應用SF6與N2混合氣體的氣體絕緣封閉開關殼體壓力與電場強度研究

王鳳智, 樓 丹, 傅正財

1. 上海交通大學 電子信息與電氣工程學院 上海 200240 2. 上海西門子高壓開關有限公司 上海 200245

1 研究背景

現有氣體絕緣封閉開關(GIS)的設計是依據絕緣介質為100%SF6進行的，近些年，GIS產品導體及殼體的設計原理并無變化，簡言之，GIS產品的設計是成熟設計[1]。但是由于SF6是溫室氣體并難以分解，因此越來越多的廠家正在研究新氣體或者混合氣體以替代SF6。混合氣體的應用可有效減少SF6氣體排放量，而對生產廠家而言，混合氣體的使用還需要兼顧產品成本[2]。因此，在不更改設計的前提下，能實現混合氣體的應用尤為重要。筆者就典型 550kV 母線段的設計進行分析，結合產品的電場仿真和壓力試驗兩個因素，計算出合理的30%SF6、70%N2條件下的充氣壓力，同時通過型式試驗驗證仿真計算結果。

2 氣體含量比例對介電性能的影響

SF6是具有良好介電性能的氣體，負電性和二次復合特性是其廣泛應用于高壓開關設備的重要原因。與SF6混合的氣體有CF4、N2等，已有試驗結果表明，N2在絕緣性能上優于CF4，而CF4在滅弧性能上優于N2[3-5]。因此在靜態模塊中，SF6與N2的組合被廣泛應用，比如在氣體絕緣輸電線路產品中，選擇20% SF6、80% N2作為絕緣氣體[6-7]。對于GIS而言，其內部電場均勻程度明顯低于氣體絕緣輸電線路產品，這是由于GIS在模塊設計中很難實現同軸圓柱電場，同時更多的鑄造零件出現在主回路中也增加了電場分布的不均勻程度。基于對混合氣體的研究，在表壓 4bar(1bar=0.1MPa)狀態下，不同SF6百分比的混合氣體最高電場強度如圖1所示。

圖1 混合氣體最高電場強度

由圖1可見，伴隨SF6含量的變化，其絕緣性能也有所變化，這種變化并非線性變化。因此，在選擇氣體比例時應綜合考量模塊的絕緣性能和殼體的機械性能兩方面需求，通過計算和試驗找到兩方面需求的平衡點。

3 殼體設計壓力與模塊電場強度

降低SF6含量或提高充氣壓力是混合氣體應用于現有產品而不進行產品殼體設計更改的兩種方法，同時，SF6含量的減小必然導致絕緣能力的下降，而保持絕緣能力則需要提高充氣壓力來彌補。對生產廠家而言，設計出能夠兼顧使用100% SF6和SF6混合氣體的產品才是最優選擇。因此，首先需確認現有產品殼體壓力的設計裕度。

針對相關模塊殼體的爆破試驗匯總結果見表1，可見母線所涉及的殼體均有良好的裕度，即便設計壓力有所提升，也并不影響產品的性能。而絕緣子自身的設計壓力也已滿足提升壓力的需求。表1相關殼體中，爆破的最低壓力出現在膨脹節殼體，其爆破值為4.14MPa。因此初步核算設計壓力應在8bar及以下，可降低爆破試驗失敗的風險。

表1 殼體爆破試驗結果

對于最低功能壓力，通常是根據模塊的電場狀況確定的。由于在應用混合氣體的狀態下要盡量維持原設計不變，因此最低功能壓力要盡量保證絕緣裕度。為了正確評估產品狀況，針對典型靜態模塊進行仿真，電場分布較不均勻的模塊出現在T型模塊上。由于該模塊設計大部分采用鑄造零件，在一定程度上限定了混合氣體母線的最低功能壓力。圖2所示為T型模塊電壓及電場分布仿真結果，可見對于鑄件而言，其電場強度在27.6kV/mm左右。

圖2 T型模塊仿真結果

圖3所示為100% SF6氣體和30%SF6、70% N2混合氣體在不同充氣壓力下的允許電場強度[8-11]。根據鑄件在4bar、100%SF6氣體中的最大場強推算，在30%SF6、70% N2混合氣體中如需獲得與100%SF6氣體同等的絕緣能力，其最低功能壓力需要從4bar提升至5.5bar。

