基于SF6混合氣體絕緣性能的設(shè)備補氣策略研究

周倩， 柯錕， 張曉星， 田雙雙， 胡軍臺， 王波

(1. 湖北工業(yè)大學(xué)新能源及電網(wǎng)裝備安全監(jiān)測湖北省工程研究中心，湖北 武漢，430068；2. 國網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 400015；3. 國網(wǎng)河南省電力公司平頂山供電公司，河南 平頂山 467001)

0 前言

SF6氣體絕緣組合電器(gas insulated switch gears，GIS)自1967年首次在德國投運以來，便以其可靠性高、維護量小、占地面積小、配置靈活等優(yōu)點迅速發(fā)展并廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中[1—6]。隨著技術(shù)發(fā)展，氣體絕緣變壓器(gas insulated transformer，GIT)、氣體絕緣線路(gas insulated line，GIL)、氣體絕緣斷路器(gas circuit breaker，GCB)和氣體絕緣開關(guān)柜(cubic type gas insulated switchgears，C-GIS)等SF6絕緣設(shè)備在國內(nèi)外電力系統(tǒng)中被廣泛使用[7—8]。但SF6氣體被公認(rèn)為是一種對大氣環(huán)境具有較大危害的溫室氣體，其溫室效應(yīng)潛在值是CO2的23 500倍左右，在大氣中的存活壽命約為3 200 a[9—10]。聯(lián)合國氣候變化公約締約方在1997年簽訂的《京都議定書》中，將SF6氣體列為6種限制性使用的溫室氣體之一，要求限制SF6氣體的使用。

SF6混合氣體絕緣電氣設(shè)備的推廣和使用可以一定程度減少SF6氣體的使用量和排放量。文獻[11]研究得出SF6/N2混合氣體在一定條件下?lián)碛刑娲僑F6的可行性；文獻[12]從氣體放電理論角度分析了不同混合比下SF6/N2混合氣體的絕緣性能；文獻[13—14]的研究結(jié)果表明SF6/N2混合氣體的擊穿電壓隨氣壓的增長呈線性變化；文獻[15—16]對SF6與空氣、N2O、N2、CO2等的混合氣體在不同電場條件下的絕緣特性進行了系統(tǒng)研究，并先后與諸多國內(nèi)電力設(shè)備生產(chǎn)廠家合作研制開發(fā)了SF6混合氣體GIT、GIS以及C-GIS等電力設(shè)備。SF6混合氣體作為絕緣介質(zhì)在實際電氣設(shè)備中得到了應(yīng)用，全球首條SF6/N2絕緣GIL于21世紀(jì)初期在瑞士投入運行[17]。ABB公司在法國境內(nèi)研制并建設(shè)了首條長距離的以SF6/N2作為氣體絕緣介質(zhì)的GIL，取代了該地區(qū)原有的420 kV架空輸電線路[18]。2016年，由中國研制的SF6/N2混合氣體的1 100 kV GIL長期考核試驗線段于2016年6月在武漢特高壓交流試驗基地開始帶電運行，并順利通過了近一年的帶電考核。江蘇帕威爾電氣有限公司、上海天靈開關(guān)廠有限公司開發(fā)的N2X-24 kV充氣柜采用的也是SF6/N2混合氣體，SF6在混合氣體中的比例很少，僅為10%，大大節(jié)省了SF6的使用量[19]。研究發(fā)現(xiàn)，SF6體積分?jǐn)?shù)為5%～30%的混合氣體受到更加廣泛的關(guān)注[20]。目前國內(nèi)已經(jīng)有220 kV GIS母線采用30%的SF6/N2混合氣體作為絕緣介質(zhì)，但是運維的研究處于一個空白狀態(tài)，并未制定相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

基于以上現(xiàn)狀，文中對SF6/N2混合氣體在氣壓為0.7 MPa、混合比為30%發(fā)生微量變化條件下進行工頻交流擊穿特性研究，測量混合氣體不同氣壓、混合比條件下的擊穿電壓值，總結(jié)出混合氣體的擊穿電壓特性，為SF6/N2混合氣體提供運維規(guī)程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，同時為制定混合氣體的檢測技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)奠定基礎(chǔ)。

