SF6/N2混合氣體的126 kV GIS母線的研制

韓 義

(沈陽工學(xué)院，遼寧 撫順 113122)

在GIS高壓開關(guān)設(shè)備中，SF6氣體的絕緣性能較好，所以其使用量最大[1-2]。但SF6氣體具有很高的全球變暖系數(shù)，是CO2的23 900倍，被視為溫室效應(yīng)氣體，《京都議定書》將其列為6種受限制使用氣體之一[3]。尋找一種可以替代SF6的氣體引起了國(guó)內(nèi)外相關(guān)人士的高度重視。因此，選取絕緣性能與SF6氣體相當(dāng)且對(duì)環(huán)境沒有污染的氣體來替代SF6氣體，已經(jīng)勢(shì)在必行[4-5]。

在選取替代SF6氣體的研究中，國(guó)內(nèi)外專家通過大量的試驗(yàn)，已經(jīng)取得了階段性成果[6]。SF6/N2混合氣體是一種可被使用，具備推廣應(yīng)用條件的絕緣氣體。該混合氣體是在純SF6氣體中，按照比例加入N2氣體，而N2具有液化溫度低、成本低、環(huán)保性能好等優(yōu)點(diǎn)，因此，選用SF6/N2混合氣體替代SF6氣體絕緣，具有深遠(yuǎn)的社會(huì)意義。

1 GIS的應(yīng)用現(xiàn)狀

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)是變電站中除變壓器外最重要的設(shè)備。由于GIS具有高集成化、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，近幾年國(guó)家電網(wǎng)采購GIS的數(shù)量逐年提高。5年內(nèi)從38 602間隔增加到76 986間隔，年增長(zhǎng)率超過15%。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)家電網(wǎng)每年新建造的GIS設(shè)備需要使用的SF6氣體量約1500 t，如果選用替代氣體SF6/N2混合氣體，每年減少使用SF6氣體400 t[7]，節(jié)省氣體可應(yīng)用在新建的GIS設(shè)備上，不僅可以提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也保護(hù)了環(huán)境。

2 SF6/N2混合氣體的優(yōu)點(diǎn)

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SF6混合氣體的研究結(jié)果表明：SF6與N2構(gòu)成的混合氣體具有廣泛的應(yīng)用前景，其優(yōu)點(diǎn)在幾個(gè)方面[8]。

a.N2是一種不會(huì)產(chǎn)生溫室效應(yīng)的環(huán)保型氣體，符合國(guó)際環(huán)保組織的要求，同時(shí)資源也非常豐富。

b.N2化學(xué)性能穩(wěn)定，且液化溫度較低。因此，SF6/N2混合氣體的應(yīng)用解決了高寒地區(qū)開關(guān)設(shè)備的應(yīng)用問題。

c.N2氣體價(jià)格便宜，SF6/N2混合氣體可明顯降低成本，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

d.SF6/N2混合氣體對(duì)電場(chǎng)不均勻性的影響比純SF6弱，因此電極表面粗糙度和金屬導(dǎo)電微粒對(duì)混合氣體間隙絕緣特性的影響比純SF6小。

3 126 kV GIS用SF6/N2混合氣體母線相關(guān)技術(shù)參數(shù)

126 kV GIS用SF6/N2混合氣體母線為三相共箱式結(jié)構(gòu)，由三相盆式絕緣子、導(dǎo)體、觸頭、罐體及混合氣體組成。整體結(jié)構(gòu)小型化，占地面積小。

126 kV GIS用SF6/N2混合氣體母線結(jié)構(gòu)如圖1所示，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 126 kV GIS混合氣體技術(shù)參數(shù)

4 126 kV SF6/N2混合氣體GIS母線絕緣性能研究

4.1 SF6/N2混合氣體混合比的選取

SF6/N2混合氣體中在SF6氣體體積分?jǐn)?shù)較少的情況下，要保持原有的沖擊電壓耐受強(qiáng)度，混合氣體的總壓力應(yīng)高于純SF6氣體的壓力。參考文獻(xiàn)[9]中給出了關(guān)系曲線，如圖2所示。

由圖2可知，當(dāng)SF6氣體體積分?jǐn)?shù)達(dá)到20%時(shí)，SF6/N2混合氣體的擊穿電壓值已經(jīng)達(dá)到純SF6氣體的80%左右，而SF6氣體體積分?jǐn)?shù)超過30%后，擊穿電壓的增長(zhǎng)逐漸趨緩。說明SF6中混合70%～80%N2氣體能夠?qū)崿F(xiàn)SF6/N2混合氣體耐電強(qiáng)度和SF6用量的最優(yōu)化。因此，在混合氣體中，SF6用量通常取體積分?jǐn)?shù)為20%～30%。

為了確?；旌蠚怏w母線絕緣性能及溫升性能與充入純SF6時(shí)接近，126 kV GIS母線充入SF6氣體體積分?jǐn)?shù)為30%，即SF6/N2混合氣體比例為3∶7。根據(jù)圖2可知，混合氣體總的壓力為純SF6氣體時(shí)壓力的1.33倍時(shí)，混合氣體的耐電強(qiáng)度與純SF6氣體相當(dāng)。

126 kV純SF6母線額定壓力為0.6 MPa(絕對(duì)壓力)，因此，3∶7混合比下SF6及N2的分壓力及總壓力見表2。

表2 126 kVSF6/N2混合氣體母線總壓及各氣體分壓(絕對(duì)壓力) MPa

4.2 126 kV SF6/N2混合氣體母線絕緣性能試驗(yàn)

