直流电压作用下极不均匀电场中SF6/N2混合气体局部放电起始特性研究

庞培川,孙泽明,张芊,侯志强,张轩瑞,孙善源,李军浩

(西安交通大学电气工程工程学院,710049,西安)

直流气体绝缘输电线路(GIL)作为一种新型的输电方式,虽然国内还未商用,但随着特高压直流输电技术的发展,相关的研究越来越多[1]。作为此类电气设备的主要绝缘介质SF6于1947年已实现商业化应用[2]。SF6气体对电场均匀程度比较敏感,电场不均匀程度的增加会使SF6气体的绝缘性能大幅度降低[3],而且SF6气体价格昂贵,是一种温室气体,对环境不友好[4],另外SF6气体及其分解物对人体的危害和对设备的影响也不可忽视[5]。因此,寻求SF6替代气体成为行业研究热点。

SF6替代气体主要分成3种类型[6]:常规气体中有干燥空气[7],CO2和N2[8]的研究比较多;混合气体中主要有SF6/N2[9]、SF6/He[10]、SF6/CO2[11];新型电负性气体主要研究CF3I、C3F8、C2F6及其混合气体[12]。常规气体物化性质稳定,价格便宜,但是吸附电子能力远小于SF6气体,仅用单一常规气体作为绝缘介质绝缘性能欠佳。新型电负性气体虽然温室效应低且具备较好的绝缘性能,但是价格昂贵,液化温度相对较高,且CF3I被欧盟列为第三类致癌物质,工程应用需进一步研究考量。SF6混合气体作为绝缘介质的电力设备在工程中得以运用,其中最具工程应用前景的是SF6/N2混合气体,德国西门子公司研发的世界上第一条SF6/N2混合气体GIL已于2001年在瑞士日内瓦国际机场投入运行[13],目前SF6/N2混合气体GIL已成功应用在245～550 kV线路中。因此,将SF6/N2混合气体作为一种可能替代SF6气体的绝缘气体,近年来受到广泛关注。

直流GIL高压导体和接地外壳之间是稍不均匀电场,但是在安装过程中,难免引入金属尖端等缺陷,导致局部电场集中,绝缘劣化。局部放电既是引起绝缘劣化的主要原因,又是绝缘劣化的重要征兆[14]。目前,直流下极不均匀电场气体局部放电的研究多针对纯SF6气体,唐炬研究了极不均匀电场中直流局部放电量与SF6气体分解的关联性,表明SF6分解气体的产气均方速率与体积分数可作为判定直流局部放电的组分特征量[15]。Roland研究了针板电极中直流局部放电特性[16],而SF6/N2混合气体的绝缘特性研究多关注稍不均匀电场的击穿特性。李旭东等的研究表明,在均匀电场中气压在0.25 MPa以下时,适当增加SF6混合气体的压强可以达到纯SF6相同的绝缘强度[17]。成毅等的研究表明,SF6与N2的协调效应可显著提高SF6/N2混合气体的击穿特性[18]。

本文针对直流电压下SF6/N2在极不均匀电场中的局部放电特性展开研究,为SF6/N2混合气体绝缘直流GIL的建设提供试验参考。文中提及的气体绝缘特性、绝缘强度仅考虑局部放电的起始特性。

1 试验平台与方法

1.1 试验平台

利用半波整流电路搭建直流高压系统试验平台,如图1所示,AC是380 V交流电源,T1是调压器,T2是200 kV/(100 MV·A)无局部放电试验变压器,P1(600 kV/0.5 A)是高压硅堆,C2是90 nF滤波电容,交流电压经过滤波整流成直流电压,纹波系数为0.9%,符合相关标准[19]。Rz是阻值为1 MΩ的水电阻,它在样品突然被击穿时,起限流保护作用,同时也有助于抑制来自电源侧的干扰[20]。F是分压比为1 000∶1的阻容分压器,万用表可实时读取高压端电压值。阻容分压器一方面起电压测量的作用,另一方面相当于一耦合电容。CX为缺陷模型,电极安装在密封气室里面,密封气室由有机玻璃筒和铝制法兰组成,R为50 Ω无感电阻,用于检测局部放电信号。示波器采用力科9404,带宽为4 GHz,最高采样率为4×1010s-1,利用此示波器顺序功能可以长时间且高采样率检测局部放电信号。利用校准脉冲发生器对测量系统背景噪声进行标定,背景噪声小于5 pC,满足测量要求。