圖3 氣體允許電場強度

通過電場計算確認30%SF6、70%N2混合氣體壓力在5.5bar及以上可以滿足絕緣的需求。在 20℃ 時額定充氣壓力需考慮兩方面，一方面是產品本身的泄漏，另一方面是SF6密度繼電器自身的誤差[12-15]。在確認最低功能壓力后，可計算20℃下額定的充氣壓力Prm：

=5.839bar≈6bar

式中：Pmm為最低功能壓力，Pmm=5.5bar；l為泄漏率，l=0.1%；n為工作年限，n=25a；0.2bar為密度繼電器精度誤差。

在GIS帶電運行狀態下，主回路電流產生熱量導致殼體溫度升高，根據國家標準規定，該溫度的升高不得超過國家標準允許的范圍。由于殼體為可觸及部分，因此最大溫升值為30K。在同等體積下殼體內部的壓力會隨溫度的升高而升高，有：

(1)

式中：P1為常溫壓力，P1=6bar(相對壓力)，7bar(絕對壓力)；T1為20℃時的熱力學溫度，T1=273+20=293K；T2為溫升狀態下的熱力學溫度，T2=273+Tmax=353K；Tmax為最高溫度，Tmax=Tworking+S+?=40℃+10℃+30℃=80℃；Tworking為環境溫度；S為太陽輻射引起的溫升；?為殼體溫升允許值。

由式(1)推算，P2=P1T2/T1=8.43bar(絕對壓力)。此處考慮理想氣體狀態方程與實際溫升狀態略有差異，并考慮足夠裕度，取最大功能壓力為8.5bar(絕對壓力)，設計壓力Pd圓整為8bar(相對壓力)。

在提高殼體的設計壓力及開關設備的額定充氣壓力后，和壓力相關的設備也需要重新進行校核，并選擇合適的型號，因此對防爆膜的壓力進行如下核算[16-17]：

防爆膜最低爆破壓力Pbmin為：

Pbmin=Pd×100%/85%=9.41bar

防爆膜最高爆破壓力Pbmax為：

Pbmax=Pbmin×(1+10%)=10.35bar

防爆膜爆破壓力Pbmid為：

Pbmid=(Pbmin+Pbmax)/2=9.88bar

由此根據產品的狀態，確定最低功能壓力為5.5bar，殼體設計壓力為8bar，其防爆膜的爆破范圍應在9.4～10.4bar范圍內。根據計算得出的防爆膜壓力范圍，替換原產品使用的防爆膜以滿足混合氣體對壓力的要求。同時根據設計壓力Pd核算爆破試驗壓力。

鑄件殼體的爆破壓力Pb1為：

Pb1=Pd×3.5÷0.8÷0.875=40bar

鑄造殼體并焊接殼體的爆破壓力Pb2為：

Pb2=Pd×3.5÷0.7=40bar

4 型式試驗驗證

基于前述計算分析的結果，使用30%SF6、70% N2混合氣體，在現有產品無任何更改的前提下，模塊的最低功能壓力從原有的4bar提升至 5.5bar，故可使用30% SF6、70% N2混合氣體替代100% SF6氣體。試驗樣機布置考慮母線結構中涉及的相關模塊，如波紋管、膨脹節，以及不同形態的T型模塊。

雷電沖擊試驗的充氣壓力為5.5bar，為母線及相關模塊的最低功能壓力。混合氣體中SF6含量為28.4%，N2含量為71.6%。試驗電壓為 1675kV，雷電沖擊耐受電壓試驗結果見表2。由試驗結果可見，該混合氣體狀態下可以保證絕緣裕度。同時，該試驗樣機的操作沖擊、工頻耐壓和局部放電試驗也均滿足國家標準要求[18-19]。

表2 雷電沖擊耐受電壓試驗結果

爆破試驗結果見表3，殼體的爆破試驗結果與之前的分析結果基本相同。絕緣子的設計壓力為 8bar，其試驗結果在34～48bar之間，顯示性能非常優異。殼體和絕緣子的爆破試驗現場如圖4所示，比照前述的殼體設計壓力計算和過往試驗記錄，確認兩者的結果一致。

