準均勻電場下C5F10O/干燥空氣與C5F10O/N2的絕緣特性

卓然,柯錕,張躍,傅明利,王邸博,向吉祥,張曉星

(1. 湖北工業大學電氣與電子工程學院,湖北 武漢 430068；2. 南方電網科學研究院有限責任公司,廣東 廣州 510000；3. 武漢大學電氣與自動化學院,湖北 武漢 430072)

0 引言

SF6因其優異的絕緣特性及滅弧特性,廣泛應用于各類電氣絕緣設備中[1—4]。然而,SF6具有很強的溫室效應,其溫室效應潛在值(global warming potential,GWP)高達CO2的23 500倍,在大氣中的壽命超過3 000 a[5—6]。雖然《京都協議書》明確限制SF6的排放[7—8],但大氣中SF6的含量仍以每年8.7%的速度增長,其中電力工業領域所使用的SF6氣體占全球SF6總產量的80%[9]。為減少其使用量和排出量,國內外的科研工作者們不斷尋找可替代SF6的絕緣氣體。

替代氣體的研究首先是將緩沖氣體與SF6進行混合[10—12],但這無法從根本上解決SF6的溫室效應。近期,C5F10O因良好的絕緣特性備受研究者關注。C5F10O的分子結構式為CF3C(O)CF(CF3)2,化學性質穩定,GWP值為1,大氣壽命僅為15 d[13—15],對環境的影響遠遠小于SF6。不過由于在常壓條件下,C5F10O的液化溫度為26.9 ℃[13,16],為滿足工程應用環境中不同的液化溫度要求,需將其與CO2、N2、干燥空氣等液化溫度較低的大氣成分混合之后再投入使用[17]。

國內外針對C5F10O及其混合氣體作絕緣介質的研究已取得了一些成果。文獻[17]通過比較準均勻電場下低壓C5F10O、C5F10O/干燥空氣與SF6直流擊穿電壓,得知在一定條件下C5F10O/干燥空氣能夠與SF6的絕緣強度相當,說明C5F10O混合氣體有潛力替代中低壓電氣絕緣設備中的SF6；文獻[18]證明了應用液化溫度為-25 ℃的C5F10O/干燥空氣混合氣體可將空氣開關柜的額定電壓從12 kV提升至24 kV。文獻[19]指出C5F10O與O2、CO2的混合物的絕緣強度接近SF6,但其滅弧能力低于SF6至少30% ;文獻[20]分析不均勻電場下C5F10O/CO2混合氣體的工頻擊穿特性,得知提高C5F10O體積濃度能夠有效提升該氣體的絕緣性能；文獻[21]分析計算了C5F10O等離子體成分、熱力學參數及傳輸特性,對其滅弧特性進行評估,并在分析C5F10O、SF6、CF4、CO2和N2的分子表面靜電勢和電氣強度的基礎上,得知分子表面的正電位面積同絕緣強度具有強相關性；文獻[22]利用改進的Deutsch-M?rk公式計算了C5F10O的電子碰撞電離截面,對C5F10O氣體混合物的絕緣強度進行了進一步研究。

目前國內外關于C5F10O混合氣體的氣體絕緣性能的研究還有待進一步深入。為更系統地探究C5F10O作為SF6替代氣體應用于電氣絕緣設備的可行性,文中利用氣體絕緣性能測試平臺,分析了分別以N2和干燥空氣作為緩沖氣體形成的C5F10O混合氣體的絕緣特性,并同SF6對比,分析了緩沖氣體類型、C5F10O分壓及氣壓3個因素對C5F10O混合氣體絕緣特性的影響,相關研究成果可為C5F10O混合氣體的工程應用提供重要參考。

1 試驗平臺和條件及方法

1.1 試驗平臺

試驗所用氣體絕緣性能測試平臺的原理如圖1所示。工頻變壓器副邊額定電壓為100 kV,副邊額定電流為0.5 A,可為試驗提供所需的工頻電壓；保護電阻的阻值為10 kΩ,用于限制絕緣氣隙擊穿時產生的短路電流,以防損害試驗設備；分壓電容用于測量反應氣室兩端的實際電壓。

