贾程乾,夏亚龙,倪 源,谢施君,张晨萌
(1. 重庆大学电气工程学院,重庆 400044;2. 国网四川省电力公司电力科学研究院,四川 成都 610041)
SF6由于绝缘性能好、灭弧能力强、化学性质稳定等优点被广泛地应用于电气工业,如断路器、气体绝缘输电线路(gas insulated line,GIL)、气体绝缘金属封闭开关设备(gas insulated switchgear,GIS)、开关柜等[1-3]。但SF6同时也是强温室效应气体,它的全球变暖潜能值(global warming potential,GWP)为CO2的23 900倍,即向大气中排放1 kg的SF6相当于排放了23.9 t的CO2,在1997年的《京都议定书》中,SF6被列为管制排放的气体[4-7]。不仅如此,SF6在电弧或大电场作用下会放电分解产生F2、SO2等有毒有害气体,可能会产生不良的影响。随着“30·60”双碳目标的提出,中国应对气候变化的路径也进一步清晰化:二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值、2060年前实现碳中和。国家电网公司也积极响应号召寻找SF6替代气体,减少SF6的排放。
目前,研究人员还没有发现某种一元气体可以从绝缘、灭弧和环保等方面完全替代SF6,在这种情况下,SF6混合气体就成为了比较理想的替代方案[8-9]。SF6混合气体的相关研究开始于20世纪70年代,比较常见的缓冲气体为CO2、N2等。在这些缓冲气体中,N2因其无毒、无污染、生产成本低等优势使得SF6与N2组成的混合气体拥有很好的应用前景。如果要在GIL与GIS中替代SF6的使用,就必须要研究替代气体的工频以及直流耐压特性,所以SF6/N2混合气体的工频和直流耐压特性就有很高的研究价值和意义。
下面在均匀场下,研究不同SF6体积分数下SF6/N2混合气体的工频和直流耐压特性,分析了体积分数对混合气体绝缘性能的影响趋势,这对于SF6/N2混合气体在GIL等气体绝缘设备中的使用有重要的参考价值和实际工程意义。
作为SF6的潜在替代气体,SF6/N2混合气体的液化温度是衡量其替代可行性的重要参考依据之一,尤其当利用SF6/N2混合气体制造的设备被应用于比较寒冷的地区时,混合气体由于低温液化将是电力设备面临的重大挑战之一[10]。因此计算SF6/N2混合气体的液化温度数据对于工程实际应用具有重要的意义。下面计算了混合比为20%、30%、40%条件下的SF6/N2混合气体在0.1~0.5 MPa气压下的液化温度。使用的方法是安托万方程(Antoine equation)和拉乌尔定律相结合的方式[11]。
首先,可以利用安托万方程写出SF6与N2的饱和蒸汽压与温度满足的方程关系为
(1)
拉乌尔定律用方程可以表述为
(2)
将式(1)、式(2)联立化简后得
(3)
式中:A1、B1、C1分别为组分1的特性常数;A2、B2、C2分别为组分2的特性常数;p1、p2分别为组分1和组分2的饱和蒸汽压,p为混合气体的饱和蒸汽压,mmHg(注:1 mmHg=133.32 Pa);y为组分1所占气相的摩尔分数;x为组分2所占气相的摩尔分数;t为混合气体的液化温度。
应用时,将气压单位换算为mmHg,代入式(3)即可求得该气压下的液化温度。SF6与N2的安托万方程如表1所示[11]。
表1 SF6、N2的安托万方程常数
根据公式可以求得混合比为20%、30%、40%的SF6/N2混合气体在压强为0.1~0.5 MPa时的液化温度,如表2和图1所示。
表2 不同压强和混合方案下SF6/N2混合气体液化温度 单位:℃
图1 不同压强和混合方案下SF6/N2混合气体液化温度
除了液化温度之外,GWP值同样也是关注的重要指标之一,它代表了混合气体的环保性能。根据2006年5月17日发布的欧洲议会和理事会法规EC 842/2006《关于某些氟化温室气体》提到对混合气体的GWP值的计算方法[12]:
Gz=x1·G1+x2·G2+…+xn·Gn
(4)
式中,x1、x2、…、xn为组分1、2、…n的质量分数;G1、G2、…、Gn为组分1、2、…、n的GWP值。
SF6的GWP值为23 900,N2的GWP值为0。将数据代入式(4)可以求得混合比为20%、30%、40%的SF6/N2混合气体的GWP值分别为13 524、16 511、18 561,分别是纯SF6气体的56%、69%、78%。可以看出使用SF6/N2混合气体来替代纯SF6气体可以显著减少对环境的影响。
根据实验需求搭建了SF6/N2工频和直流绝缘实验平台,实验电路如图2所示。
图2 SF6/N2混合气体交直流实验平台电路
