中壓設(shè)備中SF6替代氣體的試驗(yàn)研究

尤天鵬， 董旭柱， 周文俊， 鄭宇， 李涵， 任書波

(武漢大學(xué) 電氣與自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430072)

0 引 言

SF6氣體絕緣變壓器(gas insulated transformer,GIT)、環(huán)網(wǎng)柜等中壓電力設(shè)備是以SF6氣體為絕緣及冷卻介質(zhì)的設(shè)備，因其優(yōu)良的絕緣、防火性能，廣泛應(yīng)用于地下變電所、地鐵車站和人口密集區(qū)域等場(chǎng)所。每年約有10 000噸SF6氣體應(yīng)用于電力行業(yè)，占總使用量的80%以上[1]。然而SF6氣體的大氣壽命長達(dá)3 200年，具有極強(qiáng)的紅外吸收能力，全球變暖潛能值(global Warming Potential，GWP)約為CO2的23 500倍，是導(dǎo)致全球變暖的重要因素之一[2]。在2 015年通過的《巴黎協(xié)定》為全球變暖變化做出了安排，特別強(qiáng)調(diào)在21世紀(jì)下半葉實(shí)現(xiàn)溫室氣體的零排放[3]。對(duì)SF6替代氣體的尋找與研究顯得勢(shì)在必行[4]。

日本京都大學(xué)的山本等從7種氟氯類氣體中篩選出了c-C4F8氣體，c-C4F8氣體的絕緣強(qiáng)度與SF6氣體相近[5]。法國Alstom公司聯(lián)合美國3M公司共同推出了g3氣體(4%～10%C4F7N/CO2)，在0.1 MPa下C4F7N的絕緣強(qiáng)度約為SF6氣體的2倍，該氣體能降低設(shè)備對(duì)密封性的要求[6]。瑞士ABB公司的PC Stoller等對(duì)C5F10O混合氣體進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，升高氣壓后氣體的絕緣強(qiáng)度與SF6氣體類似[7]。

國內(nèi)許多學(xué)者對(duì)在中壓設(shè)備中有使用潛力的環(huán)保絕緣氣體進(jìn)行了大量研究。西安交通大學(xué)的王小華等對(duì)C5F10O氣體進(jìn)行了雷電沖擊試驗(yàn)，并采用沖入CO2的方式提高氣體壓力。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著氣體壓力的升高，雷電沖擊的耐壓增長趨勢(shì)降低[8]。華北電力大學(xué)的屠幼萍等研究了直流電壓下C4F7N的擊穿特性、閃絡(luò)電壓和局放起始電壓特性，并與SF6氣體對(duì)比[9]。武漢大學(xué)周文俊等對(duì)比了C4F7N/CO2氣體在均勻電場(chǎng)和稍不均勻場(chǎng)下的工頻絕緣特性，研究了不同氣壓下的C4F7N/CO2氣體替代SF6氣體的潛力[10]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)中壓設(shè)備中替代氣體的研究成果十分顯著，但還不全面。

本文通過選取國際數(shù)據(jù)庫中臨界約化場(chǎng)強(qiáng)大于SF6的氣體，以GWP、液化溫度等理化特性作為約束條件，選取了4種環(huán)保絕緣氣體作為研究對(duì)象，鑒于SF6氣體在中壓設(shè)備中正常運(yùn)行時(shí)的工作壓力為0.1～0.2 MPa[11-13]，內(nèi)部電場(chǎng)環(huán)境多為均勻電場(chǎng)，本文采用板-板電極模擬均勻電場(chǎng)，在0.3 MPa范圍內(nèi)，得到4種絕緣氣體相對(duì)于SF6氣體的工頻擊穿電壓，分析其擊穿電壓達(dá)到中壓設(shè)備中SF6氣體的相同強(qiáng)度時(shí)的氣體壓力。同時(shí)與相同條件下的SF6對(duì)比，分析絕緣氣體的GWP，結(jié)合上述相對(duì)絕緣強(qiáng)度，討論絕緣氣體應(yīng)用于中壓設(shè)備的可能性。相關(guān)研究成果為實(shí)際應(yīng)用提供重要參考。

1 絕緣氣體理化性能分析

選取替代中壓設(shè)備中SF6的氣體，需要滿足4大原則：低GWP、高介電強(qiáng)度、無毒、高液化溫度。其中高介電強(qiáng)度是最重要的指標(biāo)。本文通過對(duì)蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH Zurich,High voltage Laboratory)、Christophorou database、Budapest、Dutton database數(shù)據(jù)庫中22種絕緣氣體的理化性能分析，篩選可以用于在中壓設(shè)備中的氣體。

1.1 介電強(qiáng)度

近年來隨著發(fā)電量和用電量的增長，中壓電力設(shè)備的產(chǎn)量不斷增加，而絕緣氣體作為電力設(shè)備的重要組成成分，起著保護(hù)設(shè)備、延長設(shè)備壽命等作用。介電強(qiáng)度是衡量絕緣氣體在低壓時(shí)絕緣強(qiáng)度的一個(gè)重要指標(biāo)，通常以SF6氣體的臨界約化場(chǎng)強(qiáng) 356 Td(1 Td=10-17V cm2)為基準(zhǔn)值。絕緣氣體相對(duì)于SF6氣體的臨界約化場(chǎng)強(qiáng)如表1所示。

