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六氟化硫氮混合气体的放电特性


江          苏 电 机 工 程                          22 卷 第 3 期    第 2003 年 5 月 Jian gsuElectricalEn gineerin g

73

六氟化硫 氮混合气体的放电特性
DischargeCharacterofSulfurHexafluoridean

dNitro genMixedGas

邱   ,陈庆国 兵
( 哈尔滨市安装公司 ,黑龙江 哈尔滨 150046 )
摘   :为了探讨六氟化硫 氮混合气体代替纯六氟化硫气体作为组合电器绝缘介质的可行性 ,阐述了六氟化硫 氮混合气 要 体放电的基本参数 ,给出了 Wieland插值的适用条件 ,并对六氟化硫 氮混合气体在不同混合比 、 电压波形及气压下的放电 特性进行了试验研究 。研究结果表明 ,六氟化硫 氮的电晕稳化作用比纯六氟化硫要强 ; 较高气压时 ,混合气体在较高频率 快速暂态过电压作用下的击穿电压比较低频率作用下的要低 。研究结果还表明 ,均匀场中混合气体击穿电压与气压基本 呈线性关系 ,所以在不改变现有组合电器结构及其尺寸的情况下 ,可增加混合气体的压力来保证组合电器的绝缘强度 。 关键词 : 六氟化硫 氮 ; 相对耐电强度 ; 击穿 ; 组合电器 中图分类号 :TM561.3 文献标识码 :A 文章编号 :1009-0665 ( 2003 ) 03-0037-03

   对六氟化硫 ( SF6 ) 的混合气体作为绝缘介质的研 究早在 20 世纪 70 年代就已开始了 。当时考虑用混合 气体代替 SF6 气体的主要原因有 : 混合气体对电场不 均匀性不像纯 SF6 气体那样敏感
[1]

η
N

; 可解决高寒地区

∫Q vf ( v ) d v = ( 2/ m )   ∫Q ε f (ε) dε W
=

1



W

0

a

e

1/ 2



0

a

1/ 2

( 2)

SF6 的液化问题 ; 可降低气体绝缘设备的成本 。但由

于在均匀场中 ,相同气压的 SF6 混合气体的耐电强度 没有纯 SF6 气体的高 , 故仍用纯 SF6 作为气体绝缘介 质 。上世纪 90 年代 ,SF 6 气体的温室效应引起了各国 环保专家的重视 。尽管气体绝缘开关装置 —— — 组合电 器 ( GIS) 的年气体泄漏率小于 1%, 但 SF6 化学稳定性 高 ,在大气中寿命长达 3200 年 。因此 1997 年的京都 会议已将 SF6 列为全球 6 种温室气体之一 。为此 , 国 外开展了混合气体的研究 , 以期利用低含量 SF6 混合 气体 ( SF6 <30% ) 来代替纯 SF 6 气体 。目前来看 ,较有 应用前景的是六氟化硫 氮 ( SF6 /N 2 ) 混合气体 [2] 。从 以往的研究结果表明 , 上述混合气体在放电时并没有 新的毒物生成 [3] , 且对电极表面缺陷的敏感程度较 小 [3] ,因而极具良好的应用前景 。现从理论分析与实 验研究两方面 ,对 SF6 混合气体的绝缘特性进行研究 , 并探讨了在不改变现有 GIS 结构及其尺寸的基础上 , 用混合气体代替纯 SF6 气体的可能性 。

式中 , m e 为电子质量 ; f ( v ) 、 (ε 分别为电子速度分 f ) 布函数和电子能量分布函数 。 ) 对 SF 6 及其混合气体 ,当其有效电离系数 (α - η 在接近自持放电条件时 ,可用下式表示 α- η E E
N = C N N
0

( 3)

式中 ,

E N

为当 α= η时的
0

E 值。 N

对混合气体 ,Wieland 提出了近似插值算式[4] α  α = F A + ( 1 - F) α = α + F (α - α ) ( 4) M B B A B η η   M = F A + ( 1 - F) η = η + F (η - η ) ( 5) B B A B 式中 ,α 、B 、M 分别表示气体 A 、 与混合气体 M 的 B A α α 电子碰撞电离系数 ;η 、 B 、 M 分别表示上述气体的 A η η 电子附着系数 。 将 ( 4) 式与 ( 5) 式代入 ( 3) 式 ,可得混合气体的耐电 强度表达式
E N =
0M

