SF6／N2混合氣體電氣性能研究及應用綜述

1、SF6/N2混合氣體電氣性能研究及應用綜述作者：閆向鵬，戚瑋，何寶林來源：科技視界2015年第28期閆向鵬戚瑋何寶林（河南平高電氣股份有限公司，河南平頂山467000）【摘要】綜述了國內(nèi)外研究機構(gòu)在SF6/N2混合氣體的電氣性能方面的研究及應用狀況,可以看出，近年來國內(nèi)外在這一領(lǐng)域的研究逐步深入，不斷地為新型高壓電器的研發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持?！娟P(guān)鍵詞】SF6/N2混合氣體；電氣性能；絕緣性能；滅弧特性；高壓電器0引言在高壓、特高壓和超高壓領(lǐng)域，SF6氣體以其良好的滅弧性能和絕緣特性得到了廣泛的應用。然而，由于SF6氣體液化溫度較高，在一些高寒地區(qū)，過低的環(huán)境溫度使得SF6氣體液化壓力下降、

2、絕緣性能明顯降低，進而導致設備不能正常工作。另外，SF6氣體作為溫室氣體，其全球變暖系數(shù)（GWP）比C02氣體高出23900倍。因此，尋找一種能夠代替SF6或者部分代替的環(huán)境友好型氣體，已經(jīng)成為國內(nèi)外研究的熱點問題之一1。從SF6作為絕緣介質(zhì)首先應用于電力系統(tǒng)以來，國內(nèi)外研究者從未間斷過在SF6替代氣體作為絕緣介質(zhì)方面和減少SF6排放等的研究，也取得了不少有意義的成果。研究表明，SF6與化學性能穩(wěn)定、價格便宜的非負電性氣體N2構(gòu)成的二元混合氣體最有工業(yè)應用前景2。因此,對SF6/N2混合氣體電氣特性的研究也引起了眾多學者的高度關(guān)注，并進行了非常有價值的研究工作。1針對SF6/N2混合氣體絕緣性

3、能的研究伊斯坦布爾科技大學的E.Onal等人采用桿-面電極、間隙可調(diào)的試驗裝置對非均勻電場下SF6，N2及SF6/N2混合氣體的交流擊穿強度進行了實驗研究3-4。ffl1顯名一E-E-一E-CnEwyp蟲沖怛wJl-b如圖1,N2的擊穿特性隨壓強近似線性變化，而SF6和SF6/N2混合氣體均有最大最小值,尤其在間隙大于15mm；N2+0.125%SF6的擊穿電壓在間隙5-20mm、壓強100-500kPa時均高于N2,而較SF6低，僅在400-500kPa、間隙為25mm時擊穿電壓跌落到N2之下。從圖2還可看出,隨著間隙的增大，N2+0.125%SF6的擊穿電壓波動較大。斯特賴斯克萊德大學的Q

4、iuXQ等人分別對SF6,N2和SF6/N2在不同間隙長度下進行了一系列最小脈沖擊穿試驗5。試驗結(jié)果表明：滬它Kim3M=F.*C小沖序電壓醫(yī)肌體帀議的至代若提高SF6/N2混合比例為50/50，則混合氣體的擊穿電壓為純SF6氣體的80%。西安交通大學邱毓昌等人通過不同混合比、不同壓力下SF6/N2混合氣體的工頻耐壓試驗和操作沖擊耐壓試驗對其絕緣特性進行了大量研究工作6-7。研究結(jié)果表明：在均勻場中，當混合氣體各自組分的電子能量分布相同，才能用Wieland插值計算其電子碰撞電離系數(shù)及電子附著系數(shù)；在極不均勻場下，混合氣體中的電暈穩(wěn)化作用比純SF6氣體中的要強；在氣壓較高時，混合氣體在較高頻率

5、VFT0作用下的擊穿電壓比較低頻率VFT0作用下的要低，且頻率越高擊穿電壓降低得越多；均勻場中混合氣體的擊穿電壓與氣體的壓強基本呈線性關(guān)系。2針對SF6/N2混合氣體滅弧特性的研究三菱公司的Kokura等人研究了在隔離開關(guān)中采用SF6/N2混合氣體的開斷性能，并采用永磁體產(chǎn)生的磁場驅(qū)動電弧運動，通過燃弧時間的長短來衡量其開斷能力8。研究表明，加入的驅(qū)動磁場強度對于純SF6的開斷性能幾乎沒有影響，但當采用SF6/N2混合氣體時，其燃弧時間隨著磁場的增強而顯著縮短。當磁感應強度為0.59T,開斷電流為0.8kA(rms)時，含10%SF6的混合氣體具有和純SF6相同的燃弧時間。需要指出的是，限于隔