圖1 氣體絕緣性能測試平臺原理Fig.1 Schematic diagram of gas insulation testing platform

反應氣室內部采用圖2所示的球-球電極模擬準均勻電場,電極材質為黃銅,半徑為25 mm,球間隙取2 mm,此時放電間隙為準均勻場,不均勻系數為1.02[23],與設備內電場均勻度一致,因此文中研究結果適用于分析環保氣體在設備內運行的絕緣強度。反應氣室所能承受的最高氣壓為0.8 MPa。

圖2 球-球電極Fig.2 Ball-ball electrode

1.2 試驗條件

實驗采用N2和干燥空氣來研究不同緩沖氣體對C5F10O混合氣體絕緣特性的影響。

由于我國南方地區溫度一般在-10 ℃以上,而且電力設備應用要求的最低溫度為-15 ℃[16],因此C5F10O混合氣體若要投入工程應用,必須滿足以上2個溫度限制。由文獻[15]可以得到C5F10O在不同飽和蒸汽壓下的液化溫度,具體如圖3所示。

圖3 C5F10O的飽和蒸汽壓特性Fig.3 Saturated vapor pressure characteristics of C5F10O

因為C5F10O、N2和干燥空氣三者的液化溫度相差很大,所以在混合氣體中可將這3種氣體看作理想氣體進行分析[24]。由道爾頓分壓定律可知,在理想氣體條件下,混合氣體中某一成分氣體的分壓等于該成分氣體填充相同體積容器時產生的氣壓,即混合氣體的總氣壓等于各成分氣體的分壓之和。因此,C5F10O混合氣體的液化溫度可看作與C5F10O在相應分壓下的液化溫度相等。

考慮到電氣絕緣設備內部氣壓要求,本次試驗中C5F10O/干燥空氣和C5F10O/N2的氣壓分別設置為0.1 MPa,0.2 MPa,0.3 MPa,0.4 MPa,0.5 MPa,其中C5F10O分壓依次設置為15 kPa,25 kPa,35 kPa,45 kPa,測試不同條件下2種混合氣體的絕緣特性,并設置N2、干燥空氣以及SF6作為對照組。

1.3 試驗方法

試驗前先用無水乙醇擦拭反應氣室內壁,保證內部清潔干燥。安裝好球形電極并設置間隙距離后,抽空反應氣室,直至內部氣壓為-101.3 kPa,再充入對應緩沖氣體至氣室內部為正壓,再次將內部抽成真空,如此重復3次,保證氣室內部無雜質氣體存在。由于C5F10O液化溫度遠高于N2和干燥空氣,充氣時應首先通入C5F10O使其分壓達到試驗設定值,再通入對應緩沖氣體,直到反應氣室總填充壓達到試驗設定值。充氣完畢后,需將反應氣室靜置24 h,確保內部混合氣體充分混合均勻。

為保證試驗的規范性,每隔1 min按動感應調壓器,從0 kV逐步升高施加在球-球電極兩端的工頻電壓,升壓步長不得超過0.5 kV,直至氣隙被擊穿。每次記錄擊穿電壓后,需等待5 min使氣室內混合氣體恢復絕緣強度后再重新加壓,保證數據的準確性。為減少偶然誤差,每組工頻擊穿電壓數據取10次擊穿電壓的平均值進行計算分析。

2 C5F10O混合氣體絕緣性能分析

2.1 氣壓對C5F10O混合氣體擊穿電壓的影響

如圖4所示,C5F10O混合氣體、SF6、N2以及干燥空氣的擊穿電壓均隨著氣壓的增大而增大,且近似呈線性趨勢。這是因為反應氣室內部總填充壓增大后,單位體積內氣體分子數目增多,雖然發生碰撞的幾率增大,但電子的平均自由行程減少,其在電場中所獲動能減少,降低了碰撞電離的概率。增大氣壓會削弱氣隙的氣體電離過程,最終導致氣隙擊穿電壓升高。

圖4 不同分壓下C5F10O混合 氣體擊穿電壓與氣壓的關系Fig.4 Relation between breakdown voltage and pressure of C5F10O mixture under different pressure

