N2絕緣介質在中壓開關領域的應用試驗研究

孫鵬程，王幫田，李炎光，王其中，張 毅，孫廣濤

（1.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000；2.許昌市質量技術監督檢驗測試中心，河南 許昌461000）

N2絕緣介質在中壓開關領域的應用試驗研究

孫鵬程1，王幫田1，李炎光1，王其中1，張 毅2，孫廣濤1

（1.許繼集團有限公司，河南 許昌 461000；2.許昌市質量技術監督檢驗測試中心，河南 許昌461000）

本文以環保型N2氣體作為新型開關設備的絕緣介質，通過工頻、擊穿特性試驗，研究了N2在不同壓力、電場結構中的擊穿特性。結果表明：隨絕對壓力的逐漸增加，N2氣體的工頻和擊穿電壓增加。此外，根據試驗研究以及理論推導，得出了在稍不均勻電場中，N2氣體與氣體絕對壓力之間的關系式。這些研究可為純N2氣體代替純SF6氣體在中壓開關領域的應用提供依據。

N2絕緣介質；中壓領域；環保；介電強度；擊穿特性

0 引言

隨著開關技術的不斷發展，工程建設復雜程度加大，可利用土地的逐漸減少，小型化、免維護、智能化的開關設備越來越受到人們的青睞，為此，國內外各公司以及科研院所紛紛大力開展充氣柜(C-GIS)在中壓領域的研制工作。由于SF6氣體具有優良的電氣滅弧和絕緣性能，當前絕大多數氣體絕緣開關設備均采用SF6氣體絕緣。但SF6氣體具有嚴重的溫室效應，在電弧作用下易分解出有毒氣體，且易液化、價格高等缺點都限制了SF6氣體的應用[1-6]。

近年來，隨著經濟社會的發展、環保意識的增強，人們迫切希望使用環保型氣體來替代SF6氣體。N2是大氣的主要組成成分，資源豐富，價格低廉，屬于一種非溫室效應的環保型氣體，不會對環境造成任何影響，此外，使用N2絕緣不僅能降低絕緣介質的成本，減小SF6氣體對局部電場畸變的敏感程度，而且還能解決SF6氣體的液化問題[6-9]。

在同等情況下N2的絕緣能力只有SF6氣體絕緣能力的25%～30%，為了滿足絕緣水平要求，需要通過提高絕緣氣體的工作壓力或增加開關設備的外形尺寸等手段來滿足要求。鑒于此，本文首先通過理論計算出不同壓力、不同電場結構下N2氣體的工頻擊穿場強和沖擊擊穿場強，然后再通過試驗的方式獲取在不同電場結構下、不同壓力下N2的電場擊穿特性，并對測試數據進行比較和分析，以便實現純N2氣體代替SF6氣體在氣體絕緣中壓開關領域運用的可行性。

1 N2氣體工頻介電強度

據國內外大量試驗研究表明，在工頻交流電壓下，在稍不均勻電場中純SF6氣體的介電強度可通過如下經驗公式[5]得出：

式(1)中，Ed(SF6)為稍不均勻電場下SF6氣體間隙介電強度，kV/cm；p為SF6氣體絕對壓力，MPa。由式(1)可得出純N2氣體在稍不均勻電場中的介電強度：

式(2)中Ed(N2)為稍不均勻電場下的N2氣體間隙介電強度，N2氣體的臨界場強E0=25～30[5]，式(2)中考慮到電場的結構取25，kV/cm；p為N2氣體絕對壓力，MPa。

在工頻交流電壓下，稍不均勻電場下的純N2與SF6氣體間隙介電強度曲線如圖1所示。

圖1 N2與SF6在不同氣壓下的工頻介電強度曲線

2 N2氣體沖擊介電強度

在沖擊電壓下，在稍不均勻電場中純SF6氣體間隙介電強度可通過如下經驗公式[5]得出：

式(3)中，Ep(SF6)為稍不均勻電場下SF6氣體間隙介電強度，kV/cm；p為SF6氣體絕對壓力，MPa。由式(3)可得出在稍不均勻電場中純N2氣體間隙的沖擊介電強度：

式中，Ep(N2)為稍不均勻電場下N2氣體的沖擊介電強度，E0為N2氣體的臨界場強，E0=25～30[5]，式(4)中考慮到電場的結構取28，kV/cm；p為N2氣體絕對壓力，MPa。在沖擊電壓下，稍不均勻電場下的純N2與SF6氣體間隙沖擊介電強度曲線如圖2所示。可以看出，在稍不均勻電場下，N2與SF6在不同氣壓下的沖擊介電強度曲線與工頻介電強度曲線類似，隨壓力的逐漸增加，N2與SF6氣體間隙的沖擊介電強度均逐漸增加。隨氣體絕對壓力的繼續增加，沖擊介電強度的增速逐漸減緩。在絕對壓力為0.37MPa時的N2介電強度與SF6在絕對壓力為0.1MPa時相當，介電強度75kV/cm。

圖2 N2與SF6在不同氣壓下的沖擊介電路強度曲線

3 N2氣體工頻擊穿特性

不同電場結構對擊穿電壓值影響非常大，工程上應用的主要是稍不均勻電場，因此通過試驗手段來研究稍不均勻電場結構下的工頻擊穿特性非常必要，這對合理設計氣體絕緣開關設備具有重要的指導和借鑒意義。

