SF6/N2混合氣體應用于GIS設備的研究

摘 要：為應對全球溫室效應，要減少GIS設備中溫室氣體SF6的使用量。本文以SF6/N2混合氣體代替SF6應用于GIS設備，建立了SF6/N2混合氣體的絕緣強度與純SF6絕緣強度之間的關系，以及相等絕緣強度下的氣壓關系，同時，給出了SF6/N2混合氣體溫升的簡易計算方法，為其工程化應用提供了依據。

關鍵詞：SF6/N2混合氣體；絕緣特性；溫升特性

中圖分類號：TM564 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）10-0057-02

Applied Research of SF6/N2 Gas Mixtures Used in GIS

YAN Feiyue QIN Xiaoyu ZHANG Lei MA Zhiqiang

（Henan Pingzhi High-voltage Switchgear Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467013）

Abstract： Engineering application of SF6/N2 gas mixtures used in GIS was research in this paper to reduce the use of greenhouse gas SF6 in GIS equipment in response to the global greenhouse effect. The relationship of the insulation strength between SF6/N2 gas mixtures and pure SF6 was established. Also， the pressure relationship under dielectric strength was studied. Meanwhile， the simplified calculation method of temperature rise in SF6/N2 gas mixtures was discussed. All of those provide the basis for engineering application of SF6/N2 gas mixtures.

Keywords： SF6/N2 gas mixtures；insulation characteristics；temperature rise characteristics

我國能源分布的不均衡性，使遠距離大容量輸電成為必然。氣體絕緣金屬封閉開關設備（GIS）作為輸變電環節的源頭設備，對電網的安全運行起著至關重要的作用。SF6氣體以其絕緣能力強、滅弧性能好等優點在GIS中得到廣泛應用。但是，SF6也是被《京都議定書》列為需要限制使用的溫室氣體之一[1]，其溫室效應是等量CO2氣體的23 900倍。為了減少GIS中SF6氣體的使用量，尋找替代SF6的絕緣氣體迫在眉睫。遺憾的是，到目前為止，人們仍沒有找到可以完全替代SF6的單一絕緣氣體。

針對上述問題，目前比較好的解決方案是選擇一種背景氣體，與SF6組成混合氣體，作為GIS的絕緣氣體，SF6/N2混合氣體以其優良的絕緣性能、較低的溫室效應等優點受到學者的青睞。但前人的研究更多的是基于特定電極、特定工況展開的理論和試驗研究。本文對SF6/N2混合氣體在GIS母線中應用的絕緣和溫升問題進行研究，為其工程化應用提供依據。

1 SF6/N2混合氣體絕緣特性的應用研究

假定混合氣體中SF6的體積分數為x，那么在[x≥0.1]的情況下，SF6/N2混合氣體的絕緣強度與純SF6的絕緣強度之比[RE]可以用式（1）表示：

[RE=x0.18] （1）

從De Broe A M等學者[2]的研究可知，氣體絕緣強度[Ep]與充氣壓力P之間的關系可表示為：

[EP=E0.110Pn] （2）

式（2）中，[E0.1]是氣壓P=0.1MPa時的擊穿場強。n是電極表面粗糙系數，電極表面光滑時，n=0.85～0.9；電極表面較粗糙時，n=0.7～0.75；對于工程中表面一般光滑的電極，取n=0.8。那么，綜合式（1）和式（2）可知，相等絕緣能力的SF6/N2混合氣體與純SF6氣體所需要的氣壓之比[Rp]滿足以下關系：

[RP=PmixPsf6=x-0.225] （3）

為了描述隨著混合氣體中SF6體積分數的變化，混合氣體相對于純SF6氣體的絕緣強度變化趨勢，以及相等絕緣能力的SF6/N2混合氣體與純SF6氣體所需要的氣壓之比的變化趨勢，繪制如圖1所示的曲線。其中，曲線Ⅰ表示氣壓相等時混合氣體與純SF6的絕緣強度之比隨SF6含量x的變化關系；曲線Ⅱ表示相等絕緣能力的混合氣體與純SF6所需壓力之比隨SF6含量x的變化關系。