1 實驗平臺、方法與過程

1.1 實驗平臺

實驗平臺示意如圖1所示。

圖1 實驗平臺示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental platform

主要實驗設(shè)備及作用：

(1) 感應(yīng)調(diào)壓器。輸入電壓為380 V，輸出電壓為0～250 V，額定功率為50 kV·A。

(2) 無暈試驗變壓器。可以為實驗提供最高250 kV的工頻試驗電壓。

(3) 保護電阻。阻值為20 kΩ，保護試驗變壓器在發(fā)生閃絡(luò)時免遭破壞。

(4) 電容分壓器。C1/C2=500 pf/1 μf，將幅值較高的實驗電壓轉(zhuǎn)換成可被電壓表直接測量的量程內(nèi)值。

(5) 氣體絕緣性能測試氣室。安裝電極和充入實驗氣體，使實驗氣體發(fā)生擊穿，進而檢測待測氣體絕緣性能。

實驗采用球球電極模擬實際設(shè)備中的準(zhǔn)均勻電場，電極的直徑為50 mm，材質(zhì)為銅。將電極物理模型置入放電氣室內(nèi)，如圖2所示。實驗時，為排除水分含量對實驗結(jié)果的影響，實驗室溫度通過空調(diào)控制在20 ℃左右，濕度通過除濕機控制在相對濕度50%左右，所有實驗均在該條件下進行，確保實驗結(jié)果具有可比性。

圖2 球球電極在罐體內(nèi)的放置Fig.2 The placement of the ball electrode in the tank

為了驗證球球電極可以模擬GIS設(shè)備內(nèi)的準(zhǔn)均勻場，借助于COMSOL計算軟件對其進行仿真計算。電場的均勻程度由電場不均勻系數(shù)f來衡量：

f=Emax/Eav

(1)

Eav=U/d

(2)

式中：Eav為平均場強；Emax為最大場強；U為電極間電壓；d為電極間距，文中在實驗中設(shè)置的電極間距為2 mm。通過COMSOL計算軟件完成最高場強的計算，電場分布如圖3所示，得到電場不均勻度為1.02，介于1～1.1之間，屬于均勻電場。

圖3 球球電極電場分布Fig.3 Electric field distribution of the ball electrode

1.2 實驗方法與過程

工頻擊穿實驗對象為SF6/N2混合氣體，其中SF6純度為99.995%，N2純度為99.999%，兩者的微水含量均小于5 μL/L?；旌蠚怏w壓力取為0.682 0～0.700 0 MPa(絕對壓力)，混合比k取0%，10%，20%，25%，27%，28%，29%，30%，31%，35%，100%，電極間距為2 mm，環(huán)境溫度為室溫(25 ℃)，主要探究氣壓、混合比對SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓的影響。運用控制變量法，保持混合比不變，利用排氣閥每次控制降低2 kPa的氣壓，每降低一次氣壓進行5次擊穿實驗。

SF6/N2混合氣體的實驗過程基本步驟為：先后進行實驗準(zhǔn)備、充氣、排氣等操作。在實驗中保證混合比不變的條件，從高氣壓至低氣壓依次進行工頻擊穿實驗。0.700 0 MPa的實驗完成后，打開放氣閥門，使精密氣壓表示數(shù)顯示的氣壓達到預(yù)期的實驗氣壓條件下，再進行工頻擊穿實驗。待固定混合比條件下完成實驗后，更換混合比，重復(fù)上述操作過程。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 氣壓對SF6/N2工頻擊穿電壓的影響

根據(jù)實驗結(jié)果，整理數(shù)據(jù)，取每次實驗擊穿電壓的平均值，得到SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓與氣壓的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓與氣壓的關(guān)系Fig.4 Relationship between power frequency break-down voltage and air pressure of SF6/N2 mixed gas

觀察圖4可知，擊穿電壓與氣壓的變化呈非線性關(guān)系。希爾(Hill)方程常用于非線性的情況，而Hill1是帶偏移量的修正希爾函數(shù)，根據(jù)式(3)將工頻擊穿電壓與壓強進行擬合。

(3)

式中：U為擊穿電壓；P為壓強；A，B，m，n為擬合參數(shù)。

運用Hill1對實驗數(shù)據(jù)進行擬合，R為擬合系數(shù)，其值越接近1，說明擬合度越高。由圖4可見，R的值均在0.99以上，說明擬合程度及效果非常好，同時也表明在維持混合比不變的條件下，通過改變壓強的值，SF6/N2混合氣體的擊穿電壓增長緩慢，體現(xiàn)了SF6濃度越高，SF6/N2混合氣體的非線性程度越大，符合理論效果。擬合方程的主要參數(shù)見表1。

表1 擬合方程的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of the fitting equation

