关于SF6_N2混合气体电气绝缘性能分析

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关于SF6/N2 混合气体电气绝缘性能分析
发布时间:2021-05-31T15:32:17.587Z 来源:《基层建设》2020年第30期作者:王荣[导读] 摘要:国内外学者对SF6替代气体做了大量研究,目前尚未寻找出能有效替代 SF6 的气体,为了减少SF6气体的使用量,提出了SF6混合气体的研究方案。

现代重工(中国)电气有限公司江苏镇江 212200摘要:国内外学者对SF6替代气体做了大量研究,目前尚未寻找出能有效替代 SF6 的气体,为了减少SF6气体的使用量,提出了SF6混合气体的研究方案。

目前SF6混合气体是短期内有效减少SF6在电力设备中使用量的方法之一,初步研究表明,SF6 /N2 混合气体具有较强的电气绝缘性能,使得SF6 /N2混合气体具有极好的应用前景。

关键词:SF6气体;N2气体;SF6 /N2 混合气体;电气绝缘性能 SF6气体因介电强度高、灭弧能力强等特点被广泛应用于气体绝缘设备中,常态下 SF6气体是一种无色、无味、无毒的非可燃气体,分子量为146.06,密度为6.13g/L,约为空气的1.67倍,SF6具有极好的热稳定性,纯净SF6即使在 500℃以上的高温也不分解。

SF6气体溶点为-50.8℃,可作为高于-45℃温度的特殊致冷剂。

其耐热性好,是一种稳定的高温热载体,在设备中的散热能力也随气压的增加而增大。

SF6具有较强的电负性,分子体积大,容易捕获电子并吸收,形成低活动性的稳定负离子,使 SF6气体具有很高的绝缘强度。

在断路器中,当 SF6气体分解时吸收大量的热量,可使电弧迅速冷却;当弧隙电流过零后,较强的电负性及优异的散热特性,使弧隙的绝缘强度迅速恢复,经10~7 s后即可复合成原来的SF6气体,其性能无明显下降。

因此,SF6灭弧能力相当于同等条件下空气的100倍。

由于SF6是一种优良的绝缘与灭弧介质,国内外厂商在气体绝缘变压器变压器(Gas Insulated Transformer GIT)、互感器、气体绝缘缆电缆(GasInsulated Cable GIC )、气体绝缘金属封闭输电线路(Gas InsulatedTransmission Line GIL)和气体绝缘封闭式组合电器(Gas InsulatedSubstation GIS)等逐渐扩大采用SF6气体作为绝缘。

近年来,国内外开始将 SF6 /N2混合气体应用于气体绝缘金属封闭输电线路等相关电气开关设备中,混合气体中的 SF6气体的体积分数低,极大地减少 SF6气体的使用量,如富士公司研发的 24kVSF6 /N2 CGIS产品中 SF6气体用量为 4.4kg,比同类 SF6产品降低了63%。

如西门子公司研制出混合比为60%:40%的 500kVSF6 /N2断路器,成功开断6kA 短路电流。

目前关于 SF6 /N2混合气体击穿特性的研究,主要关注电场不均匀程度对混合气体击穿电压的影响。

一、N2与SF6气体电气性能比较:
随着电场强度的增加,SF6气体中有效电离系数α的增长速率远大于N2,即 SF6气体中电子崩内电子数的增长远快于N2,这使得极不均匀场中SF6 的局部放电起始电压高出N2的局部放电起始电压不多,甚至十分接近。

同理,极不均匀场中 SF6 /N2混合气体的局部放电起始电压将与N2的局部放电起始电压更加接近。

另一方面是空间电荷的影响不同。

SF6气体分子的直径大,且分子质量也远大于N2,因此与N2相比,SF6电离或电子附着而产生的离子迁移率小、驱引速度低,这使得棒板电极结构中棒电极周围的空间电荷十分密集,不易形成均匀的空间电荷层用以改善棒电极附近电场集中的情况,而N2解离形成的离子可以更好地向外迁移,形成稳定的空间电荷层以改善强场区的电场分布。

