準(zhǔn)均勻電場(chǎng)下C5F10O/干燥空氣與C5F10O/N2的絕緣特性

卓然,柯錕,張躍,傅明利,王邸博,向吉祥,張曉星

(1. 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430068；2. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司,廣東 廣州 510000；3. 武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院,湖北 武漢 430072)

0 引言

SF6因其優(yōu)異的絕緣特性及滅弧特性,廣泛應(yīng)用于各類電氣絕緣設(shè)備中[1—4]。然而,SF6具有很強(qiáng)的溫室效應(yīng),其溫室效應(yīng)潛在值(global warming potential,GWP)高達(dá)CO2的23 500倍,在大氣中的壽命超過(guò)3 000 a[5—6]。雖然《京都協(xié)議書》明確限制SF6的排放[7—8],但大氣中SF6的含量仍以每年8.7%的速度增長(zhǎng),其中電力工業(yè)領(lǐng)域所使用的SF6氣體占全球SF6總產(chǎn)量的80%[9]。為減少其使用量和排出量,國(guó)內(nèi)外的科研工作者們不斷尋找可替代SF6的絕緣氣體。

替代氣體的研究首先是將緩沖氣體與SF6進(jìn)行混合[10—12],但這無(wú)法從根本上解決SF6的溫室效應(yīng)。近期,C5F10O因良好的絕緣特性備受研究者關(guān)注。C5F10O的分子結(jié)構(gòu)式為CF3C(O)CF(CF3)2,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,GWP值為1,大氣壽命僅為15 d[13—15],對(duì)環(huán)境的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于SF6。不過(guò)由于在常壓條件下,C5F10O的液化溫度為26.9 ℃[13,16],為滿足工程應(yīng)用環(huán)境中不同的液化溫度要求,需將其與CO2、N2、干燥空氣等液化溫度較低的大氣成分混合之后再投入使用[17]。

國(guó)內(nèi)外針對(duì)C5F10O及其混合氣體作絕緣介質(zhì)的研究已取得了一些成果。文獻(xiàn)[17]通過(guò)比較準(zhǔn)均勻電場(chǎng)下低壓C5F10O、C5F10O/干燥空氣與SF6直流擊穿電壓,得知在一定條件下C5F10O/干燥空氣能夠與SF6的絕緣強(qiáng)度相當(dāng),說(shuō)明C5F10O混合氣體有潛力替代中低壓電氣絕緣設(shè)備中的SF6；文獻(xiàn)[18]證明了應(yīng)用液化溫度為-25 ℃的C5F10O/干燥空氣混合氣體可將空氣開(kāi)關(guān)柜的額定電壓從12 kV提升至24 kV。文獻(xiàn)[19]指出C5F10O與O2、CO2的混合物的絕緣強(qiáng)度接近SF6,但其滅弧能力低于SF6至少30% ;文獻(xiàn)[20]分析不均勻電場(chǎng)下C5F10O/CO2混合氣體的工頻擊穿特性,得知提高C5F10O體積濃度能夠有效提升該氣體的絕緣性能；文獻(xiàn)[21]分析計(jì)算了C5F10O等離子體成分、熱力學(xué)參數(shù)及傳輸特性,對(duì)其滅弧特性進(jìn)行評(píng)估,并在分析C5F10O、SF6、CF4、CO2和N2的分子表面靜電勢(shì)和電氣強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,得知分子表面的正電位面積同絕緣強(qiáng)度具有強(qiáng)相關(guān)性；文獻(xiàn)[22]利用改進(jìn)的Deutsch-M?rk公式計(jì)算了C5F10O的電子碰撞電離截面,對(duì)C5F10O氣體混合物的絕緣強(qiáng)度進(jìn)行了進(jìn)一步研究。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于C5F10O混合氣體的氣體絕緣性能的研究還有待進(jìn)一步深入。為更系統(tǒng)地探究C5F10O作為SF6替代氣體應(yīng)用于電氣絕緣設(shè)備的可行性,文中利用氣體絕緣性能測(cè)試平臺(tái),分析了分別以N2和干燥空氣作為緩沖氣體形成的C5F10O混合氣體的絕緣特性,并同SF6對(duì)比,分析了緩沖氣體類型、C5F10O分壓及氣壓3個(gè)因素對(duì)C5F10O混合氣體絕緣特性的影響,相關(guān)研究成果可為C5F10O混合氣體的工程應(yīng)用提供重要參考。

