SF6混合絕緣氣體的協同效應及其機理研究

沈騰達，鄭宇，周文俊，邱睿

(武漢大學 電氣與自動化學院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

六氟化硫(SF6)氣體具有優異的絕緣性能與穩定的化學性質，被廣泛應用于電氣設備中[1-3]，但SF6氣體全球變暖潛勢值(global warming potential，GWP)是CO2的23 500倍，在空氣中能夠存在3 200年，是《巴黎協定》限制排放的6種溫室氣體之一[4-5]，考慮目前的“碳中和”要求，研究SF6替代氣體意義重大。現存幾種替代潛力較大的氣體雖然具有接近甚至超過SF6的絕緣性能，但都存在液化溫度過高的問題，需要混合緩沖氣體(如CO2，N2，空氣等)來降低液化溫度[6-7]；另一種方法就是使用SF6混合氣體來降低SF6的使用量，從而降低GWP與液化溫度[8-9]。上述兩種方法使用到的替代氣體均為混合絕緣氣體，因此對混合絕緣氣體的理論研究十分重要。混合絕緣氣體研究，最重要的問題是緩沖氣體種類與混合比例對混合絕緣氣體性能的影響，而如何選取合適的緩沖氣體以及混合比例，協同效應的強弱是十分重要的參考[10-11]。

早在1972年，日本Takuma等人首次提出了協同效應系數計算公式來對協同效應進行定量評估，認為協同效應系數只與混合氣體組成類型有關，而不會隨混合比例、氣壓、間隙距離的變化而變化，并使用SF6/N2和SF6/CCl2F2兩種混合絕緣氣體進行了相關驗證[12]，這也是以后的相關研究中使用最為廣泛的公式。近年許多學者對混合絕緣氣體的協同效應進行了研究：張曉星等人使用上述公式對不同氣壓、混合比下C4F7N/CO2的協同效應系數進行了計算，并作為使用氣壓與混合比例選取的參考依據[13]；滿林坤等人通過相同的計算公式對不同c-C4F8混合氣體在不同混合比與間隙距離下的協同效應系數進行了計算，給出了兩種c-C4F8混合氣體協同效應系數的范圍[14]；張喬根等人提出了歸一化系數h代替協同效應系數C，解決了協同效應系數計算公式不能評估負協同效應的問題[15]，這些研究結果中協同效應系數會隨試驗條件(如緩沖氣體種類、混合比例、氣壓、間隙距離)的變化而變化，雖然計算結果更具有針對性，但是對于不同條件都需要進行相應試驗，試驗成本和工作量巨大。有必要從理論上對不同混合氣體的協同效應進行評估，為開展更有針對性的試驗提供參考。

然而，關于混合氣體協同效應強弱的理論分析目前較為缺乏，邱毓昌從碰撞截面分布的角度對c-C4F8、SF6與N2、CO、H2的協同效應進行了分析，認為緩沖氣體的非彈性碰撞截面在高電子能量時數值較大，可以降低電子速度利于電負性氣體吸附[16]；趙謖等人通過碰撞截面對CF3I/N2、CF3I/CO2兩種混合氣體的電子能量分布、約化凈電離系數進行了計算分析，對兩種混合氣體協同效應強弱進行了對比，但選取的緩沖氣體種類較少，兩種混合氣體的計算結果差異不明顯，尚未解釋不同緩沖氣體協同效應的強弱機理[17]。

由于混合氣體種類較多，本文選擇了最具有代表性的SF6混合氣體進行研究，根據目前已有研究， SF6/N2、SF6/Air(空氣)、SF6/CO2、SF6/CF4和SF6/He被視為SF6的潛在替代絕緣氣體[18-20]，這5種SF6混合氣體具有相對較高的應用價值，因此本文研究上述5種混合絕緣氣體在0.4 MPa氣壓(絕對壓力，下同)，0～100%混合比例下在均勻電場中的工頻擊穿特性，根據試驗結果分析了不同緩沖氣體和不同混合比例對工頻擊穿電壓的影響，并通過協同效應系數公式對擊穿電壓的變化曲線進行了擬合，得到的不同混合絕緣氣體的協同效應系數，從而對不同緩沖氣體與SF6的協同效應強弱進行了對比，從電子能量分布的角度理論分析了不同緩沖氣體與SF6的協同效應強弱對比，理論分析結果與試驗分析結果一致，為混合絕緣氣體選取緩沖氣體提供了參考依據。