FCA E ? FCA + ( 1 - F) CB N

+
0A

1  混合气体放电参数的描述
描述气体放电参数 [4] 主要有 : 电子碰撞电离截面 Qi 、 电子附着截面 Q a 、 电子碰撞电离系数 α、 电子附着 η Q 系数 η 及临界场强 ( E/ N ) cr 。参数 α、 、 i 及 Q a 是 ε的函数 ,可写成如下关系式 电子速度 v 或电子能量 α 1 ∞ = Q i vf ( v ) d v =
N

 

( 1 - F) CB E ? FCA + ( 1 - F) CB N

( 6)
0B

( 4) 式和 ( 5 ) 式的应用条件为 A 、 两种气体的电 B

子能量分布相同 。当混合气体各组分的电子能量分布 不同时 ,则插值算式不适用 。为验证该结论 , 分别对 SF6 /N 2 ( SF6 与 N 2 的电子能量分布相同 [5] ) 、 6 /Ar 、 SF
SF6 /Kr ( SF 6 与 Ar 和 Kr 的电子能量分布不同 [5] ) 的 α
7] ( 和η进行了测量 [6 、 ,结果如图 1 的 ( a) 、b) 所示 。 由图 1 (a) 中可看出 ,在电离室中 ,测得的 SF6 /N 2 混

∫ ( 2/ m )   ∫Q ε W
W
0 e 1/ 2



1/ 2

0

i

) ε f (ε d

( 1)

合气体在

E =66.7V/ p

( m? ) 时的 α p 和 η p 随 SF6 Pa / /

收稿日期 :2002-01-11;

修回日期 :2002-12-26

含量 F 的 变 化 非 常 接 近 线 性 函 数 , 而 图 1 ( b ) 中

83

江          苏 电 机 工 程

α p 和 η p随 SF6 含量 F 的变化呈非线性函数 。这 / / 一结果验证了所给出的 Wieland 插值应用条件 。

强度基本上随气压的升高而线性上升 。图 3 示出了 SF6 和 SF 6 /N 2 ( SF6 气体含量为 1% ) 混合气体在直流 电压作用下的击穿电压 V b 随气压 p 变化曲线 。

图3  均匀或稍不均匀场中 SF 6 /N 2 击穿特性

3.2   极不均匀场下的试验结果

虽然 GIS 在设计时采用均匀或稍不均匀场结构 , 但在运行中难免会由于导电微粒等原因导致电场集 中 。图 4 给出了极不均匀场作用下 SF6 及 SF 6 /N 2 混 合气体击穿电压随气压变化的试验结果 。

图1  混合气体 α/ p 和η/ p 随 SF 6 含量 ( F) 的变化

2   6 含量对 SF 6 /N 2 耐电强度的影响 SF
在均匀或稍不均匀场中 ,SF6 /N 2 的击穿强度与 SF6 含量的关系如图 2 所示。由图 2 看出 ,该混合气体的相 对耐电强度 R 随 SF6 含量的增加而迅速提高 ,然后渐 趋饱和 ,这与利用 (4) 式和 ( 5) 式所得的理论计算结果很 相符。根据图 2 所示的实验结果 ,可得出 SF6 /N 2 相对 耐电强度 R 与 SF6 气体含量 F 的关系[3] 为
R SF6/N 2 = F
0 . 18

图4  极不均匀场中 SF 6 及 SF 6 /N 2 混合气体击穿特性

( F > 0 . 1 )  ( 7 )

上式可在 SF6 耐电强度已知的情况下 ,对 SF6 /N 2 混合气体的耐电强度进行较有效的估计 。

由图 4 看出 , 压力 p =0.22MPa ( 气体绝缘变压 器的工作气压 ) 时 , 极不均匀场中 SF6 /N 2 混合气体 ( 0.8/0.2 ) 在直流电压作用下的击穿电压比纯 SF6 气 体的高 43%, 在冲击电压作用下要高出 25% 。这是电 晕稳化作用加强的结果 。这也再次证明向 SF6 气体中 加入 N 2 可降低 SF6 对电场不均匀性的敏感程度 。

4  不同电压波形下 SF 6 /N 2 的放电特性
4.1   雷电冲击下的放电特性

压力 p =0.1MPa 时 ,稍不均匀场中 SF6/N 2 混合气 体在负极性雷电冲击 (LI ) 作用下的放电特性如图 5 所示。
图 2   6 /N 2 混合气体相对耐电强度 SF

由图 5 看出 ,LI 作用下的击穿电压随 SF6 气体含 量的增加而增加 ,最终趋于饱和 。试验表明 ,在直流及 工频电压作用下 SF6 /N 2 击穿电压随 SF6 气体含量的 变化趋势与图 5 所示雷电冲击下的情况基本相同 。
4.2   快速振荡冲击下的放电特性

