低溫條件下SF6混合氣體的絕緣特性及配比優化技術

李國強

(國網黑龍江省電力有限公司電力科學研究院，哈爾濱 150030 )

0 引 言

SF6氣體因具有良好的絕緣和滅弧特性而在氣體絕緣設備中得到廣泛使用[1-4]，但是，SF6氣體是一種嚴重導致溫室效應的氣體，其全球變暖潛能指數是二氧化碳的24 000倍，被列入受限排放的6種溫室效應氣體之一。相比之下，其他絕緣氣體的全球變暖潛能系數則較低，如CF4是6 500，而N2是0。同時，SF6氣體液化溫度較低，難以滿足電力設備在低溫寒冷地區的運行要求，容易引發故障[5-6]。為了改善SF6氣體絕緣設備的不足，對SF6混合氣體絕緣特性的研究一直是人們關注的熱點[7]。

對SF6混合氣體方面的研究主要是針對SF6與CO2、N2、CF4等惰性氣體的混合，旨在通過混入這些氣體以減少SF6氣體的使用量，同時通過混入更低液化溫度的氣體以降低混合絕緣氣體的液化溫度[8-11]。目前，國內外研究及工程應用的混合氣體主要有以下兩種：SF6和N2混合、SF6和CF4混合。其中，對于SF6和N2混合氣體的研究已經有了一定的成果并得到了初步的實際應用[12-14]。

盡管對于SF6+N2混合氣體絕緣性能的研究已有較多報道，但現有研究對象主要是充氣壓強為0.1～0.4 MPa、混合比例為50%～100%的混合氣體，目前仍缺乏以下幾個方面的研究：1)低溫下混合氣體工作特性的研究及不同溫度下的特性對比；2)高壓強低比例SF6混合氣體絕緣特性的試驗研究；3)最優混合比例的研究。

基于試驗手段，從以下幾個方面開展研究：1)研究低溫下SF6+N2混合氣體絕緣性能，并進行不同溫度下的對比研究，通過試驗研究為混合氣體在低溫下的應用提供參考；2)進行0.4～0.7 MPa、SF6占比為10%～40%的絕緣性能試驗，研究氣體壓強、SF6比例、電壓類型和極性等因素對絕緣性能的影響；3)進行最優混合比例研究，得到最優的應用比例及對應的充氣壓強。

1 試驗平臺

為了研究混合氣體在不同工況下的放電特性，搭建了工頻電壓和雷電沖擊電壓試驗平臺，工頻電壓下氣體放電特性試驗電路圖如圖1所示。試驗變壓器型號為YDTCW-3×500 kV/1 500 kVA，保護電阻阻值為1 MΩ，電容分壓器額定電壓為1 500 kV，分壓比為998∶1。在進行擊穿試驗時需要將局部放電檢測儀取下，防止擊穿瞬間由于放電過于強烈而損壞局放儀。

1.調壓器；2.隔離變壓器；3.無暈試驗變壓器；4.保護電阻；5.電容分壓器；6.電壓測量儀或局部放電檢測儀；7.溫度和壓力傳感器。

雷電沖擊擊穿試驗電路圖如圖2(a)所示。沖擊電壓發生器標稱電壓3 600 kV，標稱能量360 kJ，共18級，級電容1 μF，級電壓200 kV，采用雙邊充電方式，用電容分壓器測量沖擊電壓，可在控制室的電腦上顯示沖擊電壓波形。預估本試驗可能達到的最大50%擊穿電壓U50%低于500 kV，故將原有發生器改為7級，便于球隙自動觸發。在進行雷電沖擊試驗之前，需保證沖擊電壓波形符合國標規定，即波前時間T1為1.2 μs±30%，半峰值時間T2為50 μs±20%。通過調整波頭電阻為70 Ω、波尾電阻為70 Ω/3 300 Ω，可使波形滿足標準雷電波要求，如圖2(b)所示，此時波前時間為0.95 μs，半峰值時間為48.20 μs，滿足試驗要求。

圖2 雷電沖擊擊穿試驗電路和沖擊電壓波形

2 試驗結果分析

2.1 溫度對混合氣體絕緣性能的影響

在球-板電極和棒-板電極下分別研究了SF6+N2混合氣體的工頻擊穿電壓與溫度的關系，球-板電極與棒-板電極下的試驗結果分別如圖3和圖4所示。圖中，r表示混合氣體中SF6氣體的體積占比值，p表示0 ℃下氣體充氣壓強的絕對值。從圖3、圖4中可以看出，對于圖示壓強和混合比例的SF6+N2混合氣體，在混合氣體不發生液化的溫度條件下，球-板電極和棒-板電極下的混合氣體工頻擊穿電壓隨溫度的改變而變化較小，說明在此條件下溫度對工頻擊穿電壓的影響較小。對比不同SF6含量的氣體工頻擊穿特性可以看出，0.4 MPa純SF6氣體在在-35 ℃以下發生液化失去氣體絕緣性能。相比之下，SF6+N2混合氣體的耐低溫特性更理想，在-50 ℃下仍然保持良好的絕緣特性。以上結果與碰撞電離學相吻合，混合氣體不發生液化的情況下，固定體積中的氣體分子數密度不隨溫度改變，氣體分子在相同電場下碰撞的幾率近乎相同，即具有近乎相等的擊穿場強。