1 試驗裝置與方法

1.1 試驗平臺

本文采用的工頻擊穿試驗回路如圖1所示，其中試驗變壓器額定輸入電壓為50 Hz，220 V交流電壓，額定容量30 kVA；保護電阻為10 kΩ；電容分壓器的變比為1 000∶1，電容分壓器與電壓表經計量院校準，測量誤差<1%。提供試驗氣體環境的試驗腔體為不銹鋼制成，容積為10 L，最大長期耐受氣壓為0.7 MPa(絕對壓力)，內部電極為平板電極，用于模擬均勻電場，試驗時使用環氧樹脂支架固定電極并調節電極間距，結構如圖2所示。

1.2 試驗方法

試驗前需要對試驗腔體內部進行清洗和對試驗電極進行打磨，并用無水酒精清潔電極表面，最后對試驗腔體進行正壓和負壓的氣密性檢查。試驗環境溫度保持20 ℃，工頻擊穿試驗的加壓方法為逐級升壓法，對每一種試驗條件，先進行試驗得到首次擊穿電壓Ub0，后續試驗以Ub0為基準，先快速升壓到Ub0的75%，然后以每秒2%Ub0左右的速度進行升壓直至擊穿，記錄此時的擊穿電壓，每兩次擊穿試驗間隔至少3 min，以保證氣體的絕緣強度得以恢復，每個試驗條件下取10個有效數據(數據的相對平方差<5%)。

本文需要對多種SF6混合氣體進行0～100%混合比例的工頻擊穿試驗(50%以下間隔為5%，50%以上間隔為10%)，試驗量較大，為提高試驗效率，減少試驗使用的SF6，對混合氣體的充氣方法進行了優化。以往進行混合絕緣氣體的擊穿試驗，每個比例都需要重新配置氣體再進行試驗；而根據道爾頓分壓定律，混合氣體的組分在腔體內的分壓相當于它獨自存在時的分壓，并在腔體內均勻分布，由此采取了混合比例從高到低的配比方法，每次試驗不需要重新配置，而是放出一部分混合氣體，再充入緩沖氣體至試驗氣壓，從而實現混合比例的變化，大大提高了試驗效率，具體操作步驟及計算如圖3所示。

為了驗證優化試驗方法不會影響到試驗結果的準確性，選取了SF6/N2混合氣體，在2.5 mm電極間距，20 ℃環境，0.3 MPa氣壓下，使用兩種不同的配比方法進行驗證試驗，并對兩種方法得到的試驗結果進行對比，驗證試驗結果如圖4所示，從試驗結果可以看出，兩種方法的工頻擊穿試驗結果基本相同，說明了優化的混合氣體配比方法的可行性。

2 試驗結果與分析

2.1 混合比對SF6混合氣體擊穿電壓的影響

試驗對象為SF6/N2、SF6/Air、SF6/CO2、SF6/CF4和SF6/He五種混合氣體，試驗氣壓為0.4 MPa(絕對壓力)，電極間距為5 mm，SF6的占比為0～100%，考慮到SF6/N2、SF6/Air、SF6/CO2、SF6/CF4在實際應用中為降低液化溫度和GWP值，混合氣體中SF6的占比一般較低，因此本文對低比例下的擊穿電壓更為關注，對低于50%的混合比例采取5%為間隔，高于50%的混合比例采取10%為間隔，而SF6/He的應用比例不固定，采取10%為間隔。工頻擊穿電壓的試驗結果在圖6中有所展示。此外，本文引入了擊穿電壓相對值，將擊穿電壓除以同一試驗過程中純SF6的擊穿電壓，這樣可以與純SF6的絕緣性能進行對比，也可以降低因試驗平臺引起的誤差，從而對5種混合氣體進行對比，不同緩沖氣體的混合氣體的擊穿電壓相對值如圖5所示。