图1 直流高压系统试验平台示意图

为了模拟金属尖端缺陷对电场造成的畸变,文中搭建高压试验常用的小模型,如图2所示,利用铝块、有机玻璃、尼龙棒、O形线圈、螺母和充气阀门构造封闭气室,耐压可达0.6 MPa。由于钨铜耐高温、耐烧蚀、耐磨损等特性,试验选用钨铜作为尖端电极,试验后测量尖端曲率半径无明显变化,尖端用800、1 200、2 500和7 000目砂纸依次打磨光滑,尽量避免电极表面粗糙引起的测量误差。将钨铜尖端电极安装在气室内,尖电极与地电极距离调为6 mm,利用1 000倍电子显微镜测量尖曲率半径r分别为20、50、100、120和160 μm,模拟不同电场均匀度的情形。电场均匀度用不均匀系数f表示,为最大场强Emax和平均场强Emean的比值,f=Emax/Emean。利用Comsol有限元仿真得到5种尖端的不均匀系数(f>4为极不均匀场;1

表1 不同尖端曲率半径的电场不均匀系数

图2 尖端缺陷模型示意图

1.2 试验方法

SF6和N2被认为是理想气体,二者混合不发生化学变化,根据道尔顿分压定律,SF6气体含量调配通过控制混合气体中SF6气体的压强达到,即

(1)

式中:nA、nB分别为两种气体的摩尔数;PA、PB分别为两种气体的气压。定义混合气体中SF6的体积分数为

φ(SF6)=PSF6/(PSF6+PN2)

(2)

式中:PSF6为容器中SF6的气压;PN2为容器中N2的气压。采用气体充气装置对SF6和N2进行混合,由于SF6密度大于N2,而且充气口位于试品罐子的底部,因此先充SF6然后再充N2,达到配比要求后,静置24 h使其充分混合后进行实验。对于纯SF6和纯N2,充气后静置30 min。

文中以500 V/s(±20%)[21]稳定速率缓慢加压直至出现局部放电,参考美国标准[22],当在1 min内至少出现1次放电时,确定此时的外施电压为起始放电电压U0。在起始电压下,采集10～50个放电脉冲,取算数平均值为起始放电量;然后降压至0,等待10 min,待绝缘恢复后再次加压测量起始放电电压U0,测量5次,取平均值以减少测量误差。

2 试验结果

2.1 SF6体积分数对U0的影响

5种曲率半径的尖端在0.3 MPa气压下φ(SF6)对U0的影响如表2和图3所示,φ(SF6)分别为0%、10%、20%、30%、40%、50%和100%,其中0%表示纯N2,100%表示纯SF6。

当N2中加入SF6后,混合气体的U0高于纯N2。曲率半径为20、50、100和120 μm的尖端在纯N2中的U0分别为5.8、6.6、8.7、9.2 kV,当分别加入10%的SF6,U0分别提高了37.9%、42.4%、20.7%和17.4%,说明加入SF6气体可在一定程度上提高绝缘气体的耐电强度。U0提高的程度与r有关;当r小于50 μm时,U0提高的程度随着r增加而增加;当r大于100 μm时,U0提高程度随r增加而减小。

表2 不同r下φ(SF6)与U0的关系

引入气体相对绝缘强度参数k

k=U0,mix/U0,SF6

(3)

式(3)表示混合气体初始放电电压U0,mix与纯SF6气体初始放电电压U0,SF6的比值,即混合气体相对于纯SF6气体的绝缘性能,k越大表示绝缘性能越好。k<1表示混合气体绝缘性能低于纯SF6气体,k>1表示绝缘性能高于纯SF6气体。

由表2和图3可知:对于r为100 μm的尖端,φ(SF6)-k关系具有单峰形状;当φ(SF6)在0%～50%范围内时,随着φ(SF6)的增加,U0增加;当φ(SF6)为30%、40%、50%和100%时,U0分别为12.1、13.6、15.2和13.1 kV。由上可知,当φ(SF6)>40%时,k>1,即混合气体绝缘强度高于纯SF6;当φ(SF6)<30%时,k<1,即混合气体的绝缘强度小于纯SF6气体;当φ(SF6)=30%时,混合气体U0已经达到纯SF6气体的92.4%。r为120 μm的尖端也具有类似变化关系,φ(SF6)-k具有单峰形状。

