（1.广东省顺德开关厂有限公司 佛山 528300，2.西安建筑科技大学机电工程学院 西安 710055）
摘要：SF6气体由于其优异的绝缘性能被广泛应用于高电压领域。但是，随着人们对环境问题认识的加深，SF6气体的应用受到了挑战。因此，替代SF6气体、或减少SF6气体的使用量，成为高电压绝缘领域的研究者和生产制造部门目前研究的热点问题。
本文重点研究了SF6/N2混合气体的绝缘特性；考虑到C-GIS的结构特点，设计了一套箱体结构的实验平台。电极系统分别采用球-板电极和棒-板电极；实验环境的气体压力根据C-GIS产品实际工作压力选定，气体压力范围设定在0.1-0.2 MPa（绝对值）之间；根据C-GIS产品分类要求，给出了几种电压等级在特定条件下的临界击穿电压特性曲线。
关键词：混合气体；绝缘特性；气体压力
Insulation Characteristics of SF6/N2 Gas Mixtures and Applied Research in C-GIS
CAI Runqiang1，SUN Wei2
1. Guangdong Shunkai Switch Co.，Ltd.，Foshan 528300，China；
2. School of Mechanical and Electrical Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China
Abstract- SF6 is widely used in the high-voltage field as its excellent insulation performance. but now，the application of SF6 is limited to use more and more because it makes the greenhouse effect. So how to find out some gas to instead of it and how to reduce its using has become a hot issue. In this paper，the characteristics of SF6/N2 gas mixtures are investigated. considering C-GIS structural features，the experiment platform with cubicle structure was set up. The experiment electrode is a kind of rod-plate and ball-plate. The experiment gas pressures were set in the range 0.1-0.2（Absolute）MPa. According to the results，critical breakdown voltage curves，referring to C-GIS products voltage classes，were suggested.
KEY WORDS：Gas Mixture；Insulation Characteristics；Gas pressures
1 前言
随着电力输配电系统的发展，柜式气体绝缘开关设备（Cubicle Type Gas Insulated Switchgear，C-GIS）呈现出快速发展的趋势。一般情况下，C-GIS均为柜式结构，其工作气压较低（一般小于0.2 MPa），主要使用的气体绝缘介质包括：空气、SF6、N2、CO2或混合气体等。SF6是一种性能优良气体绝缘介质，在气体绝缘开关设备中被广泛使用[1-2]。随着人们对环境保护意识的提高，SF6气体排放产生的温室效应日益受到人们的重视，1997年通过的全球变暖《京都议定书》中限制使用SF6气体。
虽然人们一直在努力探索SF6气体的替代介质[3]，但到目前为止问题尚未解决。1997年美国国家标准和技术协会将c-C4F8混合气体列为未来应该长期研究的绝缘气体；2001年日本的研究机构也提出了应用c-C4F8混合气体的问题。L. G. Christophorou认为，目前情况下，用一种新的气体完全取代SF6气体还不现实，近期的解决方案是在GIS中使用SF6的混合气体，以减少SF6气体的使用数量。在学术和工业相关领域，SF6混合气体绝缘特性的研究已经成为研究热点问题。
研究表明，在SF6中加入N2、CO2或空气构成的二元混合气体具有正协同效应，实验证明混合气体具有良好的绝缘性能[4-6]。SF6+N2被认为是一种比较理想的SF6替代气体，其性能优于SF6+CO2。SF6+N2对电极表面粗糙度和导电微粒的敏感性比SF6低，这说明SF6+N2具有较高的可靠性；SF6+N2与SF6的耐电强度相比下降并不是特别显著，如混合比为50/50的SF6+N2的耐电强度仅比SF6的耐电强度下降11%左右。文献[7]研究了由平板电极构成的准均匀场混合气体在工频电压作用下的击穿特性，给出了不同气体压力条件下击穿电压Ub与气体混合比之间的关系如图1所示。混合气体的击穿电压Ub与气体压力p之间呈线性关系，击穿电压随气体压力增加而升高。
