SF6/N2混合氣體在126kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設備中的應用

戴 振 王通德 朱振華

SF6/N2混合氣體在126kV氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設備中的應用

戴 振1,2王通德1朱振華2

（1. 江蘇南瑞恒馳電氣裝備有限公司，江蘇 無錫 214161；2. 無錫恒馳中興開關(guān)有限公司，江蘇 無錫 214161）

在役的大部分氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設備（GIS）使用絕緣性能較好的SF6氣體作為絕緣介質(zhì)。為實現(xiàn)“雙碳”目標，開展絕緣氣體的替代研究以控制SF6氣體的使用與排放有助于提升電力設備的環(huán)境友好性。為實現(xiàn)SF6/N2混合氣體在126kV GIS中的應用，首先確定126kV SF6/N2混合氣體型GIS的基本參數(shù)，并通過建立各單元的有限元模型進行仿真計算，驗證了設計的可行性。型式試驗的順利通過表明，在維持現(xiàn)有GIS結(jié)構(gòu)的前提下，適當混合比及充氣壓力的SF6/N2混合氣體能保證GIS的正常運行。

六氟化硫（SF6）替代；SF6/N2混合氣體；絕緣性能；溫升性能；力學性能；有限元仿真

0 引言

SF6氣體因具有優(yōu)異的絕緣和滅弧性能被廣泛應用于電氣設備中。SF6氣體的全球升溫潛能值是CO2的23 900多倍，其在空氣中能夠穩(wěn)定存在3 200多年，是《京都議定書》及其多哈修正案中禁止排放、生產(chǎn)和消費的溫室氣體之一[1-3]。為應對全球氣候變化，減少溫室氣體排放，國內(nèi)外都致力于尋找可以替代純SF6的環(huán)境友好型氣體[4-5]。

N2具有液化溫度低、成本低、環(huán)保性能優(yōu)異等特點，SF6/N2混合氣體是一種具備推廣應用前景的絕緣氣體[6-8]。以SF6/N2混合氣體代替純SF6氣體作為氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設備（gas insulated switchgear, GIS）絕緣介質(zhì)的方案能顯著減少SF6氣體使用和排放量。

本文針對SF6/N2混合氣體型126kV GIS開展產(chǎn)品研制工作。首先，選取混合氣體的混合比、充氣壓力，給出設備的主要技術(shù)參數(shù)；其次，設計絕緣性能、溫升性能及力學性能的仿真模型，驗證方案的可行性；最后，型式試驗的順利通過為該方案的工程化應用提供了有力支撐。

1 混合氣體型GIS的基本參數(shù)

1.1 混合比的選取

在高純N2中加入少量SF6可使氣體的擊穿電壓大幅提高，當SF6體積分數(shù)達到20%時，SF6/N2混合氣體的擊穿電壓達到純SF6氣體的80%左右；SF6體積分數(shù)超過30%后，擊穿電壓的增長逐漸趨緩[9-12]；另一方面，N2的導熱性能不及SF6氣體[13]。為綜合考慮混合氣體型GIS的絕緣性能與溫升性能，確定采用SF6與N2混合比為3:7的混合氣體。

1.2 充氣壓力的選取

在SF6占比較低的情況下，SF6/N2混合氣體的壓力應高于純SF6氣體的壓力以維持原有的沖擊電壓耐受強度[14-15]，但氣體用量及殼體的制造難度也會加大。當30%SF6:70%N2的混合氣體壓力為純SF6氣體壓力的1.33倍時其電壓耐受強度與純SF6氣體相當[16]，因此確定將混合氣體氣壓提高到純SF6氣體時的1.33倍。

1.3 主要技術(shù)參數(shù)

采用混合氣體的GIS與純SF6氣體GIS的主要技術(shù)參數(shù)對比見表1?；旌蠚怏w型GIS殼體壓力要求值見表2。

表2 混合氣體型GIS殼體壓力要求值

2 可行性研究

絕緣介質(zhì)的改變將對氣體的絕緣性能、溫升性能和力學性能產(chǎn)生影響。

2.1 絕緣性能

分別對混合氣體型126kV GIS的隔離開關(guān)單元與母線單元進行電場校核，計算出高壓導體表面、接地電極表面、絕緣件表面切向、金屬嵌件表面的電場強度，均在混合氣體設備判據(jù)[17]范圍內(nèi)且有一定的裕度，混合氣體型126kV GIS的絕緣強度滿足要求。隔離開關(guān)單元電場計算校核結(jié)果見表3，母線單元電場計算校核結(jié)果見表4。

表3 隔離開關(guān)單元電場計算校核結(jié)果

表4 母線單元電場計算校核結(jié)果

2.2 溫升性能

GIS的熱量交換方式有傳導、輻射與對流三種。其中，熱傳導、熱輻射與絕緣氣體的關(guān)系不大，熱對流與氣體介質(zhì)有直接關(guān)系。SF6/N2混合氣體與純SF6的傳熱系數(shù)可通過式（1）計算[18-19]。

由式（1）可得，在混合氣體與純SF6氣體壓力比一定時，高壓導體溫升值滿足的關(guān)系為

根據(jù)式（1）、式（2），參考0.38MPa純SF6氣體GIS導體的溫升數(shù)據(jù)推算出以混合氣體為絕緣介質(zhì)時的溫升值，推算值均在標準允許范圍內(nèi)。關(guān)鍵位置溫升值對比見表5。

