基于SF6混合氣體絕緣性能的設備補氣策略研究

周倩， 柯錕， 張曉星， 田雙雙， 胡軍臺， 王波

(1. 湖北工業大學新能源及電網裝備安全監測湖北省工程研究中心，湖北 武漢，430068；2. 國網重慶市電力公司，重慶 400015；3. 國網河南省電力公司平頂山供電公司，河南 平頂山 467001)

0 前言

SF6氣體絕緣組合電器(gas insulated switch gears，GIS)自1967年首次在德國投運以來，便以其可靠性高、維護量小、占地面積小、配置靈活等優點迅速發展并廣泛應用于電力系統中[1—6]。隨著技術發展，氣體絕緣變壓器(gas insulated transformer，GIT)、氣體絕緣線路(gas insulated line，GIL)、氣體絕緣斷路器(gas circuit breaker，GCB)和氣體絕緣開關柜(cubic type gas insulated switchgears，C-GIS)等SF6絕緣設備在國內外電力系統中被廣泛使用[7—8]。但SF6氣體被公認為是一種對大氣環境具有較大危害的溫室氣體，其溫室效應潛在值是CO2的23 500倍左右，在大氣中的存活壽命約為3 200 a[9—10]。聯合國氣候變化公約締約方在1997年簽訂的《京都議定書》中，將SF6氣體列為6種限制性使用的溫室氣體之一，要求限制SF6氣體的使用。

SF6混合氣體絕緣電氣設備的推廣和使用可以一定程度減少SF6氣體的使用量和排放量。文獻[11]研究得出SF6/N2混合氣體在一定條件下擁有替代純SF6的可行性；文獻[12]從氣體放電理論角度分析了不同混合比下SF6/N2混合氣體的絕緣性能；文獻[13—14]的研究結果表明SF6/N2混合氣體的擊穿電壓隨氣壓的增長呈線性變化；文獻[15—16]對SF6與空氣、N2O、N2、CO2等的混合氣體在不同電場條件下的絕緣特性進行了系統研究，并先后與諸多國內電力設備生產廠家合作研制開發了SF6混合氣體GIT、GIS以及C-GIS等電力設備。SF6混合氣體作為絕緣介質在實際電氣設備中得到了應用，全球首條SF6/N2絕緣GIL于21世紀初期在瑞士投入運行[17]。ABB公司在法國境內研制并建設了首條長距離的以SF6/N2作為氣體絕緣介質的GIL，取代了該地區原有的420 kV架空輸電線路[18]。2016年，由中國研制的SF6/N2混合氣體的1 100 kV GIL長期考核試驗線段于2016年6月在武漢特高壓交流試驗基地開始帶電運行，并順利通過了近一年的帶電考核。江蘇帕威爾電氣有限公司、上海天靈開關廠有限公司開發的N2X-24 kV充氣柜采用的也是SF6/N2混合氣體，SF6在混合氣體中的比例很少，僅為10%，大大節省了SF6的使用量[19]。研究發現，SF6體積分數為5%～30%的混合氣體受到更加廣泛的關注[20]。目前國內已經有220 kV GIS母線采用30%的SF6/N2混合氣體作為絕緣介質，但是運維的研究處于一個空白狀態，并未制定相應的行業標準。

基于以上現狀，文中對SF6/N2混合氣體在氣壓為0.7 MPa、混合比為30%發生微量變化條件下進行工頻交流擊穿特性研究，測量混合氣體不同氣壓、混合比條件下的擊穿電壓值，總結出混合氣體的擊穿電壓特性，為SF6/N2混合氣體提供運維規程和技術標準，同時為制定混合氣體的檢測技術標準奠定基礎。