1 試驗(yàn)平臺(tái)和條件及方法

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)

試驗(yàn)所用氣體絕緣性能測(cè)試平臺(tái)的原理如圖1所示。工頻變壓器副邊額定電壓為100 kV,副邊額定電流為0.5 A,可為試驗(yàn)提供所需的工頻電壓；保護(hù)電阻的阻值為10 kΩ,用于限制絕緣氣隙擊穿時(shí)產(chǎn)生的短路電流,以防損害試驗(yàn)設(shè)備；分壓電容用于測(cè)量反應(yīng)氣室兩端的實(shí)際電壓。

圖1 氣體絕緣性能測(cè)試平臺(tái)原理Fig.1 Schematic diagram of gas insulation testing platform

反應(yīng)氣室內(nèi)部采用圖2所示的球-球電極模擬準(zhǔn)均勻電場(chǎng),電極材質(zhì)為黃銅,半徑為25 mm,球間隙取2 mm,此時(shí)放電間隙為準(zhǔn)均勻場(chǎng),不均勻系數(shù)為1.02[23],與設(shè)備內(nèi)電場(chǎng)均勻度一致,因此文中研究結(jié)果適用于分析環(huán)保氣體在設(shè)備內(nèi)運(yùn)行的絕緣強(qiáng)度。反應(yīng)氣室所能承受的最高氣壓為0.8 MPa。

圖2 球-球電極Fig.2 Ball-ball electrode

1.2 試驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)采用N2和干燥空氣來(lái)研究不同緩沖氣體對(duì)C5F10O混合氣體絕緣特性的影響。

由于我國(guó)南方地區(qū)溫度一般在-10 ℃以上,而且電力設(shè)備應(yīng)用要求的最低溫度為-15 ℃[16],因此C5F10O混合氣體若要投入工程應(yīng)用,必須滿足以上2個(gè)溫度限制。由文獻(xiàn)[15]可以得到C5F10O在不同飽和蒸汽壓下的液化溫度,具體如圖3所示。

圖3 C5F10O的飽和蒸汽壓特性Fig.3 Saturated vapor pressure characteristics of C5F10O

因?yàn)镃5F10O、N2和干燥空氣三者的液化溫度相差很大,所以在混合氣體中可將這3種氣體看作理想氣體進(jìn)行分析[24]。由道爾頓分壓定律可知,在理想氣體條件下,混合氣體中某一成分氣體的分壓等于該成分氣體填充相同體積容器時(shí)產(chǎn)生的氣壓,即混合氣體的總氣壓等于各成分氣體的分壓之和。因此,C5F10O混合氣體的液化溫度可看作與C5F10O在相應(yīng)分壓下的液化溫度相等。

考慮到電氣絕緣設(shè)備內(nèi)部氣壓要求,本次試驗(yàn)中C5F10O/干燥空氣和C5F10O/N2的氣壓分別設(shè)置為0.1 MPa,0.2 MPa,0.3 MPa,0.4 MPa,0.5 MPa,其中C5F10O分壓依次設(shè)置為15 kPa,25 kPa,35 kPa,45 kPa,測(cè)試不同條件下2種混合氣體的絕緣特性,并設(shè)置N2、干燥空氣以及SF6作為對(duì)照組。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前先用無(wú)水乙醇擦拭反應(yīng)氣室內(nèi)壁,保證內(nèi)部清潔干燥。安裝好球形電極并設(shè)置間隙距離后,抽空反應(yīng)氣室,直至內(nèi)部氣壓為-101.3 kPa,再充入對(duì)應(yīng)緩沖氣體至氣室內(nèi)部為正壓,再次將內(nèi)部抽成真空,如此重復(fù)3次,保證氣室內(nèi)部無(wú)雜質(zhì)氣體存在。由于C5F10O液化溫度遠(yuǎn)高于N2和干燥空氣,充氣時(shí)應(yīng)首先通入C5F10O使其分壓達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定值,再通入對(duì)應(yīng)緩沖氣體,直到反應(yīng)氣室總填充壓達(dá)到試驗(yàn)設(shè)定值。充氣完畢后,需將反應(yīng)氣室靜置24 h,確保內(nèi)部混合氣體充分混合均勻。