但擊穿電壓并非隨著氣壓的增大而無限制提升。當氣壓增大到0.4 MPa以上時,C5F10O/N2的擊穿電壓隨氣壓增大所呈現的增長趨勢出現飽和現象,而同一條件下C5F10O/干燥空氣與SF6飽和現象并沒有C5F10O/N2明顯。

由實驗數據可知,C5F10O的加入極大地提高了干燥空氣與N2的絕緣強度,例如0.3 MPa氣壓時,分壓為25 kPa C5F10O/N2混合氣體的擊穿電壓是0.3 MPa N2的1.75倍,相同條件下C5F10O/干燥空氣的擊穿電壓是干燥空氣的1.78倍。雖然相同氣壓條件下C5F10O混合氣體的絕緣強度弱于SF6,但氣壓較高的C5F10O混合氣體絕緣強度可以與氣壓較低的SF6絕緣強度相當。例如,0.2 MPa氣壓,35 kPa的C5F10O/N2擊穿電壓只有氣壓為0.2 MPa的SF6的0.75倍,而氣壓為0.3 MPa的C5F10O/N2是氣壓為0.2 MPa的SF6的0.96倍。

2.2 C5F10O分壓對C5F10O混合氣體擊穿電壓的影響

圖5為不同C5F10O分壓對混合氣體擊穿電壓的影響。由圖5可以看出,隨著C5F10O分壓的增大,C5F10O/N2與C5F10O/干燥空氣的擊穿電壓逐漸增大。原因為：C5F10O作為一種全氟酮類氣體,具有很強的電負性,在電場中運動時易吸附自由運動的電子形成負離子,導致氣隙間的電子數目減少。且C5F10O的分子量為266.03,其他條件相同的情況下,分子量越大,其在電場內的運動速度就越慢,吸附了電子的C5F10O負離子越容易與氣隙間的正離子發生復合,導致氣隙間的正離子數目減少。所以,增大C5F10O分壓會減小氣隙間的帶電粒子數目,從而導致氣隙擊穿電壓升高。

圖5 C5F10O混合氣體擊穿電壓與C5F10O分壓的關系Fig.5 Relation between breakdown voltage of C5F10O mixture and C5F10O partial pressure

為定量分析C5F10O分別對N2與干燥空氣絕緣強度的影響情況,定義絕緣強度提升相對值p為同一氣壓下緩沖氣體加入C5F10O前后擊穿電壓之差與緩沖氣體原擊穿電壓的比值,即:

p=(Up-U0)/U0

(1)

式中：Up為一定分壓下C5F10O混合氣體的擊穿電壓；U0為同一氣壓下緩沖氣體的擊穿電壓。p值越大,C5F10O對緩沖氣體絕緣強度的提升效果越好。不同條件下C5F10O對2種緩沖氣體絕緣強度提升相對值如表1和表2所示。

表1 C5F10O對N2絕緣強度提升的相對值Table 1 The relative value of different partial pressure C5F10O for improving the insulation strength of N2

表2 C5F10O對干燥空氣絕緣強度提升的相對值Table 2 The relative value of different partial pressure C5F10O for improving the insulation strength of dry air

可以看出,當氣壓較低(≤0.4 MPa)時,C5F10O對N2絕緣強度的提升效果更顯著；當氣壓達到0.5 MPa時,C5F10O對兩者提升強度相當。因為在低氣壓下,干燥空氣的擊穿電壓本就高于N2的擊穿電壓(0.1 MPa時干燥空氣絕緣強度約為N2的1.4倍),不過隨著氣壓逐漸增大,N2的絕緣強度逐漸接近于干燥空氣(0.1 MPa時干燥空氣絕緣強度約為N2的1.07倍)。這與圖5中2種緩沖氣體絕緣強度先增長后飽和的趨勢相符合。

然而,混合氣體的擊穿電壓隨著C5F10O分壓增大直到存在飽和現象,且C5F10O/干燥空氣的飽和現象比C5F10O/N2更加顯著。由于氣隙內帶電粒子的數目有限,當C5F10O分壓增大到一定值時,對帶電粒子的吸附作用并不明顯,反而有可能因為過高的C5F10O分壓提高C5F10O混合氣體的液化溫度。

