、SOF2含量較大但不穩(wěn)定，很快在氧氣（O2）和水氣（H2O）雜質(zhì)影響下產(chǎn)生穩(wěn)定的SO2和HF，HF具有強(qiáng)腐蝕性，會(huì)與內(nèi)部金屬發(fā)生再反應(yīng)，通常開斷或故障后檢測到的氟化氫（HF）含量較小或檢測不到;CF4在新氣中含量就很大（200ul/l左右），而在電弧作用下增加量卻相對較小，故不能作為檢測氣體。其它氣體分解物在設(shè)備內(nèi)部的含量極少。因此，把SO2、H2S作為檢測氣體研究SF6氣體分解物是可行的。檢測的SO2濃度是直接分解和水解產(chǎn)物的總量，H2S是固體絕緣材料分解的特征組分。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)對SF6斷路器開斷時(shí)SF6氣體分解物中的SO2和H2S含量進(jìn)行了詳細(xì)的研究，試驗(yàn)研究和分析了開斷電流、燃弧時(shí)間、電弧能量、吸附劑等因素對SF6分解物的影響，為根據(jù)SF6分解物含量進(jìn)行SF6設(shè)備狀態(tài)判斷或缺陷、故障判斷以及在線檢測提供參考。

一、混合斷路器開斷機(jī)理

混合斷路器利用氣體間隙與真空間隙各自的滅弧優(yōu)勢完成短路電流開斷。電流過零后暫態(tài)恢復(fù)電壓（transientrecoveryvoltage，TRV）上升的初始階段，兩間隙均未完全恢復(fù)其介質(zhì)強(qiáng)度，此時(shí)間隙間TRV分布關(guān)系主要受兩間隙各自的電弧電阻影響。根據(jù)Cassie&Mayr氣體電弧黑盒模型與連續(xù)暫態(tài)真空電弧黑盒模型可知，此時(shí)電弧電阻與燃弧時(shí)間、滅弧介質(zhì)自身特性、滅弧室結(jié)構(gòu)及外部電路條件有關(guān)。其中，燃弧時(shí)間主要由兩間隙操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分閘時(shí)刻和分閘速度決定，滅弧介質(zhì)自身特性及滅弧室結(jié)構(gòu)則影響兩間隙的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度。因此，調(diào)整操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)刻可改變兩間隙承擔(dān)初始TRV時(shí)序。真空間隙承擔(dān)電流過零后陡峭的初始TRV為SF6氣體介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)提供短暫時(shí)間。SF6氣體間隙可迅速恢復(fù)其介質(zhì)強(qiáng)度，在合適的布置方式及并聯(lián)分壓電容影響下，氣體間隙開始承擔(dān)后續(xù)較高的峰值恢復(fù)電壓。SF6氣體間隙優(yōu)異的耐壓特性可保證即使此后真空間隙發(fā)生擊穿，混合斷路器仍能成功開斷。

二、SF6替代氣體熱開斷能力與物性參數(shù)關(guān)系

2.1電弧模型中湍流參數(shù)的標(biāo)定

高壓斷路器中開斷過程中，噴口中的電弧以及周圍的氣流場可認(rèn)為處于局部熱平衡（LTE）狀態(tài)，因此其物理過程可用時(shí)間平均的Navier-Stokes（RANS）方程組進(jìn)行描述，并在能量方程中考慮歐姆加熱和輻射損失的影響。N2、CO2和SF63種氣體的物性參數(shù)分別取自Yos，F(xiàn)rost和Liebermann，Matsumura;N2、CO2和SF6的凈輻射系數(shù)分別取自Shalyer和Fang，Aubrecht和Bartlova和Liebermann和Lowke。N2、CO2和SF6的凈輻射系數(shù)分別取自文Shalyer和Fang，Aubrecht和Bartlova和Liebermann和Lowke。使用小電流時(shí)，特別是電流零區(qū)附近，湍流換熱的強(qiáng)弱直接決定了電弧電壓的大小以及弧后等離子體可承受的最大恢復(fù)電壓上升率。

2.2電弧能量和SO2和H2S含量的關(guān)系

通過前面的分析和比較我們最終停留在電弧能量上。但該線的延長線并不過原點(diǎn)，說明在電弧能量越靠近零的時(shí)候越偏離線性關(guān)系;同理在電弧能量較大時(shí)，分解物含量也將偏離線性關(guān)系，因?yàn)殡娀∧芰枯^大時(shí)高溫電弧周圍的SF6氣體的量限制了分解物的含量。通過線性關(guān)系內(nèi)的數(shù)據(jù)可知每千焦分解物大概在15uL/L～20uL/L之間，且隨著能量的增大每千焦的分解物含量在降低。

2.3測量點(diǎn)氣壓

操作機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作后，壓氣缸內(nèi)的氣體即受到壓縮。隨壓力的不斷傳播，噴口區(qū)域在經(jīng)過很短的延遲后建立起氣流通道。將噴口區(qū)域的絕對氣壓相對于充氣壓力的增量定義為氣壓增量Δp。氣壓變化中含有豐富的物理信息，為便于分析氣壓特性，抽取了其中反映電弧熄滅前氣流場氣吹冷卻作用的氣壓增量最大值這一維度的信息。由于氣壓在滅弧室和畢托管內(nèi)存在傳播和反射及疊加情況，具有一定的波動(dòng)性，為消除氣壓脈沖波動(dòng)的影響，以氣壓某一半波的中位值而非峰值作為研究對象，這樣取得的數(shù)據(jù)即為Δppeak，較峰值更為可靠。

2.4實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)電路

樣機(jī)由氣體斷路器與真空斷路器串聯(lián)組成。其中氣體斷路器采用額定開斷能力10kV/6.3kA的旋弧式SF6氣體斷路器，間隙內(nèi)SF6氣體的初始充氣壓力為0.36MPa，CO2氣體充氣壓力分別為0.6、0.8MPa;真空斷路器開斷能力為10kV/5kA，真空觸頭為定制的平板電極結(jié)構(gòu)。氣體斷路器平均分閘速度約2.56m/s，真空斷路器平均分閘速度約為0.83m/s。

結(jié) 語

1）噴口電弧中湍流對電弧的冷卻起到至關(guān)重要的作用，不可忽略。2）湍流對電弧的冷卻效果與氣體的物性參數(shù)密切相關(guān)。氣體的ρCp參數(shù)在4000K到15000K之間存在較大變化時(shí)將導(dǎo)致電弧的徑向溫度分布產(chǎn)生拐點(diǎn)、電弧弧柱變粗。3）在相同di/dt下徑向換熱效率與電弧半徑有緊密的聯(lián)系。較細(xì)的弧柱將使得湍流對電弧的徑向冷卻占主導(dǎo)地位、電弧時(shí)間常數(shù)變小、使電弧電壓及時(shí)上升以增強(qiáng)其熱開斷能力。4）通過比較SF6和其他氣體的ρCp隨溫度的變化曲線，可作為選擇氣體或者選擇混合氣體體積分?jǐn)?shù)比的判據(jù)之一。文中對CO2臨界RRRV的預(yù)測和測量數(shù)據(jù)相比有一定的偏差。其原因有可能源于物性參數(shù)、輻射模型或湍流模型中電弧半徑的計(jì)算方法上。需要做進(jìn)一步的分析，但預(yù)測的偏差不會(huì)影響文中所做的結(jié)論。

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