3.1 試驗設備及試驗方法

試驗設備及其接線如圖3所示。安裝電極時保證兩個電極間的距離d等于10mm，通過改變電極形狀模擬在稍不均勻電場結構(不均勻系數f為1.2～1.8)[6]、不同氣體絕對壓力(在0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5 MPa等9種氣體壓力)等條件下進行工頻擊穿試驗。試驗方法：工頻試驗電壓值升高到約70%預擊穿電壓后，以4kV/s的速率緩慢上升，直至擊穿為止。每類工況分別重復進行3次試驗，取其平均值[10-16]。

圖3 絕緣氣體工頻擊穿試驗電氣接線[6]

3.2 工頻擊穿試驗結果分析

通過工頻擊穿試驗測試，N2與SF6氣體在稍不均勻電場中的沖擊擊穿特性如圖4所示。可看出，隨氣體絕對壓力的增大，擊穿電壓升高，在絕對壓力約為0.37MPa時的N2的擊穿電壓與SF6在絕對壓力為0.1MPa時的擊穿電壓相當，擊穿電壓約為42kV。

圖4 N2與SF6在稍不均勻電場結構下的工頻擊穿電壓曲線

由于在工頻試驗設備上，只能通過電壓值來反應氣體在不同壓力下的工頻擊穿特性，故需要研究工頻擊穿電壓與氣壓的關系。現依據式(1)、(2)、本次工頻沖擊試驗數據，以及電場不均勻系數f[5]與工頻擊穿電壓U的關系得出擊穿電壓UN2：

式中，Ud(N2)為N2氣體間隙的工頻擊穿電壓，kV；f為電場不均勻系數；p為氣體絕對壓力，MPa；d為兩電極之間的距離，cm。

4 N2氣體沖擊擊穿特性

在長期運行過程中，氣體絕緣開關設備除了要承受長期的工頻工作電壓以外，還要承受不同類型的沖擊電壓作用。因此，研究沖擊電壓下氣體的絕緣特性具有重要的實際應用價值。

4.1 試驗設備及試驗方法

沖擊試驗設備及其接線如圖5所示。可看出，沖擊擊穿試驗的試驗條件與工頻擊穿試驗條件相同。試驗方法：沖擊擊穿電壓值由 50%升降電壓法來得到，取50%擊穿概率進行統計，每類工況進行6次試驗，取其平均值[10-16]。

圖5 絕緣氣體沖擊擊穿特性試驗電氣接線[6]

4.2 沖擊擊穿試驗結果分析

通過沖擊試驗測試，N2與SF6氣體在稍不均勻電場中的沖擊擊穿特性如圖6所示。可看出，沖擊擊穿特性與工頻擊穿特性類似。隨著氣體絕對壓力的增大，擊穿電壓升高，在絕對壓力約為0.37MPa時的N2的擊穿電壓與SF6在絕對壓力為0.1MPa時的擊穿電壓相當，擊穿電壓約為50kV。

圖6 N2與SF6在稍不均勻電場結構下的沖擊擊穿電壓曲線

依據式(3)、式(4)，試驗數據以及電場不均勻系數f[6]與純N2氣體的沖擊擊穿電壓值UN2的關系還可以得出如下公式：

式中，Up(N2)為N2氣體間隙的沖擊擊穿電壓，kV；f為電場不均勻系數；p為N2氣體絕對壓力，MPa；d為兩電極之間的距離，cm。

5 結論

1）通過對SF6氣體的介電強度理論經驗公式的研究，得出了N2氣體的介電強度與氣體絕對壓力的關系式。這為研究N2氣體作為絕緣介質在中壓開關領域的應用奠定了理論基礎。

2）隨氣體絕對壓力的逐漸增加，N2的擊穿電壓逐漸增大。在絕對壓力為0.37MPa時，N2的介電強度與SF6在絕對壓力為0.1MPa時相當。因此，在氣體絕緣開關設備上可通過適當提高N2氣體工作壓力的方法來代替純SF6氣體的技術方案是可行性的，這樣可有效減少SF6氣體使用量，減小溫室效應，有效保護環境，支持環保。

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Experiment Research on Application of Insulation Nitrogen in Field of Medium Voltage

SUN Peng-cheng1,WANG Bang-tian1,LI Yan-guang1,WANG Qi-zhong1,ZHANG Yi2,SUN Guang-tao2
(1.XuJi Group Corporation,Xuchang 461000,China; 2.Quality and Technical Supervision and Testing Center of Xuchang,Xuchang 461000,China)

The power frequency test and impulse test are conducted to research the breakdown characteristics of nitrogen under different pressure with nitrogen as the new insulating medium in a non-uniform electric field.The results show that the power frequency and breakdown voltage of the nitrogen increases with absolute pressure increasing.In addition,according to experimental research and theoretical,the relationship between nitrogen and gas absolute pressure is derived in the slightly non-uniform electric field.This study can provide experiment basis in the medium voltage switchgear for nitrogen instead of pure sulfur hexafluoride.The research can provide experiment basis for the application of nitrogen instead of sulfur hexafluoride in the field of medium voltage switchgear.

nitrogen insulated medium; field of medium voltage; environment protection; dielectric strength; breakdown characteristics

TM 21

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.010

孫鵬程（1976-），男，高級工程師，從事環保型氣體絕緣開關設備技術、地面自動過分相技術的開發與應用研究造。