SF6/N2混合氣體在126kVGIS母線(xiàn)中的應(yīng)用

康留濤 劉亮 李曉斌 高博遠(yuǎn) 呂宏偉

摘 要：為了驗(yàn)證SF6/N2混合氣體在現(xiàn)有SF6氣體母線(xiàn)中的應(yīng)用，首先確定混合氣體母線(xiàn)的基本參數(shù)，通過(guò)建立母線(xiàn)各元件的有限元模型仿真進(jìn)行計(jì)算，得出試驗(yàn)的可行性。試驗(yàn)結(jié)果表明：在不改變現(xiàn)有SF6母線(xiàn)結(jié)構(gòu)的前提下，規(guī)定混合比和充氣壓力的混合氣體能保證GIS母線(xiàn)正常運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：混合氣體;GIS母線(xiàn);仿真;試驗(yàn)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM595 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）11-0131-03

Abstract： In order to verify the application of SF6/N2 gas mixture in the existing SF6 gas busbar， the basic parameters of the gas mixture busbar were first determined， and the feasibility of the test was obtained by establishing the finite element model simulation of each component of the busbar. The test results show that， without changing the existing SF6 busbar structure， the mixture ratio and gas charging pressure can ensure the normal operation of GIS busbar.

Keywords： gas mixtures;GIS busbar;simulation;test

在1997年日本通過(guò)的《京都議定書(shū)》中，SF6氣體被列為需要全球管制使用的六種氣體之一，溫室效應(yīng)相當(dāng)于CO2的23 900倍，降解時(shí)間約3 200年[1]。資料顯示，用于設(shè)備制造和電氣絕緣的SF6氣體占全部工業(yè)SF6氣體使用的74%[2]。如果GIS中的SF6氣體約以0.5%/a的速度泄漏，隨著各國(guó)GIS設(shè)備需求量日益增長(zhǎng)，泄漏量將不容小視。此外，減少SF6的用量是控制溫室效應(yīng)的有效手段。

如果在不改變母線(xiàn)結(jié)構(gòu)的前提下用SF6/N2混合氣體代替純SF6氣體的方案可行，在后續(xù)新建電站的母線(xiàn)氣室內(nèi)使用混合氣體，或者在已運(yùn)行電站停電檢修時(shí)將SF6氣體更換為混合氣體，將大幅減少SF6氣體使用。

1 母線(xiàn)基本參數(shù)

1.1 混合比

研究結(jié)果表明，在高純N2中加入少量的SF6氣體后，擊穿電壓得到大幅度提高;但當(dāng)SF6氣體含量超過(guò)20%后，擊穿電壓的增加逐漸趨緩[3，4]?；旌蠚怏w的絕緣和放電特性已有較多成熟的研究成果，SF6/N2混合氣體適用于不帶開(kāi)斷任務(wù)的高壓設(shè)備，特別適用于管道母線(xiàn)。通過(guò)分析，確定采用緩混合比例為3∶7的混合氣體（30%SF6∶70%N2），并適當(dāng)提高充氣壓力。多個(gè)設(shè)備制造廠(chǎng)家已在設(shè)備制造的經(jīng)濟(jì)和實(shí)用方面達(dá)成共識(shí)[5-7]，并進(jìn)行了鑒定試驗(yàn)。

1.2 充氣壓力

提高充氣壓力，絕緣強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)提高，同時(shí)氣體用量和母線(xiàn)殼體制造難度也會(huì)增大，經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性大打折扣。在母線(xiàn)結(jié)構(gòu)尺寸不變的前提下，對(duì)于SF6體積分?jǐn)?shù)為30%的SF6/N2混合氣體，需將混合氣體氣壓提高到純SF6氣體時(shí)的1.33倍。

綜合考慮使用混合氣體的安全性、盡可能少地改變現(xiàn)有GIS母線(xiàn)結(jié)構(gòu)要求、后期用戶(hù)運(yùn)維以及盡量和其他產(chǎn)品保持統(tǒng)一混合比等要求，確定SF6/N2混合氣體比例為3∶7，將混合氣體氣壓提高到純SF6氣體時(shí)的1.33倍。

1.3 混合氣體母線(xiàn)主要技術(shù)參數(shù)