為保證試驗(yàn)的規(guī)范性,每隔1 min按動(dòng)感應(yīng)調(diào)壓器,從0 kV逐步升高施加在球-球電極兩端的工頻電壓,升壓步長(zhǎng)不得超過(guò)0.5 kV,直至氣隙被擊穿。每次記錄擊穿電壓后,需等待5 min使氣室內(nèi)混合氣體恢復(fù)絕緣強(qiáng)度后再重新加壓,保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為減少偶然誤差,每組工頻擊穿電壓數(shù)據(jù)取10次擊穿電壓的平均值進(jìn)行計(jì)算分析。

2 C5F10O混合氣體絕緣性能分析

2.1 氣壓對(duì)C5F10O混合氣體擊穿電壓的影響

如圖4所示,C5F10O混合氣體、SF6、N2以及干燥空氣的擊穿電壓均隨著氣壓的增大而增大,且近似呈線性趨勢(shì)。這是因?yàn)榉磻?yīng)氣室內(nèi)部總填充壓增大后,單位體積內(nèi)氣體分子數(shù)目增多,雖然發(fā)生碰撞的幾率增大,但電子的平均自由行程減少,其在電場(chǎng)中所獲動(dòng)能減少,降低了碰撞電離的概率。增大氣壓會(huì)削弱氣隙的氣體電離過(guò)程,最終導(dǎo)致氣隙擊穿電壓升高。

圖4 不同分壓下C5F10O混合 氣體擊穿電壓與氣壓的關(guān)系Fig.4 Relation between breakdown voltage and pressure of C5F10O mixture under different pressure

但擊穿電壓并非隨著氣壓的增大而無(wú)限制提升。當(dāng)氣壓增大到0.4 MPa以上時(shí),C5F10O/N2的擊穿電壓隨氣壓增大所呈現(xiàn)的增長(zhǎng)趨勢(shì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,而同一條件下C5F10O/干燥空氣與SF6飽和現(xiàn)象并沒(méi)有C5F10O/N2明顯。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知,C5F10O的加入極大地提高了干燥空氣與N2的絕緣強(qiáng)度,例如0.3 MPa氣壓時(shí),分壓為25 kPa C5F10O/N2混合氣體的擊穿電壓是0.3 MPa N2的1.75倍,相同條件下C5F10O/干燥空氣的擊穿電壓是干燥空氣的1.78倍。雖然相同氣壓條件下C5F10O混合氣體的絕緣強(qiáng)度弱于SF6,但氣壓較高的C5F10O混合氣體絕緣強(qiáng)度可以與氣壓較低的SF6絕緣強(qiáng)度相當(dāng)。例如,0.2 MPa氣壓,35 kPa的C5F10O/N2擊穿電壓只有氣壓為0.2 MPa的SF6的0.75倍,而氣壓為0.3 MPa的C5F10O/N2是氣壓為0.2 MPa的SF6的0.96倍。

2.2 C5F10O分壓對(duì)C5F10O混合氣體擊穿電壓的影響

圖5為不同C5F10O分壓對(duì)混合氣體擊穿電壓的影響。由圖5可以看出,隨著C5F10O分壓的增大,C5F10O/N2與C5F10O/干燥空氣的擊穿電壓逐漸增大。原因?yàn)椋篊5F10O作為一種全氟酮類氣體,具有很強(qiáng)的電負(fù)性,在電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)易吸附自由運(yùn)動(dòng)的電子形成負(fù)離子,導(dǎo)致氣隙間的電子數(shù)目減少。且C5F10O的分子量為266.03,其他條件相同的情況下,分子量越大,其在電場(chǎng)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)速度就越慢,吸附了電子的C5F10O負(fù)離子越容易與氣隙間的正離子發(fā)生復(fù)合,導(dǎo)致氣隙間的正離子數(shù)目減少。所以,增大C5F10O分壓會(huì)減小氣隙間的帶電粒子數(shù)目,從而導(dǎo)致氣隙擊穿電壓升高。