根據圖5擊穿電壓相對值的對比，在僅考慮工頻擊穿電壓的情況下，SF6/N2在5%～80%的比例下擊穿電壓都是最高，SF6/Air次之，SF6/CO2與SF6/CF4的擊穿電壓十分接近，SF6/He的擊穿電壓則遠遠小于其他4種混合氣體。在80%混合比例以后，由于SF6占比較大，此時混合氣體的絕緣性能都十分接近純SF6，不同SF6混合氣體之間的擊穿電壓差距也很小，此時試驗誤差很容易影響到不同混合氣體之間擊穿電壓的強弱對比，例如SF6/N2的擊穿電壓在90%混合比例時略低于SF6/Air，但這并不影響對不同SF6混合氣體絕緣性能的整體強弱對比。此外，SF6/N2、SF6/Air、SF6/CO2、SF6/CF4混合氣體的擊穿電壓隨混合比例增大呈明顯的非線性變化，并且擊穿電壓均在低混合比例時(0～20%)上升較快，隨后緩慢上升。與其他4種混合氣體明顯不同的是，SF6/He的擊穿電壓隨混合比例呈線性變化。如果以80%的SF6絕緣性能為要求，SF6/N2、SF6/Air、SF6/CO2、SF6/CF4和SF6/He分別需要的SF6比例約為20%、35%、45%、50%和75%。

2.2 不同緩沖氣體與SF6協同效應的對比

為了能定量對比不同緩沖氣體與SF6的協同效應，采取Takuma等人提出的協同效應系數公式對試驗結果進行擬合，擬合公式[12]為

(1)

式中：Um為混合比例為k時的擊穿電壓；U1為SF6的擊穿電壓；U2為緩沖氣體的擊穿電壓；C為協同效應系數。為降低試驗誤差的影響，采取擊穿電壓相對值進行擬合，擬合公式修改為

(2)

式中：Umr和U2r分別為混合氣體和緩沖氣體純氣的擊穿電壓相對值。由公式可知，在出現協同效應的情況下，協同效應系數C在0～1的范圍內變化，并且C越小，協同效應越強。

擬合結果如圖6所示，結果的具體數值如表1所示。

表1 兩種擬合公式的擬合結果

為了對擬合結果的效果進行評價，對擊穿電壓相對值的試驗結果同時采取了冪函數經驗公式擬合的方式進行對比，擬合公式[21]的形式為

Umr=kp。

(3)

式中p為經驗公式擬合得出的結果，經驗公式與協同效應系數公式不同，經驗公式沒有物理意義，僅用于對混合氣體擊穿電壓的預測。

兩種擬合方法均采用Levenberg-Marquardt優化算法，具體的試驗結果與兩種公式的擬合結果如圖6所示。從圖中可以看出兩種擬合方法得到的擬合曲線結果十分接近，表1中的擬合優度R2可以表征擬合效果的好壞，協同效應系數公式擬合曲線的R2均大于0.960，這說明協同效應系數公式的擬合效果較好，經驗公式對SF6/N2、SF6/Air、SF6/CO2試驗結果的擬合優度R2略高，但在0～5%的混合比例處對SF6/CF4試驗結果的經驗公式擬合結果明顯偏離了試驗結果，導致擬合曲線的擬合優度只有0.933，擬合效果較差，而協同效應系數公式的擬合效果好于經驗公式擬合，這是由于協同效應系數公式相比經驗公式參考了緩沖氣體純氣的擊穿電壓相對值，作為對擬合曲線的擬合結果的限制，從而避免了較大誤差的產生。

根據表1中協同效應系數公式的擬合結果C的數值，C數值越小，混合氣體的協同效應越強，根據混合氣體總體的協同效應系數C對比可以得出，N2與SF6的協同效應最強；空氣次于N2，這可能是由于空氣中接近百分之八十的成分為N2；CO2與SF6的協同效應弱于N2與空氣，但明顯優于CF4，SF6/CO2和SF6/CF4擊穿電壓十分接近的原因是CF4本身絕緣性能很高。