126 kV SF6/N2混合氣體母線絕緣試驗(yàn)樣機(jī)布置如圖3所示，樣機(jī)包括混合氣體母線、拐角母線、套管等，混合氣體母線內(nèi)充3∶7的SF6/N2混合氣體，最低功能壓力為0.6 MPa(表壓)。該樣機(jī)于2016年10月在機(jī)械工業(yè)高壓電器產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心順利通過了絕緣型式試驗(yàn)，包括雷電沖擊耐受電壓試驗(yàn)、短時(shí)工頻耐受電壓試驗(yàn)、局部放電試驗(yàn)等，絕緣型式試驗(yàn)的順利通過驗(yàn)證了126 kV GIS混合氣體混合比的合理性及混合氣體母線絕緣性能的可靠性。

5 126 kV SF6/N2混合氣體母線溫升性能研究

SF6比N2具有更好的導(dǎo)熱性能，因此當(dāng)純SF6被相同絕緣強(qiáng)度的SF6/N2混合氣體替代時(shí)，對(duì)GIS母線的溫升會(huì)產(chǎn)生影響[10]。

5.1 126 kV SF6/N2混合氣體母線溫升計(jì)算

混合氣體母線內(nèi)主要以熱傳導(dǎo)方式傳熱，熱量通過對(duì)流和輻射換熱由載流回路傳到周圍氣體中，然后通過外殼傳到周圍空氣里。

采用多組分的方法對(duì)SF6/N2混合氣體母線的溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，母線通流為3465 A(即為額定電流的1.1倍)，環(huán)境溫度29 ℃，計(jì)算工況與母線溫升型式試驗(yàn)工況一致。求出導(dǎo)體和外殼的損耗，并作為計(jì)算的熱源帶入到溫度場(chǎng)分析中。

考慮到輻射散熱的影響，在母線導(dǎo)體外表面與金屬外殼內(nèi)外表面施加相應(yīng)的輻射散熱系數(shù)，對(duì)于距離外殼外壁較遠(yuǎn)處的空氣，認(rèn)為其不受熱源影響，將其作為流場(chǎng)計(jì)算遠(yuǎn)端邊界，其溫度設(shè)定為外部環(huán)境溫度。

經(jīng)計(jì)算，126 kV混合氣體母線導(dǎo)體的溫升為60.4 ℃，殼體溫升為24.1 ℃，混合氣體母線溫度場(chǎng)分布計(jì)算結(jié)果如圖4所示，氣體流速分布如圖5所示。從圖4計(jì)算結(jié)果可以看出，混合氣體母線溫度場(chǎng)分布趨勢(shì)為外殼及導(dǎo)體溫度分布呈現(xiàn)左右基本對(duì)稱，上方溫度高，下方溫度低的特點(diǎn)。

5.2 126 kV SF6/N2混合氣體母線溫升試驗(yàn)

126 kV SF6/N2混合氣體母線溫升試驗(yàn)樣機(jī)布置如圖6所示，該樣機(jī)于2017年6月在機(jī)械工業(yè)高壓電器產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心順利通過了試驗(yàn)電流為3465 A的溫升型式試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果：導(dǎo)體溫升為61.8 ℃，殼體溫升為25 ℃。仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表3。

從表3對(duì)比可知，混合氣體仿真分析結(jié)果與型式試驗(yàn)的結(jié)果最大偏差僅為2.3%(導(dǎo)體溫升)。

表3 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 ℃

6 SF6/N2混合氣體的充氣過程

混合氣體的充氣過程可以采用2種方法。

a.分步充氣法：先充入SF6氣體至其分壓力的規(guī)定值，然后再充入N2氣體至混合氣體的最終壓力值。

b.直接充氣法：在專用的充氣設(shè)備內(nèi)將2種氣體按照比例混合后充入母線內(nèi)。

采用以上2種方法進(jìn)行充氣后，均需要對(duì)SF6氣體體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)試，以判定是否達(dá)到混合氣體比例的要求。

7 混合氣體環(huán)境效益及經(jīng)濟(jì)效益分析

a.環(huán)境效益

某電氣設(shè)備公司每年生產(chǎn)126 kV GIS母線約3000 m，充純SF6氣體時(shí)，需SF6氣體65 100 kg，若充混合比為3∶7的混合氣體，充入的SF6氣體為24 600 kg，是純SF6氣體的37.8%，環(huán)境效益可觀。

b.經(jīng)濟(jì)效益

以每m母線為例，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，每kg SF6氣體及N2氣體分別按照54元及7元計(jì)算，詳細(xì)經(jīng)濟(jì)效益見表4。從表4可知，充體積分?jǐn)?shù)為30%SF6時(shí)每m母線的成本比純SF6節(jié)約40%，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

表4 經(jīng)濟(jì)效益分析(母線/m)

8 結(jié)束語

本文介紹了126 kV GIS用SF6/N2混合氣體母線的相關(guān)參數(shù)、研制過程及經(jīng)濟(jì)效益，各項(xiàng)型式試驗(yàn)的順利通過驗(yàn)證了混合氣體混合比的合理性及母線結(jié)構(gòu)性能的可靠性。126 kV GIS用SF6/N2混合氣體母線的成功研制為開發(fā)其他電壓等級(jí)采用混合氣體的GIS母線奠定了基礎(chǔ)。