c-C4F8及其混合气体的灭弧性能

高小飞，陈 炯，李 峰，张周胜

(上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090)

高压断路器是电力系统最重要的控制和保护设备，当系统处于空载、负载或短路故障要求断路器动作时，它都能可靠地动作.当断路器开、断电路时，只要电路中的电流超过100 mA，电源电压超过几十伏，动、静触头间就会出现电弧［1］.灭弧的过程主要发生在断路器的灭弧室内，而高压气体断路器的灭弧室内通常充有SF6气体，几十年的实践证明，没有任何一种气体绝缘介质可与之相比［2］.但SF6也是一种很强的温室气体，其温室效应为CO2气体的23 900倍，排放到大气后能存在3 200年［2］.因此，寻求SF6替代气体的研究已在全球广泛开展.

SF6替代气体的选择主要从气体的导热系数、定压比热、绝热系数、液化温度等物理参数，电弧产物无毒或毒性等化学性质，以及电负性、温室效应等方面加以考虑.目前对SF6替代气体的研究主要集中在空气，CO2，H2，CF3I，N2，以及它们的混合气体［3］.

c-C4F8是一种温室效应值为8 700的气体，远低于SF6.它也是一种具有高绝缘性能的电负性气体，而且这种气体完全无毒，无臭氧影响.1997年美国国家标准和技术协会会议上已将c-C4F8混合气体列为最有潜力的SF6绝缘替代气体.其缺点是液化温度比较高，沸点为－8℃，较易液化，不适合在高寒地区使用，但它可以通过添加价格便宜的、液化温度较低且不存在碳分解的N2和CO2等缓冲气体得到缓解.

国内外一些学者已经对c-C4F8混合气体的绝缘性能进行了一定的研究，但对其灭弧性能的研究尚未有记载.因此，本文对c-C4F8气体及其混合气体进行了灭弧试验，测得其电弧的电压和电流值，计算了电弧时间常数和散出能量常数，并分析了其灭弧性能.

1 试验装置及回路

本试验的灭弧试验装置截面图如图1所示［4，5］.灭弧室由有机玻璃桶组成.静触头和动触头头部的材料为铜.静触头头部与静触头之间由螺纹啮合，必要时可以旋出或旋入以调节伸长位置.机械动作部分由电磁阀推动.经测量，当汽缸气压值为 0.3 MPa时，分闸速度为 1.8 m/s，合闸速度为 2.12 m/s.

图1 试验装置

图2为灭弧测试回路.灭弧试验装置初始状态为分闸状态，高压直流电源通过限流电阻R对电容C充电.当充电完成后，灭弧室中静触头和动触头两端电压为电容充电电压，电流为零.利用电磁阀控制试验装置合闸动作，此时电容C和电感L，以及试验装置和分流器形成导通回路，产生短路电流，灭弧室内气体放电击穿，形成电弧，然后由短路电流过零自然熄弧.串入试验装置下端的低感分流器用于测试电弧电流，电弧电压信号由电阻式分压器采集.考虑到放电电压及示波器的测试范围，选取分压比为1 000∶1.电弧电压和电弧电流波形由双踪记忆示波器记录.

图2 试验电路

2 麦也尔电弧模型及电弧参数计算

2.1 麦也尔电弧模型

所谓电弧模型，就是在能量平衡的基础上将电弧当作一个圆柱形的气体通道，而电导是随能量变化的.弧隙通过热传导、对流及辐射方式向其周围介质放出能量，故弧隙电阻实际上是由弧隙中输入与散出的能量之间的关系来决定的，它还与时间有关.

麦也尔认为电弧具有圆柱形气体通道的形状，但其直径是恒定的.从电弧间隙散出的能量是常数，能量的散出是依靠热传导和径向扩散完成的.麦也尔电弧数学模型，也可称为麦也尔方程(Mayr’s equation)为:

式中:ga——电弧电导;

θ——电弧时间常数，即弧隙中能量变化使弧隙电阻改变2.73倍时所需的时间;

N0——散出能量常数.

麦也尔方程是基于热平衡、热惯性、热游离3个基本原理推导出来的.当e·i＞N0时，电弧温度应增加，热游离加强，所以(dga/dt)＞0，即电弧电导有增加的趋势;反之同理.在电流过零后弧隙上没有外加恢复电压的情况下，也即e=0，得:

式(2)表明，在没有外加恢复电压情况下，电弧电导按电弧时间常数的指数曲线下降.因此，电弧时间常数θ和散出能量常数N0在灭弧过程中起决定作用，可作为衡量灭弧性能的重要指标.

2.2 电弧参数计算

试验得到的电弧电导和电弧电流的波形如图3所示.

图3 电弧参数计算方法示意

根据麦也尔方程可推导出电弧时间常数θ和散出能量常数N0随电导 g变化的计算公式［5］为:

3 试验结果及分析

试验电源采用振荡回路，充电电压为5 kV，最大放电电流为3 kA.在灭弧试验装置内充入0.1 MPa的c-C4F8气体及其与N2或CO2的混合气体.当利用电磁阀让动触头动作时，装置内产生了明亮的电弧后熄弧.示波器设为单次触发，通过分流器和分压电阻测得电弧电流和电压，并利用式(3)和式(4)计算出电弧时间常数和散出能量常数.

图4为纯c-C4F8气体、CO2与c-C4F8混合气体、N2与c-C4F8混合气体在电导值0～60 S内的时间常数曲线.图5为纯c-C4F8气体、CO2与c-C4F8混合气体、N2与c-C4F8混合气体在电导值0～60 S内的散出能量常数曲线.

图4 不同气体的电弧时间常数

图5 不同气体的电弧散出能量常数

由图4和图5可以看出:电弧时间常数为c-C4F8＜CO2＜N2;散出能量常数为 N2＞CO2＞c-C4F8.从电弧时间常数看，CO2气体与 c-C4F8气体相差不大，N2气体则与CO2气体和c-C4F8气体有一定的差距;从散出能量常数看，CO2气体与N2气体更为接近，但都明显逊于c-C4F8气体.

4 结论

(1)电弧参数的试验结果表明，作为SF6替代气体，c-C4F8气体的灭弧性能优于CO2气体和N2气体.

(2)c-C4F8/N2和c-C4F8/CO2混合气体都能降低沸点，进一步减小温室效应值，但同时混合的缓冲气体越多则灭弧性能越差.

(3)c-C4F8/N2/CO23元混合气体的混合比、沸点，以及在不同气压条件下的灭弧性能还有待进一步研究和探讨.

［1］清华大学高压教研组.高压断路器:上册［M］.北京:水利电力出版社，1980:12-30.

［2］邱毓昌.GIS装置及其绝缘技术［M］.西安:西安交通大学出版社，1994:55-60.

［3］TAKI M，MAEKAWA D，ODAKA H，et al.Interruption capability of CF3I gas as a substitution candidate for SF6gas［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2007，14(2):341-346.

［4］黎斌.SF6高压电器设计［M］.北京:机械工业出版社，2008:63-98.

［5］徐国政.高压断路器原理和应用［M］.北京:清华大学出版社，2000:15-23.