3  不同电场分布下 SF 6 /N 2 的击穿强度
3.1   均匀或稍不均匀场下的试验结果

均匀或稍不均匀场中 ,SF 6 及其混合气体的耐电

GIS 中的开关操作会在 GIS 中产生波头极陡并伴

邱  兵等 : 六氟化硫 氮混合气体的放电特性

93

特性进行了探讨和研究 。研究结果表明 :

图5  负极性雷电冲击作用下 SF 6 /N 2 放电特性

有高频振荡的快速暂态过电压 ( VFTO ) 。而实际运行 中这种快速暂态过电压是不可避免的 , 为此有必要对
SF6 /N 2 混合气体在 VFTO 作用下的放电特性进行研

图7  快速暂态电压下 SF 6 /N 2 击穿电压与气压的关系

究 [8] 。图 6 给出了极不均匀场中 ,VFTO 作用下混合 气体在不同 SF6 含量时的放电特性 。 由图 6 看出 ,VFTO 作用下混合气体的击穿电压 随 SF6 气体含量的增加而升高 , 当 SF6 含量超过一定 值时 , 较 高 频 率 VFTO 下 的 击 穿 电 压 比 较 低 频 率 VFTO 下的要低 。

( 1) 在均匀场中 , 只有混合气体各自组分的电子

能量分布相同时 , 才能用 Wieland 插值计算其电子碰 撞电离系数及电子附着系数 ; ( 2) 极不均匀场下 , 混合气体中电晕稳化作用比 纯 SF6 气体中的要强 ; ( 3) 在较高气压时 , 混合气体在较高频率 VFTO 作用下的击穿电压比较低频率 VFTO 作用下的要低 , 且频率越高 ,击穿电压降低得越多 ; ( 4) 均匀场中 ,混合气体击穿电压与气体压力基本 呈线性关线 ,所以在不改变现有 GIS 结构及其尺寸的情 况下 ,可增加混合气体的压力来保证 GIS 的绝缘强度。 参考文献 :
[1]   QiuY,ChalmersID.Effectofelectrodesurfacerou downinSF
6/N 2

andSF 6/CO 2 gasmixtures[J].J.Ph parisonofSF
6 6/N 2

图6  快速振荡冲击作用下 SF 6 /N 2 放电特性

Phys.,1993,26

(11) :1928-1932.

[2]   QiuY,KuffelE.Com asalternativestoSF

andSF 6/CO 2 gasmixtures

5  气压对 SF 6 /N 2 放电特性的影响
在工频 、 直流及雷电冲击电压作用下 ,均匀或稍不 均匀场中 ,SF 6 /N 2 混合气体的耐电强度在一定范围内 基本上与气压呈线性关系 。但在极不均匀场中 , 直流 及工频电压作用下 SF6 /N 2 混合气体也会如纯 SF6 气 体出现驼峰 ( 如图 4 所示) , 而在冲击及快速暂态电压 作用下混合气体击穿电压与气压基本上呈线性关系 ( 如图 4 及图 7 所示) 。 由于 GIS 在设计时常采用均匀场或稍不均匀场 结构 ,所以用 SF6 /N 2 代替纯 SF6 气体作为绝缘介质 时 ,击穿电压与气压可认为呈线性关系 。由此再根据 ( 7) 式可估算出在不改变现有 GIS 绝缘结构及其尺寸 的情况下 , 用一定混合比的 SF6 /N 2 代替纯 SF6 所应 采用的气压值 。如采用 30/70 的 SF6 /N 2 时 ,需将 GIS 的充气压力从 0.4MPa 提高到 0.5MPa 。

gas[J].IEEETrans.DielectricsandElectrical Insulation,1999,6 (6) :892-895.

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SF 6/ArandSF

6/Kr

gasmixtures[J].J.Ph

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mixturesforver

yfasttransientvolta

IEEEInt,S ymp.,Elec.,Insul.,Toronoto,1990,

作者简介 : 技术工作 ; 从事高电压设备 、 气体绝缘的研究 。

邱   (1970- ) ,男 ,黑龙江哈尔滨人 ,哈尔滨市安装公司工程师 , 从事 兵

6  结论
从理论和试验两方面对 SF6 /N 2 混合气体的绝缘

陈庆国 (1970- ) ,男 ,黑龙江肇源人 , 讲师 , 西安交通大学在读博士生 ,

ghnessonbreak 2 ys.D:A ppl. ppl.Ph ys.,
6


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