分子的游離會產(chǎn)生大量正負(fù)空間電荷，使電場產(chǎn)生畸變，而大量的空間電荷以及畸變的電場會導(dǎo)致光游離，對擊穿過程產(chǎn)生影響。均勻電場中氣體的擊穿過程與氣體的相對密度δ和極間距離d相關(guān)，δd值較小時可以用湯遜理論，δd值較大時可以用流注理論來解釋電子崩。電子崩在產(chǎn)生大量電子的同時，也會產(chǎn)生大量的離子，離子在電場力的作用下與電極撞擊，而當(dāng)離子在電極表面發(fā)生自持放電時就意味著氣隙被擊穿。當(dāng)氣室處在一個較小氣壓時，氣室內(nèi)各氣體分子密度相對較小，分子間平均距離較大，電子平均自由行程較大。隨著氣壓逐漸升高，電子平均自由行程逐漸減小，電子碰撞前積累的平均動能下降，使電子發(fā)生有效碰撞的幾率降低。隨著氣壓繼續(xù)升高至0.7 MPa，此時即使氣壓增大，電子平均自由行程減少，其降低電子有效碰撞的作用已十分有限。因此隨著氣壓的增大，擊穿電壓的非線性也越大。

2.2 混合比對SF6/N2工頻擊穿電壓的影響

在保持壓強不變的情況下，變量混合比k也保持相同的增幅，對數(shù)據(jù)進行詳盡分析，主要針對混合比k為0.25，0.27，0.28，0.29，0.30，0.31進行擬合，得到如圖5所示的SF6/N2混合氣體的工頻擊穿電壓與混合比的關(guān)系。

圖5 SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓與混合比k的關(guān)系Fig.5 Relationship between power frequency breakdown voltage and mixing ratio k of SF6/N2 mixed gas

根據(jù)式(4)，將工頻擊穿電壓與混合比進行擬合。

(4)

式中：Vmax，M，N為擬合參數(shù)。其主要參數(shù)如表2所示。

表2 擬合方程的主要參數(shù)Table 2 Main parameters of the fitting equation

由圖5可見，0.682 0～0.700 0 MPa的SF6/N2混合氣體的擊穿電壓均隨混合比k的增大而非線性增大。其次，同一氣壓值下，提高氣壓能顯著改善SF6/N2混合氣體絕緣性能。理論上，隨著混合比的增加，非線性逐漸增大。

上述規(guī)律可以用流注理論的分子電離過程來解釋。由于N2的電離能約為15.5 eV，而SF6的電離能約為15.6 eV，所以在SF6/N2混合氣中，N2相較于SF6更加容易發(fā)生電離。電離出的電子被SF6分子俘獲(SF6的電子親和能僅約為3.4 eV)，形成離子半徑較大的負(fù)離子團，導(dǎo)致氣體中自由電子濃度減小并抑制了流注的發(fā)展，使擊穿電壓較純N2有明顯提高。但隨著混合比增大(SF6含量相對增大、N2含量相對減小)，SF6絕緣性能的非線性影響更加明顯，SF6/N2混合氣體擊穿電壓的增長趨勢隨之變緩。

2.3 混合比和壓強對SF6/N2工頻擊穿電壓的影響

為研究混合比和壓強2個變量因素同時對SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓的影響，構(gòu)建式(5)所示的擬合函數(shù)，將工頻擊穿電壓與混合比以及壓強進行擬合。

F(k,P)=a+bsin(hπkP)+ce-(wP)2

(5)

式中：P為壓強；a，b，c，h，w為擬合系數(shù)。

以混合氣體的總氣壓值P以及混合比k作為變量，對其與擊穿電壓的進行數(shù)據(jù)擬合，最后得到SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓與混合比及壓強的關(guān)系，如圖6所示。其中，擬合參數(shù)R=0.983 1。

圖6 SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓與混合比及壓強的關(guān)系Fig.6 Relationship between power frequency breakdown voltage and mixing ratio andpressure of SF6/N2 mixed gas

曲線回歸是建立不同變量間相關(guān)關(guān)系的非線性數(shù)學(xué)模型數(shù)量關(guān)系式的統(tǒng)計方法。為了進一步提高擊穿電壓U對雙變量壓強P和混合比k的擬合度，擬采用曲線回歸對實驗數(shù)據(jù)進行非線性二次回歸平滑曲線擬合，得到SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓與混合比及壓強的關(guān)系，如圖7所示。其中，R=0.999 7。采用二次回歸函數(shù)可以使SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓與混合比及壓強的擬合效果更好。

