低温条件下SF6混合气体的绝缘特性及配比优化技术

李国强

(国网黑龙江省电力有限公司电力科学研究院，哈尔滨 150030 )

0 引 言

SF6气体因具有良好的绝缘和灭弧特性而在气体绝缘设备中得到广泛使用[1-4]，但是，SF6气体是一种严重导致温室效应的气体，其全球变暖潜能指数是二氧化碳的24 000倍，被列入受限排放的6种温室效应气体之一。相比之下，其他绝缘气体的全球变暖潜能系数则较低，如CF4是6 500，而N2是0。同时，SF6气体液化温度较低，难以满足电力设备在低温寒冷地区的运行要求，容易引发故障[5-6]。为了改善SF6气体绝缘设备的不足，对SF6混合气体绝缘特性的研究一直是人们关注的热点[7]。

对SF6混合气体方面的研究主要是针对SF6与CO2、N2、CF4等惰性气体的混合，旨在通过混入这些气体以减少SF6气体的使用量，同时通过混入更低液化温度的气体以降低混合绝缘气体的液化温度[8-11]。目前，国内外研究及工程应用的混合气体主要有以下两种：SF6和N2混合、SF6和CF4混合。其中，对于SF6和N2混合气体的研究已经有了一定的成果并得到了初步的实际应用[12-14]。

尽管对于SF6+N2混合气体绝缘性能的研究已有较多报道，但现有研究对象主要是充气压强为0.1～0.4 MPa、混合比例为50%～100%的混合气体，目前仍缺乏以下几个方面的研究：1)低温下混合气体工作特性的研究及不同温度下的特性对比；2)高压强低比例SF6混合气体绝缘特性的试验研究；3)最优混合比例的研究。

基于试验手段，从以下几个方面开展研究：1)研究低温下SF6+N2混合气体绝缘性能，并进行不同温度下的对比研究，通过试验研究为混合气体在低温下的应用提供参考；2)进行0.4～0.7 MPa、SF6占比为10%～40%的绝缘性能试验，研究气体压强、SF6比例、电压类型和极性等因素对绝缘性能的影响；3)进行最优混合比例研究，得到最优的应用比例及对应的充气压强。

1 试验平台

为了研究混合气体在不同工况下的放电特性，搭建了工频电压和雷电冲击电压试验平台，工频电压下气体放电特性试验电路图如图1所示。试验变压器型号为YDTCW-3×500 kV/1 500 kVA，保护电阻阻值为1 MΩ，电容分压器额定电压为1 500 kV，分压比为998∶1。在进行击穿试验时需要将局部放电检测仪取下，防止击穿瞬间由于放电过于强烈而损坏局放仪。

1.调压器；2.隔离变压器；3.无晕试验变压器；4.保护电阻；5.电容分压器；6.电压测量仪或局部放电检测仪；7.温度和压力传感器。

雷电冲击击穿试验电路图如图2(a)所示。冲击电压发生器标称电压3 600 kV，标称能量360 kJ，共18级，级电容1 μF，级电压200 kV，采用双边充电方式，用电容分压器测量冲击电压，可在控制室的电脑上显示冲击电压波形。预估本试验可能达到的最大50%击穿电压U50%低于500 kV，故将原有发生器改为7级，便于球隙自动触发。在进行雷电冲击试验之前，需保证冲击电压波形符合国标规定，即波前时间T1为1.2 μs±30%，半峰值时间T2为50 μs±20%。通过调整波头电阻为70 Ω、波尾电阻为70 Ω/3 300 Ω，可使波形满足标准雷电波要求，如图2(b)所示，此时波前时间为0.95 μs，半峰值时间为48.20 μs，满足试验要求。

图2 雷电冲击击穿试验电路和冲击电压波形

2 试验结果分析

2.1 温度对混合气体绝缘性能的影响

在球-板电极和棒-板电极下分别研究了SF6+N2混合气体的工频击穿电压与温度的关系，球-板电极与棒-板电极下的试验结果分别如图3和图4所示。图中，r表示混合气体中SF6气体的体积占比值，p表示0 ℃下气体充气压强的绝对值。从图3、图4中可以看出，对于图示压强和混合比例的SF6+N2混合气体，在混合气体不发生液化的温度条件下，球-板电极和棒-板电极下的混合气体工频击穿电压随温度的改变而变化较小，说明在此条件下温度对工频击穿电压的影响较小。对比不同SF6含量的气体工频击穿特性可以看出，0.4 MPa纯SF6气体在在-35 ℃以下发生液化失去气体绝缘性能。相比之下，SF6+N2混合气体的耐低温特性更理想，在-50 ℃下仍然保持良好的绝缘特性。以上结果与碰撞电离学相吻合，混合气体不发生液化的情况下，固定体积中的气体分子数密度不随温度改变，气体分子在相同电场下碰撞的几率近乎相同，即具有近乎相等的击穿场强。

