SF6/N2混合氣體絕緣特性實(shí)驗(yàn)研究

賈程乾，夏亞龍，倪 源，謝施君，張晨萌

(1. 重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院，重慶 400044；2. 國(guó)網(wǎng)四川省電力公司電力科學(xué)研究院，四川 成都 610041)

0 引 言

SF6由于絕緣性能好、滅弧能力強(qiáng)、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于電氣工業(yè)，如斷路器、氣體絕緣輸電線路(gas insulated line，GIL)、氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(gas insulated switchgear,GIS)、開(kāi)關(guān)柜等[1-3]。但SF6同時(shí)也是強(qiáng)溫室效應(yīng)氣體，它的全球變暖潛能值(global warming potential，GWP)為CO2的23 900倍，即向大氣中排放1 kg的SF6相當(dāng)于排放了23.9 t的CO2，在1997年的《京都議定書(shū)》中，SF6被列為管制排放的氣體[4-7]。不僅如此，SF6在電弧或大電場(chǎng)作用下會(huì)放電分解產(chǎn)生F2、SO2等有毒有害氣體，可能會(huì)產(chǎn)生不良的影響。隨著“30·60”雙碳目標(biāo)的提出，中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化的路徑也進(jìn)一步清晰化：二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值、2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。國(guó)家電網(wǎng)公司也積極響應(yīng)號(hào)召尋找SF6替代氣體，減少SF6的排放。

目前，研究人員還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)某種一元?dú)怏w可以從絕緣、滅弧和環(huán)保等方面完全替代SF6，在這種情況下，SF6混合氣體就成為了比較理想的替代方案[8-9]。SF6混合氣體的相關(guān)研究開(kāi)始于20世紀(jì)70年代，比較常見(jiàn)的緩沖氣體為CO2、N2等。在這些緩沖氣體中，N2因其無(wú)毒、無(wú)污染、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)使得SF6與N2組成的混合氣體擁有很好的應(yīng)用前景。如果要在GIL與GIS中替代SF6的使用，就必須要研究替代氣體的工頻以及直流耐壓特性，所以SF6/N2混合氣體的工頻和直流耐壓特性就有很高的研究?jī)r(jià)值和意義。

下面在均勻場(chǎng)下，研究不同SF6體積分?jǐn)?shù)下SF6/N2混合氣體的工頻和直流耐壓特性，分析了體積分?jǐn)?shù)對(duì)混合氣體絕緣性能的影響趨勢(shì)，這對(duì)于SF6/N2混合氣體在GIL等氣體絕緣設(shè)備中的使用有重要的參考價(jià)值和實(shí)際工程意義。

1 SF6/N2混合氣體理化特性

1.1 液化溫度

作為SF6的潛在替代氣體，SF6/N2混合氣體的液化溫度是衡量其替代可行性的重要參考依據(jù)之一,尤其當(dāng)利用SF6/N2混合氣體制造的設(shè)備被應(yīng)用于比較寒冷的地區(qū)時(shí)，混合氣體由于低溫液化將是電力設(shè)備面臨的重大挑戰(zhàn)之一[10]。因此計(jì)算SF6/N2混合氣體的液化溫度數(shù)據(jù)對(duì)于工程實(shí)際應(yīng)用具有重要的意義。下面計(jì)算了混合比為20%、30%、40%條件下的SF6/N2混合氣體在0.1～0.5 MPa氣壓下的液化溫度。使用的方法是安托萬(wàn)方程(Antoine equation)和拉烏爾定律相結(jié)合的方式[11]。

首先，可以利用安托萬(wàn)方程寫(xiě)出SF6與N2的飽和蒸汽壓與溫度滿足的方程關(guān)系為

(1)

拉烏爾定律用方程可以表述為

(2)

將式(1)、式(2)聯(lián)立化簡(jiǎn)后得

(3)

式中：A1、B1、C1分別為組分1的特性常數(shù)；A2、B2、C2分別為組分2的特性常數(shù)；p1、p2分別為組分1和組分2的飽和蒸汽壓，p為混合氣體的飽和蒸汽壓，mmHg(注：1 mmHg=133.32 Pa)；y為組分1所占?xì)庀嗟哪柗謹(jǐn)?shù)；x為組分2所占?xì)庀嗟哪柗謹(jǐn)?shù)；t為混合氣體的液化溫度。

應(yīng)用時(shí)，將氣壓?jiǎn)挝粨Q算為mmHg，代入式(3)即可求得該氣壓下的液化溫度。SF6與N2的安托萬(wàn)方程如表1所示[11]。