表3 爆破試驗結果

圖4 爆破試驗現場

5 結論

從試驗和計算結果兩方面來看，30%SF6、70%N2混合氣體在靜態模塊中可以替代100%SF6氣體應用于GIS產品。綜合考量設計與成本，在不更改現有設計的情況下，合理應用混合氣體，在裕度許用范圍內提高殼體的設計壓力，以改善混合氣體帶來的絕緣性能下降。

在應用新的技術時，最有效的方法是研究原有技術和新技術的差異，從而節約研發成本。考慮功能和成本的要求，應綜合考慮殼體設計強度和電場強度，并對結果進行聯合分析。

合理的SF6混合氣體比例可以保證GIS的絕緣強度，在靜態模塊，如通管、T型模塊等中可以達到預期的絕緣強度。合理的SF6混合氣體比例應根據現有產品的設計及零件的表面狀況進行評估。值得注意的是，鑄造零件的應用增大了零件質量控制的難度，在使用時應關注鑄造零件的表面質量。

合理的SF6混合氣體比例可以在不更改殼體設計的同時滿足提升設計壓力的需求。GIS產品兼有100%SF6氣體和30%SF6、70%N2混合氣體作為絕緣介質的功能，將有效降低生產廠家的制造成本。

[1] 楊曉艷.電子式互感器在氣體絕緣開關設備中的應用[J].上海電氣技術，2016，9(3)： 73-75，79.

[2] 黎斌.SF6高壓電器設計[M].4版.北京： 機械工業出版社，2015.

[3] 肖登明，李彥明，邱毓昌.湯遜脈沖法測量SF6/N2的預放電參數[J].西安交通大學學報，1996，30(2)： 7-13.

[4] 湯昕，廖四軍，楊鑫.SF6混合/替代氣體絕緣性能的研究進展[J].絕緣材料，2014，47(6)： 18-22.

[5] 劉雪麗.SF6替代氣體的蒙特卡羅模擬與實驗研究[D].上海： 上海交通大學， 2008.

[6] 楊冬.SF6、N2及其混合氣體絕緣特性實驗研究[D].哈爾濱： 哈爾濱理工大學， 2006.

[7] 趙虎，李興文，賈申利.SF6及其混合氣體臨界擊穿場強計算與特性分析[J].西安交通大學學報，2013，47(2)： 109-115.

[8] 林莘，李鑫濤，徐建源，等.均勻電場下SF6氣體擊穿電壓的數值計算及光譜實驗研究[J].中國電機工程學報，2016，36(1)： 301-309.

[9] 湯浩.直流GIL絕緣特性及其絕緣優化的研究[D].成都： 西南交通大學，2005.

[10] 蔣英圣，姜燕君，林浩，等.同軸場中SF6及SF6/N2混合氣體交流擊穿特性及導電微粒的影響[J].高電壓技術，1988，14(1)： 24-30.

[11] 李學斌，黃旭，趙義松，等.短間隙SF6/N2混合氣體放電的光譜實驗研究[J].高壓電器，2016，52(7)： 55-60，67.

[12] 王俊，田剛領，張國躍，等.懸浮電位引起電場放電的計算分析[J].電氣開關，2010(5)： 70-71，74.

[13] 孫茁，薛源，郭宏偉.126kV GIS設備典型故障分析與處理[J].高壓電器，2010，46(11)： 95-98，102.

[14] 六氟化硫氣體密度繼電器校驗規程： DL/T 259—2012[S].

[15] 壓力式六氟化硫氣體密度控制器： GB/T 22065—2008[S].

[16] 朱芳菲，孟玉嬋，鄭鉉.六氟化硫氣體分析技術[M].北京： 兵器工業出版社，1998.

[17] 陳曉清，彭華東，任明，等.SF6氣體分解產物檢測技術及應用情況[J].高壓電器，2010，46(10)： 81-84，89.

[18] 朱德恒，嚴璋.高電壓絕緣[M].北京： 清華大學出版社，1992.

[19] 徐國政，張節容，錢家驪，等.高壓斷路器原理和應用[M].北京： 清華大學出版社，2000.