3 C5F10O混合氣體替代SF6的可能性

由試驗數據可以看出,可以從增大C5F10O混合氣體氣壓以及增大C5F10O分壓2種方法著手探討C5F10O混合氣體替代SF6的可能性。

如圖6所示,以0.2 MPa下SF6的擊穿電壓值為例進行分析,氣壓為0.2 MPa,C5F10O分壓為35 kPa的C5F10O/干燥空氣擊穿電壓是0.2 MPa下SF6擊穿電壓值的0.92倍,相同條件下C5F10O/N2為0.75倍；而當混合氣體氣壓升為0.3 MPa時,分壓為35 kPa的C5F10O/干燥空氣擊穿電壓是0.2 MPa下SF6擊穿電壓值的1.04倍,相同條件下C5F10O/N2為0.96倍。這說明高氣壓的C5F10O混合氣體可以替代較低壓氣壓的SF6。不過,總填充壓升高必將對電氣設備的氣密性以及承受壓強提出更高的要求,增加工程成本。出于經濟性考慮,C5F10O混合氣體更適用于替代室內中低壓電氣設備內的SF6。

圖6 C5F10O混合氣體與不同電壓下的擊穿電壓Fig.6 Breakdown voltage of C5F10O mixture under different pressure

如圖7所示,氣壓為0.3 MPa,C5F10O分壓為15 kPa(液化溫度為-17.78 ℃)的C5F10O/干燥空氣的絕緣強度僅為同氣壓下SF6的0.60倍,相同條件下C5F10O/N2為0.56倍；若將C5F10O分壓提升為45 kPa(液化溫度為5.56 ℃),其他條件不變,C5F10O/干燥空氣的絕緣強度為SF6的0.90倍,相同條件下C5F10O/N2為0.85倍。通過提高C5F10O分壓來提高C5F10O混合氣體絕緣強度時,應考慮C5F10O混合氣體的液化溫度是否滿足應用環境的溫度要求。若C5F10O分壓過高,反而可能降低氣體絕緣強度,無法滿足實際工程需求。此時需在室內氣體絕緣設備的工作環境中加裝氣體調溫設備,人為提高環境溫度。

圖7 C5F10O混合氣體相對SF6的絕緣強度Fig.7 Insulation strength of C5F10O mixture relative to SF6

綜合考慮工程應用的經濟性與實際性,通過增大氣壓和C5F10O分壓2種途徑,C5F10O混合氣體可以達到與SF6相當的絕緣強度。例如,氣壓為0.3 MPa,C5F10O分壓為25 kPa(液化溫度為-8.22 ℃)的C5F10O/干燥空氣絕緣強度為0.2 MPa下SF6的0.98倍,相同條件下C5F10O/N2的絕緣強度為0.84倍。因此可用該條件下的這兩類氣體替代SF6,應用于設備工作環境溫度較高的室內中低壓電氣設備中。

4 結論

文中利用氣體絕緣性能測試平臺,從緩沖氣體類型、混合氣體氣壓以及C5F10O分壓3個方面,探究了準均勻電場下C5F10O/N2和C5F10O/干燥空氣的絕緣特性,并得出以下結論：

(1) 在試驗氣壓范圍內,C5F10O分壓不變時,2種C5F10O混合氣體的絕緣強度與混合氣體氣壓呈正相關。

(2) 低氣壓(≤0.4 MPa)條件下,相比于干燥空氣,N2的絕緣強度受C5F10O提升的效果更顯著,高氣壓時C5F10O對兩者的提升效果接近。混合氣體氣壓一定時,2種C5F10O混合氣體的絕緣強度在試驗范圍內隨著C5F10O分壓的增大而增大,并且在C5F10O分壓達到0.4 MPa后出現飽和現象,其中,C5F10O/干燥空氣的飽和現象較C5F10O/N2更為顯著。

(3) 氣壓為0.3 MPa,C5F10O分壓為25 kPa的C5F10O/干燥空氣和C5F10O/N2的絕緣強度分別為0.2 MPa下SF6的0.98倍和0.84倍。從絕緣強度考慮,C5F10O/干燥空氣比C5F10O/N2混合氣體更具有替代室內中低壓設備中SF6的潛力。