在實際工程中，可以根據圖1對混合氣體成分及滿足絕緣強度的氣壓進行協調設計，確定合理的氣體成分及對應的氣壓。

2 SF6/N2混合氣體溫升特性的應用研究

GIS設備在正常運行過程中，必須保證各部分的溫度在一定范圍內，否則將會造成絕緣或結構破壞，或導致壽命降低，給電網的安全運行帶來危害。

設備通過電流時，會由于電阻發熱、渦流等因素，使電能轉化為熱能，成為設備的發熱源。高壓側導體熱量通過混合氣體傳遞到低壓側殼體，殼體通過大氣散熱。當發熱量與散熱量相等時，設備的溫升穩定，此時，熱量交換關系為：

[pdt=KTAτdt] （4）

式（4）中，[p]為系統的發熱功率（W）；[dt]為時間間隔（s）；[KT]為綜合散熱系數（W/m2K）；[A]為散熱面積（m2）；[τ]為溫升（K）。

由此可知：相同母線結構通過相同電流時，混合氣體母線與純SF6母線相比，總發熱量不變，殼體向大氣的散熱面積及散熱系數不變，那么殼體的溫升不變。同理，導體相對殼體的溫升與絕緣氣體的綜合散熱系數成反比。采用混合氣體絕緣與采用純SF6絕緣各部位溫升變化關系見圖2。

圖2中，[T0]為環境溫度，[T1]為殼體溫度，[T2]為高壓側導體溫度，[Q1]為殼體發熱量，[Q2]為導體發熱量。采用混合氣體絕緣與采用純SF6絕緣的低壓側殼體溫升相等，即

[τ1，mix=τ1，sf6] （5）

高壓側導體相對于低壓側殼體溫升與絕緣氣體的綜合傳熱系數成反比，即

[τ2，mix-τ1τ2，sf6-τ1=wsf6wmix] （6）

氣體介質傳熱時，對流效應起主導作用，用對流傳熱系數表示綜合傳熱系數可以滿足工程要求。從W.Boeck等學者[3]的研究可知，SF6/N2混合氣體與純SF6氣體的對流傳熱系數滿足式（7）：

[wmixwsf6=x+1.572.57pmixpsf60.6] （7）

綜合式（5）至式（7），可以得到不同SF6體積分數下，混合氣體母線高壓側溫升與混合氣體壓力之間的關系，可以在純SF6母線結構及其溫升試驗數據的基礎上，預計特定氣壓下混合氣體母線的溫升值。同樣，可以計算混合氣體母線滿足特定溫升值所需要的最低氣壓，這為工程上的溫升設計提供依據。

3 結論

本文從混合氣體擊穿場強的經驗公式出發，建立了混合氣體的絕緣能力與純SF6氣體的絕緣能力的關系，并得到二者達到相同絕緣能力所需氣壓的關系；對系統發熱因素和散熱因素展開研究，得到混合氣體母線溫升簡易計算方法；對SF6/N2混合氣體中SF6氣體使用量進行計算，采用SF6/N2混合氣體絕緣可以有效減少SF6氣體使用量。

參考文獻：

[1]鄧云坤，肖登明，陳炯.CF3I-N2混合氣體作為SF6替代氣體用于GIS/C-GIS的絕緣性能分析[J].高電壓技術，2013（9）：2288-2293.

[2] De Broe A M，Julian A L，Lipo T A. Neutral-to-ground voltage minimization in a PWM-rectifier/inverter configuration[J]. Electric Machines Power Systems，1998（7）：741-748.

[3] W. Boeck，T.R. Blackburn，A.H. Cookson，et al. N2/SF6 Mixtures for Gas Insulated Systems[J].Cigre TechnicalBrochure，2004（10）：260.