1 實驗平臺、方法與過程

1.1 實驗平臺

實驗平臺示意如圖1所示。

圖1 實驗平臺示意Fig.1 Schematic diagram of the experimental platform

主要實驗設備及作用：

(1) 感應調壓器。輸入電壓為380 V，輸出電壓為0～250 V，額定功率為50 kV·A。

(2) 無暈試驗變壓器。可以為實驗提供最高250 kV的工頻試驗電壓。

(3) 保護電阻。阻值為20 kΩ，保護試驗變壓器在發生閃絡時免遭破壞。

(4) 電容分壓器。C1/C2=500 pf/1 μf，將幅值較高的實驗電壓轉換成可被電壓表直接測量的量程內值。

(5) 氣體絕緣性能測試氣室。安裝電極和充入實驗氣體，使實驗氣體發生擊穿，進而檢測待測氣體絕緣性能。

實驗采用球球電極模擬實際設備中的準均勻電場，電極的直徑為50 mm，材質為銅。將電極物理模型置入放電氣室內，如圖2所示。實驗時，為排除水分含量對實驗結果的影響，實驗室溫度通過空調控制在20 ℃左右，濕度通過除濕機控制在相對濕度50%左右，所有實驗均在該條件下進行，確保實驗結果具有可比性。

圖2 球球電極在罐體內的放置Fig.2 The placement of the ball electrode in the tank

為了驗證球球電極可以模擬GIS設備內的準均勻場，借助于COMSOL計算軟件對其進行仿真計算。電場的均勻程度由電場不均勻系數f來衡量：

f=Emax/Eav

(1)

Eav=U/d

(2)

式中：Eav為平均場強；Emax為最大場強；U為電極間電壓；d為電極間距，文中在實驗中設置的電極間距為2 mm。通過COMSOL計算軟件完成最高場強的計算，電場分布如圖3所示，得到電場不均勻度為1.02，介于1～1.1之間，屬于均勻電場。

圖3 球球電極電場分布Fig.3 Electric field distribution of the ball electrode

1.2 實驗方法與過程

工頻擊穿實驗對象為SF6/N2混合氣體，其中SF6純度為99.995%，N2純度為99.999%，兩者的微水含量均小于5 μL/L。混合氣體壓力取為0.682 0～0.700 0 MPa(絕對壓力)，混合比k取0%，10%，20%，25%，27%，28%，29%，30%，31%，35%，100%，電極間距為2 mm，環境溫度為室溫(25 ℃)，主要探究氣壓、混合比對SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓的影響。運用控制變量法，保持混合比不變，利用排氣閥每次控制降低2 kPa的氣壓，每降低一次氣壓進行5次擊穿實驗。

SF6/N2混合氣體的實驗過程基本步驟為：先后進行實驗準備、充氣、排氣等操作。在實驗中保證混合比不變的條件，從高氣壓至低氣壓依次進行工頻擊穿實驗。0.700 0 MPa的實驗完成后，打開放氣閥門，使精密氣壓表示數顯示的氣壓達到預期的實驗氣壓條件下，再進行工頻擊穿實驗。待固定混合比條件下完成實驗后，更換混合比，重復上述操作過程。

2 實驗結果分析

2.1 氣壓對SF6/N2工頻擊穿電壓的影響

根據實驗結果，整理數據，取每次實驗擊穿電壓的平均值，得到SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓與氣壓的關系，如圖4所示。

圖4 SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓與氣壓的關系Fig.4 Relationship between power frequency break-down voltage and air pressure of SF6/N2 mixed gas

觀察圖4可知，擊穿電壓與氣壓的變化呈非線性關系。希爾(Hill)方程常用于非線性的情況，而Hill1是帶偏移量的修正希爾函數，根據式(3)將工頻擊穿電壓與壓強進行擬合。

(3)

式中：U為擊穿電壓；P為壓強；A，B，m，n為擬合參數。

運用Hill1對實驗數據進行擬合，R為擬合系數，其值越接近1，說明擬合度越高。由圖4可見，R的值均在0.99以上，說明擬合程度及效果非常好，同時也表明在維持混合比不變的條件下，通過改變壓強的值，SF6/N2混合氣體的擊穿電壓增長緩慢，體現了SF6濃度越高，SF6/N2混合氣體的非線性程度越大，符合理論效果。擬合方程的主要參數見表1。