实验所用的交直流升压变压器内部装有用于整流的硅堆,可以通过一根控制棒对升压变压器产生的电压进行控制。将控制棒插入即可使硅堆短路,此时升压变压器产生工频交流电;将控制棒取出则硅堆开始正常工作,通过整流将产生的工频交流电整流成为直流电压。该升压变压器的低压为200 V,高压为100 kV,完全可以满足实验需求。
电极选用球-球电极来模拟均匀电场,球电极的半径为25 mm。
实验时,先将腔体抽真空,再充入SF6、N2气体。根据道尔顿分压定律可知,在同一容器中各组分气体的分压力就代表该组分气体在容器中的量[13-14]。所以充入的SF6和N2压力之比应为混合比,为保证充入气体量的准确性,应先充入比例较小的气体,后充入比例较大的气体,充完气体之后静置24 h以保证气体混合均匀。加压时先快速增加到预估击穿电压的70%,然后以每秒3%的预估击穿电压的速率上升直至试品被击穿。记录此时的击穿电压,重复20次求平均值,每次实验间隔5 min以保证混合气体完全恢复绝缘强度。直流实验方式与工频类似。
SF6/N2混合气体工频绝缘实验结果如表3所示,折线图如图3所示。
图3 不同压强和混合方案下工频SF6/N2混合气体击穿电压有效值
表3 不同压强和混合比下SF6/N2混合气体工频击穿电压有效值 单位:kV
可以看出随着混合气体中SF6比例增加,混合气体的绝缘能力在上升,在SF6占20%时,混合气体的绝缘能力在0.1~0.5 MPa分别达到了纯SF6的62.6%~73.9%;继续增加SF6的含量至SF6达到混合气体的30%时,混合气体的绝缘能力在0.1~0.5 MPa分别达到了纯SF6的82.0%~85.0%当SF6气体在;混合气体中的比例达到40%,此时混合气体的绝缘能力在0.1~0.5 MPa时分别达到了纯 SF6的88.5%~92.4%。可以看出,在提高SF6在混合气体中比例时,气体绝缘能力的提升出现了比较明显的饱和现象,在比例达到30%之前,提升SF6含量对于混合气体的绝缘能力有比较好的提升,在达到30%之后继续提升可以看出气体的绝缘能力虽然在增加,但增加的效果变得不如之前明显,而且在SF6比例达到30%以后,混合气体的绝缘强度已经达到了纯SF6气体的80%左右。综合考虑混合气体的绝缘强度和成本以及环保性能等,取混合气体中SF6比例为30%是比较好的选择。
SF6/N2混合气体直流负极性绝缘实验结果如表4所示,折线图如图4所示。
表4 不同压强和混合比下SF6/N2混合气体直流负极性击穿电压 单位:kV
图4 不同压强和混合比下SF6/N2混合气体直流负极性击穿电压
可以看出与工频绝缘特性类似,随着混合气体中SF6比例增加,混合气体的绝缘能力在上升,在SF6占20%时,混合气体的绝缘能力在0.1~0.5 MPa分别达到了纯SF6的62.2%~72.3%;继续增加SF6的含量至30%时,混合气体的绝缘能力在0.1~0.5 MPa分别达到了纯SF6的77.8%~82.6%;当SF6气体含量达到40%,此时混合气体的绝缘能力在0.1~0.5 MPa时分别达到了纯 SF6的83%~88.4%。可以看出,与工频绝缘特性类似,在提高SF6比例时,气体绝缘能力的提升出现了比较明显的饱和现象,在30%之前,提升SF6含量对于混合气体的绝缘能力有比较好的提升,在达到30%之后继续提升可以看出气体的绝缘能力虽然在增加,但增加的效果变得不如之前明显。而且在SF6比例达到30%以后,混合气体的绝缘强度已经达到了纯SF6气体的80%左右。综合考虑混合气体的绝缘强度和成本以及环保性能等,取混合气体中SF6比例为30%是比较好的选择。
将纯SF6气体与混合比为30%的SF6/N2混合气体的工频击穿电压幅值与直流负极性击穿电压进行对比,如图5所示。可以看出,直流负极性电压下气体的绝缘能力比工频电压下气体的绝缘能力要强。这是由于在工频电压条件下,气体间隙一般在更容易击穿的半周内击穿。在所搭建的的实验条件下,气隙更容易在交流电压的正半周击穿,负半周的耐压能力更强,所以直流负极性的击穿电压会高于工频击穿电压的幅值。
图5 纯SF6与SF6/N2混合气体工频幅值与直流负极性击穿电压对比
前面通过实验对不同混合比下的SF6/N2混合气体的工频绝缘特性和直流负极性绝缘特性进行了测定,通过控制变量法对比分析了在不同混合比、不同外加电压情况下混合气体的绝缘特性,得到了如下结论:
1)工频耐压试验与直流负极性耐压试验中,混合气体的击穿电压都随混合比的增加而增加,但混合比增加到30%左右时击穿电压增加的速度开始减缓,此时混合气体的绝缘能力大约为纯SF6气体的80%。
2)在其他条件相同的球-球电极条件下,SF6/N2混合气体的直流负极性绝缘特性强于工频绝缘特性。
3)SF6/N2混合气体具有良好的绝缘性能,在部分应用场合具有替代SF6气体的潜力;混合比为30%,气压为0.5 MPa,混合气体的液化温度为-59.8 ℃,GWP值相较于纯SF6气体下降了31%,绝缘能力可以达到纯SF6的80%左右,可以在一些严寒地区的GIL中替代纯SF6气体的使用。