表5 關(guān)鍵位置溫升值對比 單位: K

2.3 力學性能

原殼體和隔板均已按額定壓力0.76MPa、破壞壓力2.3MPa進行設計，應能滿足混合氣體額定壓力0.6MPa的承壓要求。對既有殼體及隔板進行強度復核，結(jié)果顯示均在判據(jù)范圍內(nèi)。應力仿真輸入?yún)?shù)及結(jié)果見表6。

表6 應力仿真輸入?yún)?shù)及結(jié)果 單位: MPa

2.4 母線轉(zhuǎn)換電流開合性能

SF6/N2混合氣體的滅弧能力低于SF6氣體[20]，這會導致燃弧時間增加，影響母線轉(zhuǎn)換電流開合性能。2022年11月，開展30V、1 600A的母線轉(zhuǎn)換電流摸底試驗未通過，動觸頭燒蝕情況如圖1所示，可見觸頭燒蝕嚴重，基本結(jié)構(gòu)已被破壞，需進行設計改進。

圖1 動觸頭燒蝕情況

在保證產(chǎn)品絕緣裕度的前提下，改進靜觸頭的設計，靜觸頭改進前后對比如圖2所示。同時，在動觸頭及靜觸頭上增加銅鎢材料，以提高抗燒蝕能力。

圖2 靜觸頭改進前后對比

3 試驗驗證

3.1 絕緣試驗

混合氣體型126kV GIS絕緣試驗樣機如圖3所示，包括三工位隔離接地復合開關(guān)、快速接地開關(guān)、電流互感器、套管和母線等。樣機按照比例充入0.53MPa最低功能壓力SF6/N2混合氣體，于2023年1月在河南省高壓電器研究所有限公司順利通過了型式試驗，包括正負極性雷電沖擊電壓試驗、短時工頻耐受電壓試驗和局部放電試驗，試驗結(jié)果滿足標準要求。

圖3 混合氣體型126kV GIS絕緣試驗樣機

3.2 溫升試驗

按要求在混合氣體型126kV GIS的氣體、外殼、導體、滑動和固定連接部位、接線端子等部位三相埋設熱電偶測量溫升值。混合氣體型126kV GIS溫升試驗樣機如圖4所示。該樣機于2023年2月進行了試驗電流為3 465A的溫升型式試驗，試驗數(shù)據(jù)見表7，均在允許值之內(nèi)。

圖4 混合氣體型126kV GIS溫升試驗樣機

表7 溫升試驗數(shù)據(jù) 單位: K

3.3 水壓破壞試驗

2023年3月，分別對殼體及隔板進行水壓破壞試驗，如圖5、圖6所示。殼體打壓至2.42MPa未見破壞，隔板打壓至3.21MPa未見破壞，滿足破壞壓力＞2.3MPa的要求。

圖5 殼體的水壓破壞試驗

3.4 母線轉(zhuǎn)換電流開合試驗

觸頭改進后的混合氣體型126kV GIS于2023年3月進行30V、1 600A母線轉(zhuǎn)換電流開合試驗。型式試驗后隔離開關(guān)分合閘操作正常，觸頭有輕微燒蝕。母線轉(zhuǎn)換電流開合試驗前后觸頭外觀對比如圖7所示。

圖6 隔板的水壓破壞試驗

圖7 母線轉(zhuǎn)換電流開合試驗前后觸頭外觀對比

4 結(jié)論

本文首先通過理論分析確定SF6/N2混合氣體的混合比及充氣壓力，再通過有限元仿真驗證了維持現(xiàn)有結(jié)構(gòu)也能滿足絕緣氣體改變的產(chǎn)品性能要求，最后各項型式試驗的順利通過驗證了使用SF6/N2混合氣體作為絕緣氣體的合理性及結(jié)構(gòu)性能的可靠性?；旌蠚怏w型126kV GIS的成功研制不僅為混合氣體型高壓電器的推廣應用奠定了基礎，還為開發(fā)其他電壓等級的環(huán)保型GIS指明了方向。

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Application of SF6/N2mixture in 126kV gas insulated switchgear

DAI Zhen1,2WANG Tongde1ZHU Zhenhua2

(1. Jiangsu NARI Hengchi Electrical Equipment Co., Ltd, Wuxi, Jiangsu 214161;2. Wuxi Hengchi CHEM Switchgear Co., Ltd, Wuxi, Jiangsu 214161)

Most gas insulated switchgear (GIS) in service use SF6with better insulation properties as the insulating medium. For the achievement of carbon peaking and carbon neutrality goals, research on the replacement of insulating gas to control the use and emission of SF6gas is helpful to improve the environmental friendliness of power equipment. In order to realize the application of SF6/N2mixtures in 126kV GIS, the basic parameters of 126kV SF6/N2mixture GIS are first determined, while the feasibility of the design is verified by establishing the finite element model of each unit. The type test shows that on the premise of maintaining the existing GIS structure, a mixture of SF6/N2with appropriate mixing ratio and inflation pressure can ensure the normal operation of GIS.

SF6alternative; SF6/N2mixture; insulation performance; temperature rise performance; mechanical performance; finite element simulation

2023-06-27

2023-07-18

戴 振（1996—），男，江蘇大豐人，碩士，助理工程師，研究方向為高壓組合電器的新產(chǎn)品研發(fā)、調(diào)試、試驗，以及電力工程項目前期方案編制及結(jié)構(gòu)設計。

江蘇南瑞恒馳電氣裝備有限公司科技項目“混合氣體型126kV GIS產(chǎn)品研制”（524647220001）