表1 擬合方程的主要參數Table 1 Main parameters of the fitting equation

分子的游離會產生大量正負空間電荷，使電場產生畸變，而大量的空間電荷以及畸變的電場會導致光游離，對擊穿過程產生影響。均勻電場中氣體的擊穿過程與氣體的相對密度δ和極間距離d相關，δd值較小時可以用湯遜理論，δd值較大時可以用流注理論來解釋電子崩。電子崩在產生大量電子的同時，也會產生大量的離子，離子在電場力的作用下與電極撞擊，而當離子在電極表面發生自持放電時就意味著氣隙被擊穿。當氣室處在一個較小氣壓時，氣室內各氣體分子密度相對較小，分子間平均距離較大，電子平均自由行程較大。隨著氣壓逐漸升高，電子平均自由行程逐漸減小，電子碰撞前積累的平均動能下降，使電子發生有效碰撞的幾率降低。隨著氣壓繼續升高至0.7 MPa，此時即使氣壓增大，電子平均自由行程減少，其降低電子有效碰撞的作用已十分有限。因此隨著氣壓的增大，擊穿電壓的非線性也越大。

2.2 混合比對SF6/N2工頻擊穿電壓的影響

在保持壓強不變的情況下，變量混合比k也保持相同的增幅，對數據進行詳盡分析，主要針對混合比k為0.25，0.27，0.28，0.29，0.30，0.31進行擬合，得到如圖5所示的SF6/N2混合氣體的工頻擊穿電壓與混合比的關系。

圖5 SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓與混合比k的關系Fig.5 Relationship between power frequency breakdown voltage and mixing ratio k of SF6/N2 mixed gas

根據式(4)，將工頻擊穿電壓與混合比進行擬合。

(4)

式中：Vmax，M，N為擬合參數。其主要參數如表2所示。

表2 擬合方程的主要參數Table 2 Main parameters of the fitting equation

由圖5可見，0.682 0～0.700 0 MPa的SF6/N2混合氣體的擊穿電壓均隨混合比k的增大而非線性增大。其次，同一氣壓值下，提高氣壓能顯著改善SF6/N2混合氣體絕緣性能。理論上，隨著混合比的增加，非線性逐漸增大。

上述規律可以用流注理論的分子電離過程來解釋。由于N2的電離能約為15.5 eV，而SF6的電離能約為15.6 eV，所以在SF6/N2混合氣中，N2相較于SF6更加容易發生電離。電離出的電子被SF6分子俘獲(SF6的電子親和能僅約為3.4 eV)，形成離子半徑較大的負離子團，導致氣體中自由電子濃度減小并抑制了流注的發展，使擊穿電壓較純N2有明顯提高。但隨著混合比增大(SF6含量相對增大、N2含量相對減小)，SF6絕緣性能的非線性影響更加明顯，SF6/N2混合氣體擊穿電壓的增長趨勢隨之變緩。

2.3 混合比和壓強對SF6/N2工頻擊穿電壓的影響

為研究混合比和壓強2個變量因素同時對SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓的影響，構建式(5)所示的擬合函數，將工頻擊穿電壓與混合比以及壓強進行擬合。

F(k,P)=a+bsin(hπkP)+ce-(wP)2

(5)

式中：P為壓強；a，b，c，h，w為擬合系數。

以混合氣體的總氣壓值P以及混合比k作為變量，對其與擊穿電壓的進行數據擬合，最后得到SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓與混合比及壓強的關系，如圖6所示。其中，擬合參數R=0.983 1。

圖6 SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓與混合比及壓強的關系Fig.6 Relationship between power frequency breakdown voltage and mixing ratio andpressure of SF6/N2 mixed gas

曲線回歸是建立不同變量間相關關系的非線性數學模型數量關系式的統計方法。為了進一步提高擊穿電壓U對雙變量壓強P和混合比k的擬合度，擬采用曲線回歸對實驗數據進行非線性二次回歸平滑曲線擬合，得到SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓與混合比及壓強的關系，如圖7所示。其中，R=0.999 7。采用二次回歸函數可以使SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓與混合比及壓強的擬合效果更好。