图3 尖端在不同曲率半径下φ(SF6)与k的关系

对于r为20 μm的尖端,φ(SF6)-k关系为双峰形状。当φ(SF6)为20%、40%和50%时,k>1,即混合气体的绝缘强度高于纯SF6;当φ(SF6)为10%和30%时,k<1,即混合气体的绝缘强度小于纯SF6;当φ(SF6)为10%时,混合气体的U0已达纯SF6气体U0的95.3%。r为50 μm的尖端具有和r为20 μm的尖端类似的现象,φ(SF6)-k关系为双峰形状。对于r为160 μm的尖端,当φ(SF6)为10%～50%时,混合气体的U0小于纯SF6气体的U0。其中当φ(SF6)为50%时,混合气体U0已达纯SF6气体的97%。

在极不均匀电场中,相同总气压的SF6/N2混合气体的U0有可能高于纯SF6气体的U0,从而使混合气体的绝缘强度在一定程度上高于纯SF6气体。电场不均匀程度越高,混合气体的绝缘强度高于纯SF6气体绝缘强度所需的SF6比例越低。

2.2 电压极性对SF6/N2混合气体U0的影响

在正负极性电压下,r为20、50 μm的尖端在0.3 MPa SF6/N2混合气体中U0随φ(SF6)的关系见表3,k与φ(SF6)的关系见图4。r为20、50 μm的尖端在正负极性电压下的φ(SF6)与k的关系为双峰形状,当φ(SF6)为30%时,k<1。在负极性电压下,r为20、50 μm的尖端满足k>1的φ(SF6)为20%、40%、50%和70%;正极性电压下,r为20、50 μm的尖端满足k>1的φ(SF6)为40%、50%和70%;但是,当φ(SF6)为20%时,20 μm的尖端k=100%,50 μm的尖端k=99.1%,已基本达到纯SF6气体的绝缘强度。

图4 电压极性对混合气体k的影响

φ(SF6)/%U0/kVr=20 μm负极性正极性r=50 μm负极性正极性05.87.16.58.5108.09.59.410.8209.810.1510.111.5308.18.839.210.94010.411.0011.012.15011.212.211.812.67012.212.9312.713.21008.510.149.511.6

2.3 气压对SF6/N2混合气体U0的影响

(a)负极性

(b)正极性图5 混合气体U0与气压的关系

当r为20 μm、φ(SF6)为20%时,U0随气压变化趋势如图5所示。从中可见,SF6/N2混合气体和纯SF6气体中,随着气压的增加,U0呈上升趋势,但是纯SF6气体中U0与气压的斜率随气压增加而增加。这说明纯SF6气体对气压敏感,而混合气体中随着气压增加,U0呈现饱和趋势,证明了加入N2后降低了混合气体对气压的敏感程度。

正负极性下的混合气体与纯SF6气体的k如表4所示。在0.1～0.3 MPa范围内,混合气体的绝缘强度高于纯SF6气体,且负极性电压下的k均在115%左右,正极性电压下的k保持在105%～110%之间,说明0.1～0.3 MPa时混合气体对负极性电压敏感程度高于正极性电压。当气压为4 MPa时,混合气体绝缘强度低于纯SF6气体,且正极性电压下k为94.9%,负极性电压下k为94.5%,说明0.4 MPa下混合气体对电压极性敏感程度一致。

表4 r为20 μm的尖端气压与k的关系

3 分析与讨论

3.1 SF6体积分数对U0影响的分析

(4)

式中:C为常数(随气体类型发生变化);E(x)为间隙内电场强度;(E/P)0为混合气体理论耐电强度(归算到单位气压)。

电负性气体自持放电的流注判据为

(5)

对于电负性气体,在α-η=0附近可写成

(6)

对于SF6,(E/P)0=88.5 kV/(mm·MPa),C=27.7 kV,有

(7)

由式(7)可见,在极不均匀电场中,电极表面的临界击穿场强不仅取决于(E/P)0,还与气体的C值有关。对于混合气体,不同φ(SF6)时(E/P)0与K/C也不一样(均假定K不随φ(SF6)变化)。如图6所示,K/C随着φ(SF6)增加而减小,(E/P)0随φ(SF6)增加而增加[23-24]。

因此,虽然在SF6中加入N2使得(E/P)0降低,但是K/C比纯SF6气体要高,从而导致在极不均匀电场中,SF6/N2混合气体的U0高于纯SF6气体。不同曲率半径的尖端,需要在N2中加入不同浓度的SF6,才能使混合气体的U0高于纯SF6气体,这是由于在不同SF6/N2配比和电场畸变下,临界电子崩长度不一样所致。根据电场不均匀系数将电场畸变分为特别严重(30.92≤f≤47.72)、一般严重(20.24≤f≤22.32)和轻微严重(f≤17.59)3个等级。当气压为0.3 MPa时,从经济和安全两方面考虑,电场畸变特别严重时φ(SF6)取20%为宜;电场畸变一般严重时φ(SF6)取40%为宜;电场畸变轻微严重时φ(SF6)应不低于50%。