也就是说,此时 SF6中电晕稳定化的效果不如同一电场结构下的N2强。

且在雷电冲击下,电压上升率较高,给予离子迁移的时间较短,使得上述现象更加明显,N2中更易形成较大尺寸的稳定电晕;而当气压升高时,SF6中空间电荷的迁移扩散将受到明显阻碍,导致空间电荷更加密集,而N2中空间电荷迁移扩散受气压影响小于 SF6。

N2与 SF6气体的放电过程也是不同的。

对于N2而言,此时的间隙距离 d 很小(d=5 cm),远不足以发生先导放电过程,因此,N2中的放电过程是流注放电过程。

SF6的放电过程是流注–先导的放电过程。

前面分析说明,SF6解离产生的离子不易迁移扩散,使得流注电晕半径较小,电荷密度更大,更容易使流注通道根部加热,在流注还不足以贯穿整个间隙的情况下,流注根部出现热电离,转化为先导,电离程度加强,电导明显增大,轴向场强显著降低,使得先导头部的流注区域的场强增加,进而引起新的流注,先导也不断增长。

随着电压继续升高,先导贯穿整个间隙,完成击穿过程。

向N2中加入少量 SF6后,流注电晕半径显著减小,电荷密度增大,使流注通道根部加热形成先导,由于先导的出现,使得平均击穿场强显著降低,即出现了负协同效应。

二、N2与 SF6混合气体电气性能分析:
工频电压下混合气体与 SF 6 击穿电压对比
如图所示,0.5MPa 的 SF6工频击穿电压与 0.8MPa 的20%SF6 /80%N2工频击穿电压基本接近,0.5MPa 的 SF6工频击穿电压比 0.8MPa 的 20%SF6 /80%N2工频击穿电压高 10kV 左右,0.5MPa 的SF6工频击穿电压比 0.6MPa 的 30%SF6 /70%N2工频击穿电压基本相似,仅高3kV 左右,0.5MPa 的 SF6工频击穿电压比 0.6MPa 的50%SF6 /50%N2工频击穿电压低了 10kV 左右,比 0.5MPa 的50%SF6 /50%N2工频击穿电压高 16kV 左右,因此只考虑绝缘方面,工频交流电压下,在工程上可以考虑使用 0.6MPa 的 30%SF6 /70%N2、稍低于 0.6MPa 的50%SF6 /50%N2代替 0.5MPa 的 SF6的使用。

0.4MPa 的 SF6工频击穿电压与 0.8MPa 的 20%SF6 /80%N2工频击穿电压相比,0.5MPa的SF6工频击穿电压比0.6MPa的20%SF6 /80%N2工频击穿电压低 4kV 左右,0.5MPa 的 SF6工频击穿电压比 0.5MPa的 30%SF6 /70%N2工频同样低3kV 左右,0.5MPa 的 SF6工频击穿电压比 0.5MPa 的 50%SF6 /50%N2工频击穿电压低了 14kV 左右,比0.4MPa 的 50%SF6 /50%N2工频击穿电压高 14kV 左右,因此只考虑绝缘方面,工频交流电压下,在工程上可以考虑使用 0.6MPa 的20%SF6 /80%N2、0.5MPa 的 30%SF6 /70%N2、大约 0.45MPa 左右的50%SF6 /50%N2代替 0.5MPa 的 SF6的使用。

1、不同气体压强不同混合比的最大电场强度:
2、工频电压下混合气体与SF6击穿电压比较:
三、总结:
1、雷电冲击击穿电压随气体压强增大基本成线性增长趋势;随着 SF6占比增大击穿电压随之增大,但是击穿电压增长速度会逐渐变缓。

当 SF6占比由 20%变为 30%时,击穿电压出现明显的上升,当 SF6占比由 30%变为 50%时,击穿电压增长很小,在部分气压下甚至出现负增长。

2、工频电压下,击穿电压随压强增长呈线性增长趋势,击穿电压随 SF6 占比增加而增大,增长速度逐渐变缓。

与纯 SF6 击穿电压对比可以看出:0.5MPaSF6与0.6MPa 的 30%SF6 /70%N2 、0.55-0.6MPa 的 50%SF6 /50%N2 混合气体绝缘性能相当;0.6MPaSF6与 0.7-0.75MPa 的 30%SF6 /70%N2 、0.7MPa的 50%SF6 /50%N2 混合气体绝缘性能相当。

参考文献
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