圖5 C5F10O混合氣體擊穿電壓與C5F10O分壓的關(guān)系Fig.5 Relation between breakdown voltage of C5F10O mixture and C5F10O partial pressure

為定量分析C5F10O分別對(duì)N2與干燥空氣絕緣強(qiáng)度的影響情況,定義絕緣強(qiáng)度提升相對(duì)值p為同一氣壓下緩沖氣體加入C5F10O前后擊穿電壓之差與緩沖氣體原擊穿電壓的比值,即:

p=(Up-U0)/U0

(1)

式中：Up為一定分壓下C5F10O混合氣體的擊穿電壓；U0為同一氣壓下緩沖氣體的擊穿電壓。p值越大,C5F10O對(duì)緩沖氣體絕緣強(qiáng)度的提升效果越好。不同條件下C5F10O對(duì)2種緩沖氣體絕緣強(qiáng)度提升相對(duì)值如表1和表2所示。

表1 C5F10O對(duì)N2絕緣強(qiáng)度提升的相對(duì)值Table 1 The relative value of different partial pressure C5F10O for improving the insulation strength of N2

表2 C5F10O對(duì)干燥空氣絕緣強(qiáng)度提升的相對(duì)值Table 2 The relative value of different partial pressure C5F10O for improving the insulation strength of dry air

可以看出,當(dāng)氣壓較低(≤0.4 MPa)時(shí),C5F10O對(duì)N2絕緣強(qiáng)度的提升效果更顯著；當(dāng)氣壓達(dá)到0.5 MPa時(shí),C5F10O對(duì)兩者提升強(qiáng)度相當(dāng)。因?yàn)樵诘蜌鈮合?干燥空氣的擊穿電壓本就高于N2的擊穿電壓(0.1 MPa時(shí)干燥空氣絕緣強(qiáng)度約為N2的1.4倍),不過(guò)隨著氣壓逐漸增大,N2的絕緣強(qiáng)度逐漸接近于干燥空氣(0.1 MPa時(shí)干燥空氣絕緣強(qiáng)度約為N2的1.07倍)。這與圖5中2種緩沖氣體絕緣強(qiáng)度先增長(zhǎng)后飽和的趨勢(shì)相符合。

然而,混合氣體的擊穿電壓隨著C5F10O分壓增大直到存在飽和現(xiàn)象,且C5F10O/干燥空氣的飽和現(xiàn)象比C5F10O/N2更加顯著。由于氣隙內(nèi)帶電粒子的數(shù)目有限,當(dāng)C5F10O分壓增大到一定值時(shí),對(duì)帶電粒子的吸附作用并不明顯,反而有可能因?yàn)檫^(guò)高的C5F10O分壓提高C5F10O混合氣體的液化溫度。

3 C5F10O混合氣體替代SF6的可能性

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,可以從增大C5F10O混合氣體氣壓以及增大C5F10O分壓2種方法著手探討C5F10O混合氣體替代SF6的可能性。

如圖6所示,以0.2 MPa下SF6的擊穿電壓值為例進(jìn)行分析,氣壓為0.2 MPa,C5F10O分壓為35 kPa的C5F10O/干燥空氣擊穿電壓是0.2 MPa下SF6擊穿電壓值的0.92倍,相同條件下C5F10O/N2為0.75倍；而當(dāng)混合氣體氣壓升為0.3 MPa時(shí),分壓為35 kPa的C5F10O/干燥空氣擊穿電壓是0.2 MPa下SF6擊穿電壓值的1.04倍,相同條件下C5F10O/N2為0.96倍。這說(shuō)明高氣壓的C5F10O混合氣體可以替代較低壓氣壓的SF6。不過(guò),總填充壓升高必將對(duì)電氣設(shè)備的氣密性以及承受壓強(qiáng)提出更高的要求,增加工程成本。出于經(jīng)濟(jì)性考慮,C5F10O混合氣體更適用于替代室內(nèi)中低壓電氣設(shè)備內(nèi)的SF6。