圖4 棒-板電極下SF6+N2混合氣體工頻擊穿電壓與溫度的關系

圖3 球-板電極下SF6+N2混合氣體工頻擊穿電壓與溫度的關系

根據以上結果可以獲得低溫地區混合氣體的使用技術，在確定混合氣體絕緣設備的充氣壓強時，需要以設備充氣密度與常溫下相同為主要依據，在保證混合氣體不發生液化情況下，可不必考慮溫度變化對絕緣性能的影響。

利用雷電沖擊擊穿試驗平臺，試驗研究了SF6+N2混合氣體的U50%沖擊擊穿電壓與溫度的關系，根據工頻試驗結果已發現的溫度、混合比例和充氣壓強的影響規律，區別于已有的雷電沖擊研究，選擇0.7 MPa含30% SF6的混合氣體、0.4 MPa純SF6氣體進行不同溫度下的雷電沖擊擊穿試驗，結果如圖5和圖6所示。從圖5、圖6可以看出，對于不同SF6含量的混合氣體，在混合氣體密度一定時，氣體在球-板電極和棒-板電極中的雷電沖擊擊穿電壓受環境溫度因素影響較小，試驗結論與工頻情況下相同，原理也可由碰撞電離學解釋，即當混合氣體分子數密度不變時，其絕緣性能受溫度因素影響較小。從圖5和圖6中也可以看出，球-板電極下SF6+N2混合氣體的正極性(正板-負球)50%擊穿電壓低于負極性(負板-正球)50%擊穿電壓，而棒-板電極下的情況則相反。

圖5 球-板電極下SF6+N2混合氣體U50%雷電沖擊擊穿電壓與溫度的關系

圖6 棒-板電極下SF6+N2混合氣體U50%雷電沖擊擊穿電壓與溫度的關系

2.2 充氣壓強和混合比例對混合氣體絕緣性能的影響

在球-板電極和棒-板電極下研究了SF6+N2混合氣體的工頻擊穿電壓與充氣壓強和混合比例的關系，不同充氣壓強與混合比例下的試驗結果分別如圖7和圖8所示。

由圖7和圖8可知，在0.4 ～0.7 MPa壓強范圍內，隨著氣壓的增大，兩種電極下的SF6+N2混合氣體的擊穿電壓近似以線性關系增長，當氣壓增加到0.6～0.7 MPa時，棒-板電極下的部分混合比例氣體的工頻擊穿電壓增速變緩。由圖7和圖8可知，當純N2中混入SF6氣體后，其擊穿電壓相對于純N2可以實現較大幅度的增加，隨著SF6體積分數的增加，擊穿電壓幅值逐漸增大，當SF6體積分數從0增長到0.4時，SF6+N2混合氣體的擊穿電壓呈現非線性增加且增速漸緩。

圖7 球-板電極SF6+N2混合氣體工頻擊穿電壓與充氣壓強的關系

圖8 棒-板電極SF6+N2混合氣體工頻擊穿電壓與充氣壓強的關系

2.3 混合氣體配比優化技術

為了從絕緣性能角度找出最可能代替純SF6氣體的SF6+N2混合氣體，以0.5 MPa純SF6為參照，以達到其絕緣性能的80%以上為標準，獲得了幾種與0.5 MPa純SF6絕緣性能相當的混合氣體，如表1所示。前3類混合方案氣體的絕緣性能可以達到0.5 MPa純SF6的80%以上，呈現較好的絕緣特性；后3類混合方案氣體的絕緣性能高于0.5 MPa純SF6的 90%，其中，0.7 MPa下SF6含量為30%的混合氣體的絕緣特性達到0.5 MPa 純SF6的1.01倍，其絕緣特性能夠理想替代0.5 MPa純SF6氣體，并且其具有更加良好的耐低溫特性，減少SF6氣體使用率高達47.5%，極大地提高了氣體絕緣裝備的環保特性。

表1 優化的SF6+N2混合氣體充氣壓強和混合比例

3 結 語

采用試驗方法研究了SF6+N2混合氣體的絕緣特性、混合氣體配比優化技術研究特性及規律，得到如下結論：

1)在液化溫度以上的工程應用溫度范圍內，對于特定充氣密度和比例下的SF6+N2混合氣體，其工頻擊穿電壓和U50%雷電沖擊擊穿電壓隨溫度的改變呈現較小的波動，相比純SF6氣體，SF6+ N2混合氣體的耐低溫特性更理想，在-35 ℃及更低溫度下仍然保持良好的絕緣特性。在低溫地區使用混合氣體時，需保證設備充氣密度與常溫下相同。

2)隨著混合氣體中SF6體積分數的增加，擊穿電壓幅值逐漸增大，當SF6體積分數在0～0.4范圍內變化時，SF6+N2混合氣體的擊穿電壓隨混合比例呈現非線性增加且增速漸緩。在0.4～0.7 MPa壓強范圍內，球-板電極和棒-板電極中SF6+N2混合氣體的擊穿性能隨著氣壓增大呈近似線性增長。

3)從絕緣角度出發，研究確定了混合氣體配比方案，充氣壓強為0.7 MPa、混合比例為30%的SF6+N2混合氣體的擊穿強度為0.5 MPa 純SF6氣體的1.01倍，且具有更加良好的耐低溫特性，并可減少SF6氣體使用率達47.5%，體現了混合氣體替代SF6氣體的可行性以及良好的環保特性。