图4 棒-板电极下SF6+N2混合气体工频击穿电压与温度的关系

图3 球-板电极下SF6+N2混合气体工频击穿电压与温度的关系

根据以上结果可以获得低温地区混合气体的使用技术，在确定混合气体绝缘设备的充气压强时，需要以设备充气密度与常温下相同为主要依据，在保证混合气体不发生液化情况下，可不必考虑温度变化对绝缘性能的影响。

利用雷电冲击击穿试验平台，试验研究了SF6+N2混合气体的U50%冲击击穿电压与温度的关系，根据工频试验结果已发现的温度、混合比例和充气压强的影响规律，区别于已有的雷电冲击研究，选择0.7 MPa含30% SF6的混合气体、0.4 MPa纯SF6气体进行不同温度下的雷电冲击击穿试验，结果如图5和图6所示。从图5、图6可以看出，对于不同SF6含量的混合气体，在混合气体密度一定时，气体在球-板电极和棒-板电极中的雷电冲击击穿电压受环境温度因素影响较小，试验结论与工频情况下相同，原理也可由碰撞电离学解释，即当混合气体分子数密度不变时，其绝缘性能受温度因素影响较小。从图5和图6中也可以看出，球-板电极下SF6+N2混合气体的正极性(正板-负球)50%击穿电压低于负极性(负板-正球)50%击穿电压，而棒-板电极下的情况则相反。

图5 球-板电极下SF6+N2混合气体U50%雷电冲击击穿电压与温度的关系

图6 棒-板电极下SF6+N2混合气体U50%雷电冲击击穿电压与温度的关系

2.2 充气压强和混合比例对混合气体绝缘性能的影响

在球-板电极和棒-板电极下研究了SF6+N2混合气体的工频击穿电压与充气压强和混合比例的关系，不同充气压强与混合比例下的试验结果分别如图7和图8所示。

由图7和图8可知，在0.4 ～0.7 MPa压强范围内，随着气压的增大，两种电极下的SF6+N2混合气体的击穿电压近似以线性关系增长，当气压增加到0.6～0.7 MPa时，棒-板电极下的部分混合比例气体的工频击穿电压增速变缓。由图7和图8可知，当纯N2中混入SF6气体后，其击穿电压相对于纯N2可以实现较大幅度的增加，随着SF6体积分数的增加，击穿电压幅值逐渐增大，当SF6体积分数从0增长到0.4时，SF6+N2混合气体的击穿电压呈现非线性增加且增速渐缓。

图7 球-板电极SF6+N2混合气体工频击穿电压与充气压强的关系

图8 棒-板电极SF6+N2混合气体工频击穿电压与充气压强的关系

2.3 混合气体配比优化技术

为了从绝缘性能角度找出最可能代替纯SF6气体的SF6+N2混合气体，以0.5 MPa纯SF6为参照，以达到其绝缘性能的80%以上为标准，获得了几种与0.5 MPa纯SF6绝缘性能相当的混合气体，如表1所示。前3类混合方案气体的绝缘性能可以达到0.5 MPa纯SF6的80%以上，呈现较好的绝缘特性；后3类混合方案气体的绝缘性能高于0.5 MPa纯SF6的 90%，其中，0.7 MPa下SF6含量为30%的混合气体的绝缘特性达到0.5 MPa 纯SF6的1.01倍，其绝缘特性能够理想替代0.5 MPa纯SF6气体，并且其具有更加良好的耐低温特性，减少SF6气体使用率高达47.5%，极大地提高了气体绝缘装备的环保特性。

表1 优化的SF6+N2混合气体充气压强和混合比例

3 结 语

采用试验方法研究了SF6+N2混合气体的绝缘特性、混合气体配比优化技术研究特性及规律，得到如下结论：

1)在液化温度以上的工程应用温度范围内，对于特定充气密度和比例下的SF6+N2混合气体，其工频击穿电压和U50%雷电冲击击穿电压随温度的改变呈现较小的波动，相比纯SF6气体，SF6+ N2混合气体的耐低温特性更理想，在-35 ℃及更低温度下仍然保持良好的绝缘特性。在低温地区使用混合气体时，需保证设备充气密度与常温下相同。

2)随着混合气体中SF6体积分数的增加，击穿电压幅值逐渐增大，当SF6体积分数在0～0.4范围内变化时，SF6+N2混合气体的击穿电压随混合比例呈现非线性增加且增速渐缓。在0.4～0.7 MPa压强范围内，球-板电极和棒-板电极中SF6+N2混合气体的击穿性能随着气压增大呈近似线性增长。

3)从绝缘角度出发，研究确定了混合气体配比方案，充气压强为0.7 MPa、混合比例为30%的SF6+N2混合气体的击穿强度为0.5 MPa 纯SF6气体的1.01倍，且具有更加良好的耐低温特性，并可减少SF6气体使用率达47.5%，体现了混合气体替代SF6气体的可行性以及良好的环保特性。