圖6 C5F10O混合氣體與不同電壓下的擊穿電壓Fig.6 Breakdown voltage of C5F10O mixture under different pressure

如圖7所示,氣壓為0.3 MPa,C5F10O分壓為15 kPa(液化溫度為-17.78 ℃)的C5F10O/干燥空氣的絕緣強(qiáng)度僅為同氣壓下SF6的0.60倍,相同條件下C5F10O/N2為0.56倍；若將C5F10O分壓提升為45 kPa(液化溫度為5.56 ℃),其他條件不變,C5F10O/干燥空氣的絕緣強(qiáng)度為SF6的0.90倍,相同條件下C5F10O/N2為0.85倍。通過(guò)提高C5F10O分壓來(lái)提高C5F10O混合氣體絕緣強(qiáng)度時(shí),應(yīng)考慮C5F10O混合氣體的液化溫度是否滿足應(yīng)用環(huán)境的溫度要求。若C5F10O分壓過(guò)高,反而可能降低氣體絕緣強(qiáng)度,無(wú)法滿足實(shí)際工程需求。此時(shí)需在室內(nèi)氣體絕緣設(shè)備的工作環(huán)境中加裝氣體調(diào)溫設(shè)備,人為提高環(huán)境溫度。

圖7 C5F10O混合氣體相對(duì)SF6的絕緣強(qiáng)度Fig.7 Insulation strength of C5F10O mixture relative to SF6

綜合考慮工程應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性與實(shí)際性,通過(guò)增大氣壓和C5F10O分壓2種途徑,C5F10O混合氣體可以達(dá)到與SF6相當(dāng)?shù)慕^緣強(qiáng)度。例如,氣壓為0.3 MPa,C5F10O分壓為25 kPa(液化溫度為-8.22 ℃)的C5F10O/干燥空氣絕緣強(qiáng)度為0.2 MPa下SF6的0.98倍,相同條件下C5F10O/N2的絕緣強(qiáng)度為0.84倍。因此可用該條件下的這兩類氣體替代SF6,應(yīng)用于設(shè)備工作環(huán)境溫度較高的室內(nèi)中低壓電氣設(shè)備中。

4 結(jié)論

文中利用氣體絕緣性能測(cè)試平臺(tái),從緩沖氣體類型、混合氣體氣壓以及C5F10O分壓3個(gè)方面,探究了準(zhǔn)均勻電場(chǎng)下C5F10O/N2和C5F10O/干燥空氣的絕緣特性,并得出以下結(jié)論：

(1) 在試驗(yàn)氣壓范圍內(nèi),C5F10O分壓不變時(shí),2種C5F10O混合氣體的絕緣強(qiáng)度與混合氣體氣壓呈正相關(guān)。

(2) 低氣壓(≤0.4 MPa)條件下,相比于干燥空氣,N2的絕緣強(qiáng)度受C5F10O提升的效果更顯著,高氣壓時(shí)C5F10O對(duì)兩者的提升效果接近。混合氣體氣壓一定時(shí),2種C5F10O混合氣體的絕緣強(qiáng)度在試驗(yàn)范圍內(nèi)隨著C5F10O分壓的增大而增大,并且在C5F10O分壓達(dá)到0.4 MPa后出現(xiàn)飽和現(xiàn)象,其中,C5F10O/干燥空氣的飽和現(xiàn)象較C5F10O/N2更為顯著。

(3) 氣壓為0.3 MPa,C5F10O分壓為25 kPa的C5F10O/干燥空氣和C5F10O/N2的絕緣強(qiáng)度分別為0.2 MPa下SF6的0.98倍和0.84倍。從絕緣強(qiáng)度考慮,C5F10O/干燥空氣比C5F10O/N2混合氣體更具有替代室內(nèi)中低壓設(shè)備中SF6的潛力。