而對于SF6/He混合氣體，由于其擊穿電壓隨混合比例的變化接近于線性變化，所以區別于另外4種混合氣體，對試驗結果進行了線性擬合，擬合優度R2達到了0.993。這說明了混合氣體的擊穿電壓是SF6和He兩種純氣擊穿電壓的線性疊加，對應協同效應系數C為1的情況，這說明兩種氣體之間沒有協同效應。

綜合上述對試驗結果的整體分析，得出各種緩沖氣體與SF6協同效應的強弱對比，由強到弱的排列為：N2>Air>CO2>CF4>He。

3 協同效應機理分析

絕緣氣體高絕緣性能的主要來源是對電子的吸附能力，但是對電子的吸附能力不僅取決于絕緣氣體本身，也取決于電子的速度。SF6的3種吸附電子碰撞的碰撞截面如圖7所示[22]。碰撞截面的大小決定了SF6對電子的吸附能力，可見SF6對分布在 0～1 eV電子能量的電子吸附能力較強，對于更高電子能量，電子的吸附碰撞截面下降了多個數量級，相應的吸附電子的能力也大大下降。緩沖氣體降低了電子的速度，使電子更多地分布在低能量區域，使SF6更容易吸附電子，從而提高了混合氣體的絕緣性能，從這個角度，可以對不同緩沖氣體與絕緣氣體協同效應的強弱進行對比。

為獲得不同緩沖氣體的電子能量分布，采用了BOLSIG+軟件對不同緩沖氣體的二階近似Boltzmann方程組進行了求解。考慮到SF6的臨界約化場強約為350 Td，分別設定約化場強為140、245和350 Td，對應工頻試驗結果中的0.4倍到1倍SF6擊穿電壓。不同緩沖氣體的電子能量分布如圖8所示。

根據圖8中不同緩沖氣體電子能量分布，發現在低電子能量區域，在某一電子能量后，分布概率開始快速下降。考慮到SF6的吸附碰撞截面主要分布在0～1 eV，對比了不同緩沖氣體在0～1 eV的電子能量分布函數，可以得出電子能量分布概率的大小由高到低為：N2>Air>CO2>CF4>He。電子能量分布在0～1 eV的概率越大，越能發揮SF6的吸附能力，也說明緩沖氣體對電子的緩沖能力越強，表現在宏觀上，就是與SF6的協同效應越強，混合氣體的絕緣性能越高。根據上述分析，可以推斷出緩沖氣體對電子緩沖能力大小的對比，得到結果為N2>Air>CO2>CF4>He，即與SF6協同效應強弱的對比，與根據工頻擊穿試驗結果得到的與SF6協同效應強弱順序完全一致，證明了這種理論分析方法的合理性。未來在為新型絕緣氣體選取合適的緩沖氣體時，可以根據絕緣氣體的吸附碰撞截面的分布與不同緩沖氣體的電子能量分布，對比得出協同效應更強的緩沖氣體。

此外，以N2為例，如圖9可以看出隨著約化場強的增大，電子在低電子能量的分布概率逐漸降低，這使得SF6的吸附能力降低，協同效應因此降低。反映到擊穿電壓上，在低混合比例時，混合氣體的擊穿電壓較低，約化場強較低，協同效應高；反之在高混合比例擊穿電壓較高，約化場強較高，協同效應低，這在一定程度上解釋了為什么混合氣體的協同效應會隨著混合比例的增大而降低。

4 結 論

本文使用優化混合絕緣氣體協同效應測試方法，研究了均勻電場下不同SF6混合氣體的協同效應的強弱對比并進行了機理分析。主要結論如下：

1)使用協同效應系數公式對不同SF6混合氣體的工頻擊穿試驗結果進行了擬合，協同效應系數公式擬合效果良好，并根據擬合結果得出了不同緩沖氣體與SF6協同效應的強弱排序：N2>Air>CO2>CF4>He。

2)從絕緣氣體吸附分布與緩沖氣體電子能量分布的角度分析并解釋了不同緩沖氣體與SF6協同效應的強弱，電子能量分布在低能量區的概率越大，說明緩沖氣體對電子的緩沖能力越強，表現在宏觀上，就是與SF6的協同效應越強，混合氣體的絕緣性能越高。理論分析得出的協同效應的強弱排序與試驗結果一致，證明了這種理論分析方法的合理性。