表1 SF6、N2的安托萬(wàn)方程常數(shù)

根據(jù)公式可以求得混合比為20%、30%、40%的SF6/N2混合氣體在壓強(qiáng)為0.1～0.5 MPa時(shí)的液化溫度，如表2和圖1所示。

表2 不同壓強(qiáng)和混合方案下SF6/N2混合氣體液化溫度 單位：℃

圖1 不同壓強(qiáng)和混合方案下SF6/N2混合氣體液化溫度

1.2 全球變暖潛能值

除了液化溫度之外，GWP值同樣也是關(guān)注的重要指標(biāo)之一，它代表了混合氣體的環(huán)保性能。根據(jù)2006年5月17日發(fā)布的歐洲議會(huì)和理事會(huì)法規(guī)EC 842/2006《關(guān)于某些氟化溫室氣體》提到對(duì)混合氣體的GWP值的計(jì)算方法[12]：

Gz=x1·G1+x2·G2+…+xn·Gn

(4)

式中，x1、x2、…、xn為組分1、2、…n的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；G1、G2、…、Gn為組分1、2、…、n的GWP值。

SF6的GWP值為23 900，N2的GWP值為0。將數(shù)據(jù)代入式(4)可以求得混合比為20%、30%、40%的SF6/N2混合氣體的GWP值分別為13 524、16 511、18 561，分別是純SF6氣體的56%、69%、78%?？梢钥闯鍪褂肧F6/N2混合氣體來(lái)替代純SF6氣體可以顯著減少對(duì)環(huán)境的影響。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與方法

根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求搭建了SF6/N2工頻和直流絕緣實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)電路如圖2所示。

圖2 SF6/N2混合氣體交直流實(shí)驗(yàn)平臺(tái)電路

實(shí)驗(yàn)所用的交直流升壓變壓器內(nèi)部裝有用于整流的硅堆，可以通過(guò)一根控制棒對(duì)升壓變壓器產(chǎn)生的電壓進(jìn)行控制。將控制棒插入即可使硅堆短路，此時(shí)升壓變壓器產(chǎn)生工頻交流電；將控制棒取出則硅堆開(kāi)始正常工作，通過(guò)整流將產(chǎn)生的工頻交流電整流成為直流電壓。該升壓變壓器的低壓為200 V，高壓為100 kV，完全可以滿足實(shí)驗(yàn)需求。

電極選用球-球電極來(lái)模擬均勻電場(chǎng)，球電極的半徑為25 mm。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將腔體抽真空，再充入SF6、N2氣體。根據(jù)道爾頓分壓定律可知，在同一容器中各組分氣體的分壓力就代表該組分氣體在容器中的量[13-14]。所以充入的SF6和N2壓力之比應(yīng)為混合比，為保證充入氣體量的準(zhǔn)確性，應(yīng)先充入比例較小的氣體，后充入比例較大的氣體，充完氣體之后靜置24 h以保證氣體混合均勻。加壓時(shí)先快速增加到預(yù)估擊穿電壓的70%，然后以每秒3%的預(yù)估擊穿電壓的速率上升直至試品被擊穿。記錄此時(shí)的擊穿電壓，重復(fù)20次求平均值，每次實(shí)驗(yàn)間隔5 min以保證混合氣體完全恢復(fù)絕緣強(qiáng)度。直流實(shí)驗(yàn)方式與工頻類(lèi)似。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

SF6/N2混合氣體工頻絕緣實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示，折線圖如圖3所示。

圖3 不同壓強(qiáng)和混合方案下工頻SF6/N2混合氣體擊穿電壓有效值

表3 不同壓強(qiáng)和混合比下SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓有效值 單位：kV

可以看出隨著混合氣體中SF6比例增加，混合氣體的絕緣能力在上升，在SF6占20%時(shí)，混合氣體的絕緣能力在0.1～0.5 MPa分別達(dá)到了純SF6的62.6%～73.9%；繼續(xù)增加SF6的含量至SF6達(dá)到混合氣體的30%時(shí)，混合氣體的絕緣能力在0.1～0.5 MPa分別達(dá)到了純SF6的82.0%～85.0%當(dāng)SF6氣體在；混合氣體中的比例達(dá)到40%，此時(shí)混合氣體的絕緣能力在0.1～0.5 MPa時(shí)分別達(dá)到了純 SF6的88.5%～92.4%?？梢钥闯?，在提高SF6在混合氣體中比例時(shí)，氣體絕緣能力的提升出現(xiàn)了比較明顯的飽和現(xiàn)象，在比例達(dá)到30%之前，提升SF6含量對(duì)于混合氣體的絕緣能力有比較好的提升，在達(dá)到30%之后繼續(xù)提升可以看出氣體的絕緣能力雖然在增加，但增加的效果變得不如之前明顯，而且在SF6比例達(dá)到30%以后，混合氣體的絕緣強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了純SF6氣體的80%左右。綜合考慮混合氣體的絕緣強(qiáng)度和成本以及環(huán)保性能等，取混合氣體中SF6比例為30%是比較好的選擇。