6、離開關(guān)實際的應用場合，其實驗電流最大為有效值4kA，遠低于高壓斷路器一般為幾十千安的額定短路開斷電流。因此，上述結(jié)論能否適用于高電壓、大電流的開斷還需進一步研究。韓國曉星公司的Song等學者研究了SF6/N2混合氣體的開斷性能，以期替代高壓斷路器中的SF6，并利用實際的170kV/50kA的壓氣式GCB進行實驗，通過弧隙所能承受的最大的恢復電壓上升率(RRRV)來研究其開斷性能，結(jié)果表明：對于SF6/N2混合氣體，當N2含量為25%時和純SF6有相同的開斷性能，而50%的N2時開斷性能較差9。開斷能力對比表如下：Si辛四1曲1平1卅1口7?1曲11曲同時，通過對氣缸內(nèi)部壓力的測量，可以得知純S

7、F6氣體的壓力上升率相對于SF6/N2混合氣體要高，進而表明氣壓上升率是決定開斷能力的一個很重要的設計因數(shù)。3SF6/N2混合氣體工程應用國際大電網(wǎng)會議(CIORE)組成特別工作組織(TASKFORCED1.03.10)，研究了SF6/N2混合氣體的絕緣性能及其使用方法，認為其適合用于氣體絕緣輸電管線(GIL)中。而在電壓等級比較高的高壓開斷設備中應用較少。20世紀70年代，Siemens公司研發(fā)出了420/550kV輸電管線，并用于瑞士的日內(nèi)瓦。由于采用模塊式結(jié)構(gòu)和20%SF6+80%N2混合氣體，相比原來的輸電管線降低費用一半。法國的EDF公司400kVGIL試驗線路采用的也是SF6/N2

8、的混合氣體，其體積比為1:9,充氣壓力為0.8MPa，該GIL的絕緣性能比同電壓等級的純SF6氣體的GIL還高。4結(jié)語可以看出，SF6/N2混合氣體的電氣特性在一些方面較純SF6氣體有更多的優(yōu)勢，特別是絕緣特性；若提高SF6/N2混合氣體中SF6含量即可提高其開斷能力。近年來，SF6/N2混合氣體的工程應用越來越多，及時深入地研究SF6/N2混合氣體的電氣特性，并盡快將其應用到實際的高壓電力開關(guān)設備，對于提高我國在該領(lǐng)域的研究水平具有重要的現(xiàn)實意義?！緟⒖嘉墨I】QiuY,KuffelE.ComparisonofSF6/N2andSF6/CO2GasMixturesasAlternativest

9、oSF6GasJ.IEEETrans.DielectriesandElectricalInsulation,1999,6(6):892-895.胡居明高壓斷路器實驗模型研制及不同氣體電弧特性研究D.西安:西安交通大學,2009.E.0nal,0.KalenderliandK.Mardikyan.BreakdowncharacteristicsofN2containing0.125%ofSF6C/Highcoltageengineeringsymposium,22-27august1999conferencepublicationNo.467,IEE,1999:305-308.E.0nal,0.

10、KalenderliandK.Mardikyan.BreakdowncharacteristicsofCO2andN2containing0.125%ofSF6innon-uniformfieldsC/ProceedingofXIIIInternationalConferenceonGasDischargesandtheirApplications,Glasgow,3-8september2000:370-372.XQQiuIDChalmersandPCoventry.AstudyofalternativeinsulatinggasestoSF6JJ.Phys.D:Appl.Phys.32(1

11、999)2918-2922.陳慶國，肖登明，邱毓昌.SF6/N2混合氣體的放電特性J.西安交通大學學報,2001,35(4):338-341.周輝,邱毓昌，仝永剛,等.N2/SF6混合氣體的絕緣特性J.高壓電器，2003，39(5):13-15.KokuraK,NakayamaY,HorinouchiK,etal.InterruptioncharacteristicsofdisconnectingswitchusingN2/SF6gasmixturesapplyingmagneticallydrivenarcmethodC/ProceedingoftheXIVInternationalConferenceonGasDischargesandtheirApplications.Liverpool,IEEE,2002:87-90.SongWP,YangDI,Chung