圖7 優(yōu)化后SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓與混合比及壓強的關(guān)系Fig.7 Relationship between power frequency break-down voltage and mixing ratio and pressure ofSF6/N2 mixed gas after optimization

由圖7可以看出，隨著壓強和混合比的提高，擊穿電壓均非線性程度越來越大，與圖4和圖5結(jié)果一致，且與擬合結(jié)果吻合。

3 SF6混合氣體絕緣設(shè)備補氣策略

SF6氣體和N2氣體的絕緣強度不同，氣體的分子量不同，如若運行過程中，氣體的體積比發(fā)生變化，會導(dǎo)致絕緣強度發(fā)生變化。

根據(jù)國內(nèi)外的文獻資料及研究成果總結(jié)得出，以純SF6氣體作為絕緣介質(zhì)的間隙工頻擊穿電壓的經(jīng)驗公式[21]為：

(6)

其中，P為氣體絕對壓力。工程中純SF6氣體絕緣GIS母線的充氣壓力[12]一般為0.5 MPa，并且文中的實驗電極距離d為0.2 cm，將以上2個數(shù)據(jù)帶入式(6)可得以純SF6氣體作為絕緣介質(zhì)的間隙工頻擊穿電壓。

DL/T 596—1996《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》及GB 50150—2006《電氣裝置安裝工程電氣設(shè)備交接試驗標(biāo)準(zhǔn)》條文[22—23]中指出，SF6組合電器設(shè)備年漏氣率不大于1.0%，控制在0.5%方才合格。通過式(6)按照最大泄漏量計算，得出純SF6氣體作為絕緣介質(zhì)應(yīng)用在GIS母線中應(yīng)進行補氣的臨界擊穿電壓，由臨界擊穿電壓與原始擊穿電壓的比值，最終發(fā)現(xiàn)泄漏后純SF6氣體GIS母線的絕緣性能只能達到之前的98%。

以此為標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)SF6混合氣體絕緣強度下降2%，絕緣性能只能達到初始的98%時，則須對SF6混合氣體設(shè)備進行維護。絕緣性能通過擊穿電壓值來衡量，因此只需將實驗中測量所獲得的擊穿電壓乘以98%，得到一個臨界擊穿電壓，而這個臨界電壓分別對應(yīng)混合比和氣壓值，最后繪制的絕緣性能臨界狀態(tài)如圖8所示。

圖8 絕緣性能臨界狀態(tài)Fig.8 Critical state of insulation performance

文中的研究以220 kV GIS母線為例，氣室內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)壓強P0為0.700 0 MPa，SF6混合比k0為30%。當(dāng)現(xiàn)場檢測設(shè)備內(nèi)的氣壓值P和混合比k數(shù)值處于圖8中陰影部分時，則須對設(shè)備進行補氣操作，以防設(shè)備絕緣性能下降導(dǎo)致電力事故發(fā)生。具體補氣方法如下。

(1) 計算補氣的總壓強：

Pi=P0-P

(7)

式中：P0為原配氣壓強；Pi為補氣壓強。

(2) 根據(jù)道爾頓分壓定律計算需要補充的SF6分壓：

Pi(SF6)=P0k0-Pk

(8)

(3) 確定需要補充的N2的分壓：

Pi(N2)=Pi-Pi(SF2)=P0(1-k0)-P(1-k)

(9)

根據(jù)計算所得的SF6和N2分壓采用專用的充氣裝置對設(shè)備進行補氣。

4 結(jié)論

(1) 在標(biāo)準(zhǔn)氣壓值不變的情況下，混合氣體的擊穿電壓隨著混合比的減少而降低。由此說明，保證設(shè)備內(nèi)混合氣體的氣壓值不變，增大混合比是提高其絕緣性能的有效措施。

(2) 在保證混合比不變的條件下，混合氣體的擊穿電壓隨著氣壓值的增大而增大，其非線性程度也越來越大，因此同一混合比條件下，提高氣壓能顯著改善SF6/N2混合氣體的絕緣性能。

(3) 當(dāng)引入雙變量，即混合比和壓強2種因素同時作用時，擊穿電壓呈現(xiàn)出隨著壓強和混合比的提高，非線性程度增大的特點。同時確定了絕緣臨界值，為后續(xù)研究SF6/N2混合氣體絕緣設(shè)備的運維規(guī)程和制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)提供一定的技術(shù)支持和參考。