SF6/N2混合氣體直流負(fù)極性絕緣實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示，折線圖如圖4所示。

表4 不同壓強(qiáng)和混合比下SF6/N2混合氣體直流負(fù)極性擊穿電壓 單位：kV

圖4 不同壓強(qiáng)和混合比下SF6/N2混合氣體直流負(fù)極性擊穿電壓

可以看出與工頻絕緣特性類(lèi)似，隨著混合氣體中SF6比例增加，混合氣體的絕緣能力在上升，在SF6占20%時(shí)，混合氣體的絕緣能力在0.1～0.5 MPa分別達(dá)到了純SF6的62.2%～72.3%；繼續(xù)增加SF6的含量至30%時(shí)，混合氣體的絕緣能力在0.1～0.5 MPa分別達(dá)到了純SF6的77.8%～82.6%；當(dāng)SF6氣體含量達(dá)到40%，此時(shí)混合氣體的絕緣能力在0.1～0.5 MPa時(shí)分別達(dá)到了純 SF6的83%～88.4%?？梢钥闯?，與工頻絕緣特性類(lèi)似，在提高SF6比例時(shí)，氣體絕緣能力的提升出現(xiàn)了比較明顯的飽和現(xiàn)象，在30%之前，提升SF6含量對(duì)于混合氣體的絕緣能力有比較好的提升，在達(dá)到30%之后繼續(xù)提升可以看出氣體的絕緣能力雖然在增加，但增加的效果變得不如之前明顯。而且在SF6比例達(dá)到30%以后，混合氣體的絕緣強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了純SF6氣體的80%左右。綜合考慮混合氣體的絕緣強(qiáng)度和成本以及環(huán)保性能等，取混合氣體中SF6比例為30%是比較好的選擇。

將純SF6氣體與混合比為30%的SF6/N2混合氣體的工頻擊穿電壓幅值與直流負(fù)極性擊穿電壓進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示?？梢钥闯?，直流負(fù)極性電壓下氣體的絕緣能力比工頻電壓下氣體的絕緣能力要強(qiáng)。這是由于在工頻電壓條件下，氣體間隙一般在更容易擊穿的半周內(nèi)擊穿。在所搭建的的實(shí)驗(yàn)條件下，氣隙更容易在交流電壓的正半周擊穿，負(fù)半周的耐壓能力更強(qiáng)，所以直流負(fù)極性的擊穿電壓會(huì)高于工頻擊穿電壓的幅值。

圖5 純SF6與SF6/N2混合氣體工頻幅值與直流負(fù)極性擊穿電壓對(duì)比

4 結(jié) 論

前面通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)不同混合比下的SF6/N2混合氣體的工頻絕緣特性和直流負(fù)極性絕緣特性進(jìn)行了測(cè)定，通過(guò)控制變量法對(duì)比分析了在不同混合比、不同外加電壓情況下混合氣體的絕緣特性，得到了如下結(jié)論：

1)工頻耐壓試驗(yàn)與直流負(fù)極性耐壓試驗(yàn)中，混合氣體的擊穿電壓都隨混合比的增加而增加，但混合比增加到30%左右時(shí)擊穿電壓增加的速度開(kāi)始減緩，此時(shí)混合氣體的絕緣能力大約為純SF6氣體的80%。

2)在其他條件相同的球-球電極條件下，SF6/N2混合氣體的直流負(fù)極性絕緣特性強(qiáng)于工頻絕緣特性。

3)SF6/N2混合氣體具有良好的絕緣性能，在部分應(yīng)用場(chǎng)合具有替代SF6氣體的潛力；混合比為30%，氣壓為0.5 MPa，混合氣體的液化溫度為-59.8 ℃，GWP值相較于純SF6氣體下降了31%，絕緣能力可以達(dá)到純SF6的80%左右，可以在一些嚴(yán)寒地區(qū)的GIL中替代純SF6氣體的使用。