图6 φ(SF6)与(E/P)0、K/C的关系

3.2 电压极性对SF6/N2混合气体U0的影响

正极性电压下,r为20、50 μm的尖端k随φ(SF6)变化趋势与负极性电压一致,且均当φ(SF6)为20%、40%、50%和70%时,k≥1,区别在于同一φ(SF6)时,负极性的k大于正极性的k。但从电压绝对值角度考虑,正极性的U0始终高于负极性的U0,原因在于空间电荷对电场畸变的作用。

当尖端为负极性时,电子在电场力作用下向正极板运动,在尖端附近区域聚集大量正电荷,导致尖端附近场强增加。当尖端为正极性时,尖端附近发生电子崩,电子流入尖电极,正电荷在电场力作用下向负极板运动。但是,正电荷质量大,迁移速率较低,所以尖端附近聚集大量正电荷,导致正极性尖端附近电场被削弱,从而需要更高的电压才能发生局部放电,因此正极性U0高于负极性U0。

在纯SF6气体中,r为20 μm的尖端正极性U0比负极性高1.64 kV,r为50 μm的尖端正极性U0比负极性高2.1 kV。混合气体中,正负极性U0差距较小,当φ(SF6)为50%时,r为20 μm的尖端正极性U0比负极性高1 kV,r为50 μm的尖端正极性U0比负极性高0.8 kV,即混合气体中正负极性U0差值要小于纯SF6气体中的差值,从而导致负极性电压下k大于正极性电压的k。这说明在混合气体中,空间电荷的影响作用要小于纯SF6气体,同时说明负极性电压下SF6中加入N2对气体绝缘强度的影响高于正极性电压。

3.3 气压对SF6/N2混合气体U0的影响

在气体放电起始过程中,主要有两种因素影响放电特性,其一是电子平均自由程,其二是分子数目。在气压较低时,分子密度较小,电子平均自由程大,电子获得动能碰撞分子导致电离的概率大,但是由于分子数目小,从而导致碰撞分子的概率低,分子电离概率低。在气压较高时,电子平均自由程较低,电子获得动能小碰撞电离概率低,但是分子数目多,从而使碰撞电离的概率增大。气体放电过程就是这两种因素相互影响相互制约的过程。纯SF6气体中,随着气压增加,U0随气压增加的速率上升,说明随着气压增加,电子平均自由程较低导致放电概率减小的趋势占据主导优势。在SF6/N2混合气体中,随着气压增加,U0随气压增加的速率下降,说明随着气压增加,混合气体中分子数目增加导致碰撞电离概率增加的趋势占据主导地位。其次SF6气体是强电负性气体,分子具有强吸附电子的能力,N2是中性气体,分子不具备吸附电子的能力,且SF6气体分子电离能高于N2,所以在混合气体中,电子碰撞N2分子电离的概率要大于SF6分子。因此,纯SF6气体中,U0随气压增加的速率上升,纯N2中U0随气压增加的速率下降。所以,对于r为20 μm的尖端,当φ(SF6)为20%时,在0.1～0.3 MPa气压范围内,SF6/N2混合气体U0高于纯SF6气体;当气压为0.4 MPa时,SF6/N2混合气体的U0为纯SF6气体的95%。

4 结 论

(1)在电场畸变严重的情况下,气压为0.3 MPa时,SF6/N2混合气体的U0高于纯SF6气体,且电场畸变越严重,使SF6/N2混合气体U0高于纯SF6气体所需的SF6浓度越低,且r为20 μm和50 μm的尖端k随φ(SF6)变化趋势一致,呈现双峰形状,r为100、120和160 μm的尖端k随φ(SF6)变化呈现单峰形状。

(2)对于r为20 μm和50 μm的尖端,气压为0.3 MPa时,负极性电压下k高于正极性电压,说明负极性电压下SF6中加入N2对气体绝缘强度的影响高于正极性电压。

(3)r为20 μm的尖端在φ(SF6)为20%时,正极性和负极性电压下,0.1～0.3 MPa气压范围内SF6/N2混合气体U0均高于纯SF6气体;气压在0.4 MPa时,SF6/N2混合气体U0为纯SF6气体的95%,已基本达到纯SF6气体的绝缘强度。