文献[8]研究显示，在氮气中混入1% SF6气体，在稍不均匀场和极不均匀电场条件下交流击穿电压均有明显提高。图2（a）所示为稍不均匀场条件下1% SF6混合气体交流工频击穿电压Ub与气体压力p之间的关系，电极结构为球-球电极，球直径75 mm，间隙距离5 mm。图2（b）所示为极不均匀电场条件下1% SF6混合气体交流击穿电压Ub与气体压力p之间的关系，电极结构为棒-球电极，棒径9.5 mm，棒尖曲率半径1 mm，球径100 mm，间距30 mm。
2、实验结果及数据分析
2.1实验平台
实验平台由三部分组成：箱体部分，电极部分，机械传动部分。箱体结构尺寸为：600400400 mm（长宽高），采用6 mm钢板焊接而成，能够承受0.2 MPa的气压而不发生形变；为了便于观察，在箱体的一个侧面设计了一个观察窗口。电极采用锥-板电极，电极材料为黄铜。板半径100 mm，锥尖曲率半径1 mm。锥电极固定，板电极可沿轴向移动，采用螺杆传动，位移误差小，电极间距最大调节范围120 mm。
2.2实验结果
本文采用的实验气体介质有5种类型，分别是氮气、SF6、氮气+（10%）SF6、氮气+（20%）SF6、氮气+（50%）SF6，实验电压为工频电压。图3显示了5种气体介质的工频耐压特性实验结果。实验电极为锥-板电极，气体压力0.1~0.2 MPa。
图3 击穿电压Ub与间隙距离d之间的关系
（N2，锥-板电极，p=0.1~0.2 Mpa）
2.3数据分析
对比图3中的实验数据，N2气中混入SF6气体后，气体间隙的绝缘耐受能力有了很大提升。即使加入少量的SF6气体，相对纯氮气而言，绝缘水平也提高很多。
图4为不同气体压力条件下，间隙击穿电压与气体含量之间的关系。锥-板电极，间隙距离d=30 mm，气体压力分别为0.1 MPa、0.13 MPa、0.16 MPa和0.195 MPa。
图4 击穿电压Ub与气体含量之间的关系
图4数据显示，击穿电压随着SF6含量的增加而升高。SF6气体含量低于20%的情况下，随着SF6气体含量增加，击穿电压Ub增加速度较快；而当SF6气体含量高于50%时，随着SF6气体含量进一步增加，击穿电压Ub增加速度放缓。也就是说，在SF6+N2混合气体中，低SF6气体含量对击穿电压Ub影响较大，而高SF6气体含量对击穿电压Ub影响相对较小。这个实验结果与文献[25]结果一致（文献实验条件为均匀电场）。
由图3、图4给出的混合气体工频耐压实验数据可以发现，在实验条件相同的情况下，随着气体压力增加，间隙的工频耐压出现了不增反降的现象。这种现象说明混合气体在实验范围内出现了驼峰现象。由于一般情况下C-GIS产品的工作气体压力大都选定在0.1~0.2 MPa之间，因此在C-GIS的产品设计中应当对工频耐压实验中出现的驼峰现象加以关注。
C-GIS受到箱式、薄板结构的限制，气体压力不能太高；其适用的电压等级在中压范围常用的电压等级有三种：12 kV、24 kV和40.5 kV。根据相关标准要求，三种电压等级对应的工频临界击穿电压要求分别为42 kV、65 kV、95 kV。根据上述实验数据，图5给出了12 kV电压等级对应的工频临界击穿电压与间隙距离、气体压力之间的关系。
3结论
本文研究了氮气，SF6，以及SF6+N2混合气体在工频电压作用下的绝缘特性。考虑到C-GIS的结构特点构建了专门的实验平台，采用锥-板电极，电场性质为极不均匀场。实验结果显示，混合气体击穿电压随着SF6气体含量增加而增加，但两者关系呈非线性变化。当SF6含量小于20%时，击穿电压随SF6含量增加显著；当SF6含量大于20%时，击穿电压随SF6含量增加变化缓慢。根据实验结果，给出了12 kV电压等级对应的工频临界击穿电压与间隙距离、气体压力之间的关系。实验结果发现，SF6+N2在混合气体在0.1-0.18 MPa条件下出现了驼峰现象，而纯氮气在同样条件下并无此驼峰现象出现。本文的研究过程为相关领域的绝缘特性研究提供了借鉴，研究结果为现有中压C-GIS的环保升级和小型化持续开发提供了有益的参考数据。
参考文献：
[1]吐松江，高文胜，王颂，程建伟. 彭在兴SF6断路器缺陷分析与运维策略[J]. 高压电器，2017，53（5），p164-169
[2]熊俊，张亮，李军浩，王斯斯，陆国俊，吴国沛. 振荡型操作冲击电压下SF6气体中极不均匀电场局部放电特性[J]. 高电压技术，43（9），P2951-2957
[3]汤昕，廖四军，杨鑫. SF6混合/替代气体绝缘性能的研究进展[J]. 绝缘材料，2014，6，p18-22
[4]李旭东，周伟，屠幼萍，张贵峰，王璁. 0．1-0．25MPa气压下二元混合气体SF6-N2和SF6-CO2的击穿特性[J] 电网技术 2012，4
[5]程显，段雄英，廖敏夫，陈建华，邹积岩. 混合断路器大电流开断过程中真空电弧与SF6电弧相互作用的仿真[J] 高电压技术，2012，6，P1529-1536
[6]李旭东，et al.，47-0.1~0.25 MPa气压下二元混合气体SF6-N2和SF6-CO2的击穿特性. 电网技术，2012. 36（4）：p. 260-264..
[7]周辉 and 邱毓昌，12-N2-SF6混合气体的绝缘特性. 高压电器，2003. 39（5）：p. 13-16.
[8]邱毓昌，SF6-N2和SF6-CO2混合气体的耐电强度. 西安交通大学学报，1985. 19（3）：p. 9-16.
论文作者:蔡润强1,孙伟2
论文发表刊物:《河南电力》2018年3期
论文发表时间:2018/6/28
标签：气体论文; 电压论文; 电极论文; 压力论文; 含量论文; 氮气论文; 特性论文; 《河南电力》2018年3期论文;