圖7 優化后SF6/N2混合氣體工頻擊穿電壓與混合比及壓強的關系Fig.7 Relationship between power frequency break-down voltage and mixing ratio and pressure ofSF6/N2 mixed gas after optimization

由圖7可以看出，隨著壓強和混合比的提高，擊穿電壓均非線性程度越來越大，與圖4和圖5結果一致，且與擬合結果吻合。

3 SF6混合氣體絕緣設備補氣策略

SF6氣體和N2氣體的絕緣強度不同，氣體的分子量不同，如若運行過程中，氣體的體積比發生變化，會導致絕緣強度發生變化。

根據國內外的文獻資料及研究成果總結得出，以純SF6氣體作為絕緣介質的間隙工頻擊穿電壓的經驗公式[21]為：

(6)

其中，P為氣體絕對壓力。工程中純SF6氣體絕緣GIS母線的充氣壓力[12]一般為0.5 MPa，并且文中的實驗電極距離d為0.2 cm，將以上2個數據帶入式(6)可得以純SF6氣體作為絕緣介質的間隙工頻擊穿電壓。

DL/T 596—1996《電力設備預防性試驗規程》及GB 50150—2006《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》條文[22—23]中指出，SF6組合電器設備年漏氣率不大于1.0%，控制在0.5%方才合格。通過式(6)按照最大泄漏量計算，得出純SF6氣體作為絕緣介質應用在GIS母線中應進行補氣的臨界擊穿電壓，由臨界擊穿電壓與原始擊穿電壓的比值，最終發現泄漏后純SF6氣體GIS母線的絕緣性能只能達到之前的98%。

以此為標準，當SF6混合氣體絕緣強度下降2%，絕緣性能只能達到初始的98%時，則須對SF6混合氣體設備進行維護。絕緣性能通過擊穿電壓值來衡量，因此只需將實驗中測量所獲得的擊穿電壓乘以98%，得到一個臨界擊穿電壓，而這個臨界電壓分別對應混合比和氣壓值，最后繪制的絕緣性能臨界狀態如圖8所示。

圖8 絕緣性能臨界狀態Fig.8 Critical state of insulation performance

文中的研究以220 kV GIS母線為例，氣室內的標準壓強P0為0.700 0 MPa，SF6混合比k0為30%。當現場檢測設備內的氣壓值P和混合比k數值處于圖8中陰影部分時，則須對設備進行補氣操作，以防設備絕緣性能下降導致電力事故發生。具體補氣方法如下。

(1) 計算補氣的總壓強：

Pi=P0-P

(7)

式中：P0為原配氣壓強；Pi為補氣壓強。

(2) 根據道爾頓分壓定律計算需要補充的SF6分壓：

Pi(SF6)=P0k0-Pk

(8)

(3) 確定需要補充的N2的分壓：

Pi(N2)=Pi-Pi(SF2)=P0(1-k0)-P(1-k)

(9)

根據計算所得的SF6和N2分壓采用專用的充氣裝置對設備進行補氣。

4 結論

(1) 在標準氣壓值不變的情況下，混合氣體的擊穿電壓隨著混合比的減少而降低。由此說明，保證設備內混合氣體的氣壓值不變，增大混合比是提高其絕緣性能的有效措施。

(2) 在保證混合比不變的條件下，混合氣體的擊穿電壓隨著氣壓值的增大而增大，其非線性程度也越來越大，因此同一混合比條件下，提高氣壓能顯著改善SF6/N2混合氣體的絕緣性能。

(3) 當引入雙變量，即混合比和壓強2種因素同時作用時，擊穿電壓呈現出隨著壓強和混合比的提高，非線性程度增大的特點。同時確定了絕緣臨界值，為后續研究SF6/N2混合氣體絕緣設備的運維規程和制定技術標準提供一定的技術支持和參考。