采用混合氣體的母線(xiàn)與純SF6氣體母線(xiàn)的主要技術(shù)參數(shù)對(duì)比如表1所示?；旌蠚怏w母線(xiàn)殼體壓力要求如表2所示。

2 可行性研究

絕緣介質(zhì)的變化將對(duì)氣體的擊穿特性、主回路溫升、隔板耐受壓力、殼體耐受壓力、密封和微水產(chǎn)生影響。

2.1 絕緣性能

對(duì)純SF6氣體母線(xiàn)進(jìn)行電場(chǎng)仿真，計(jì)算出高壓導(dǎo)體表面、SF6氣體沿面、絕緣盤(pán)沿面場(chǎng)強(qiáng)值。電場(chǎng)強(qiáng)度均在判據(jù)（最低功能壓力0.33MPa）范圍內(nèi)且有一定裕度。在產(chǎn)品沒(méi)有明顯制造缺陷的情況下，采用混合氣體并升高氣壓之后，絕緣強(qiáng)度不是主要問(wèn)題。電場(chǎng)強(qiáng)度仿真結(jié)果如表3所示。

2.3 隔板和殼體壓力

額定充氣壓力由0.4MPa提高到0.6MPa時(shí)，設(shè)計(jì)壓力由0.54MPa提高至0.79MPa。盤(pán)式絕緣子水壓破壞壓力提高到2.37MPa，焊接殼體破壞壓力提高至1.82MPa，鑄造殼體破壞壓力提高至3.95MPa。隔板和殼體能否承受標(biāo)準(zhǔn)要求的破壞壓力成為產(chǎn)品能否使用混合氣體代替的關(guān)鍵。對(duì)母線(xiàn)隔板、焊接殼體、鑄造殼體進(jìn)行強(qiáng)度仿真，仿真結(jié)果顯示：除焊接殼體稍微超出判據(jù)外，其余均在判據(jù)范圍內(nèi)?？紤]到判據(jù)往往較為嚴(yán)格，暫不考慮修改結(jié)構(gòu)，直接進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，仿真輸入?yún)?shù)及結(jié)果如表5所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 絕緣試驗(yàn)

試驗(yàn)樣機(jī)由鑄造導(dǎo)體、電連接、導(dǎo)電桿、盤(pán)式絕緣子和外殼瓷套管組成。樣機(jī)按照比例充入0.5MPa最低功能壓力SF6/N2混合氣體，按照標(biāo)準(zhǔn)要求依次進(jìn)行正負(fù)極性雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)、1min工頻耐受電壓試驗(yàn)和局部放電試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。圖1為絕緣試驗(yàn)。

3.2 溫升試驗(yàn)

溫升試驗(yàn)如圖2所示。按要求在母線(xiàn)外殼、混合氣體、滑動(dòng)連接、固定連接、接線(xiàn)端子和導(dǎo)體等三相埋設(shè)熱電偶測(cè)量溫升，實(shí)際溫升值如表6所示，溫升值與表4中的推算值接近并不超過(guò)允許值。

3.3 水壓破壞試驗(yàn)

圖3為水壓破壞試驗(yàn)。按要求分別對(duì)隔板、焊接殼體、鑄造殼體打水壓，隔板破壞壓力為2.5MPa，焊接殼體破壞壓力為2.7MPa，鑄造殼體打壓至4.0MPa未破壞，滿(mǎn)足要求試驗(yàn)終止。

絕緣介質(zhì)的變化還會(huì)引起密封性能和氣室內(nèi)部微水的變化，對(duì)混合氣體的母線(xiàn)進(jìn)行整體扣罩檢漏，并測(cè)量微水含量均滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)論

本文先通過(guò)理論分析確定混合氣體的混合比和充氣壓力，再通過(guò)有限元仿真的方法計(jì)算現(xiàn)有母線(xiàn)不用修改結(jié)構(gòu)即能滿(mǎn)足介質(zhì)改變，引起產(chǎn)品性能變化，最后通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步確定現(xiàn)有母線(xiàn)的絕緣介質(zhì)，可用混合氣體代替，混合比為3∶7（30%SF6∶70%N2），混合氣體氣壓提高到純SF6氣體時(shí)的1.33倍。

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