由表1可知，各種絕緣氣體相對(duì)于SF6氣體的臨界約化場(chǎng)強(qiáng)，在選取替代中壓設(shè)備中SF6氣體時(shí)，需選取大于或接近于SF6氣體的臨界約化場(chǎng)強(qiáng)的絕緣氣體，再進(jìn)行理化性質(zhì)的研究。表1中大于SF6氣體臨界約化場(chǎng)強(qiáng)的絕緣氣體包括：C4F7N、C5F10O、CF3I、CF3SO2F、c-C4F85種氣體。

表1 絕緣氣體相對(duì)于SF6氣體的臨界約化場(chǎng)強(qiáng)

1.2 全球變暖潛能值

為應(yīng)對(duì)全球變暖趨勢(shì)，歐洲理議會(huì)和理事會(huì)提出關(guān)于氣體全球變暖潛能值(global warming potential，GWP)的計(jì)算方法，即

gz=ngp。

(1)

式中：gz為氣體的GWP；n為氣壓；gp為排放1 g絕緣氣體時(shí)，相當(dāng)于向大氣排放gpg的CO2氣體。

由圖1可知，各絕緣氣體的GWP都遠(yuǎn)低于SF6氣體，在相同氣壓下符合替代中壓設(shè)備中氣體環(huán)保需求。

圖1 不同氣體的相對(duì)絕緣強(qiáng)度與全球變暖潛能值

1.3 絕緣氣體的液化溫度

在一定溫度下，與液體處于平衡的蒸汽所具有的壓強(qiáng)稱之為飽和蒸氣壓。同一氣體在不同溫度下具有不同的飽和蒸氣壓，本文中提到的飽和蒸氣壓均在室溫20 ℃下進(jìn)行。

采用Antoine公式計(jì)算不同絕緣氣體在20 ℃下的蒸氣壓，其公式為

(2)

式中:p為物質(zhì)的蒸氣壓；A、B、C為蒸氣壓常數(shù)。通過上述公式計(jì)算絕緣氣體在20 ℃時(shí)的飽和蒸氣壓，如表2所示。

表2 絕緣氣體在20 ℃下的飽和蒸氣壓

在實(shí)際工程應(yīng)用中，設(shè)備中氣體壓力不能超過其飽和蒸氣壓，這是由于當(dāng)氣體壓力超過飽和蒸氣壓時(shí)，氣體會(huì)發(fā)生液化，導(dǎo)致氣體的擊穿電壓大大降低，不利于設(shè)備正常運(yùn)行。

2 試驗(yàn)方法

上述絕緣氣體的臨界約化場(chǎng)強(qiáng)是通過穩(wěn)態(tài)湯遜試驗(yàn)(SST)或脈沖湯遜試驗(yàn)(PT)測(cè)得的，反映了絕緣氣體在低氣壓下的絕緣特性。國內(nèi)外學(xué)者也對(duì)上述氣體做了高氣壓下的研究，但由于試驗(yàn)條件不統(tǒng)一，使得數(shù)據(jù)分散性大，所以本文在統(tǒng)一試驗(yàn)條件下，測(cè)量其在均勻場(chǎng)下的工頻擊穿電壓，為尋找具有替代中壓設(shè)備中環(huán)保氣體提供數(shù)據(jù)支撐。

2.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

圖2是工頻擊穿試驗(yàn)電路接線原理圖，圖3是試驗(yàn)電極實(shí)物圖。利用有限元計(jì)算軟件COMSOL對(duì)實(shí)驗(yàn)腔體和試驗(yàn)電極進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果表明，試驗(yàn)電極為直徑15 mm的平板電極、電極間距小于10 mm時(shí)，電極間電場(chǎng)分布均勻，證明了提出的實(shí)驗(yàn)腔體和試驗(yàn)電極可用于進(jìn)行均勻電場(chǎng)下的工頻擊穿試驗(yàn)。

圖2 試驗(yàn)電路接線原理圖

圖3 工頻擊穿試驗(yàn)電極實(shí)物圖

試驗(yàn)腔體容積約為8L，主體絕緣采用環(huán)氧樹脂。下絕緣板連接調(diào)節(jié)電極間距的螺旋測(cè)微儀，調(diào)距精度為0.01 mm，間距調(diào)節(jié)距離范圍為0～20 mm。試驗(yàn)腔體可耐受150 kV工頻電壓1 min，可承受氣壓0～0.8 MPa。工頻變壓器的最大輸出電壓為200 kV,保護(hù)電阻50 kΩ，電容分壓器電壓比為1 015∶1。C表示板板電極間隙。在間隙擊穿瞬間，變壓器的過電流保護(hù)單元?jiǎng)幼?，此時(shí)的電壓值為擊穿電壓。

2.2 試驗(yàn)步驟

按照GB/T 16927.1-2011中規(guī)定的工頻擊穿試驗(yàn)要求，實(shí)驗(yàn)前用無水酒精對(duì)密封罐體內(nèi)部和電極進(jìn)行仔細(xì)清潔，將電極設(shè)置好后，封閉腔體，隨后利用真空泵對(duì)密封罐體進(jìn)行抽真空。將試驗(yàn)腔體與充氣管路抽真空至氣壓降低到3 Pa以下；進(jìn)行工頻擊穿試驗(yàn)10～20次，對(duì)電極進(jìn)行“老煉”處理[14-15]；在實(shí)驗(yàn)室溫度為20 ℃的情況下，充入待測(cè)氣體，靜置15 min，再用真空泵抽至3 Pa，重復(fù)3次，進(jìn)行“洗氣”，最后將氣體充至測(cè)試氣壓，靜置15 min[16]；按照GB/T 16927.1-2011中規(guī)定工頻放電電壓試驗(yàn)程序升高電壓至擊穿，記錄試驗(yàn)擊穿電壓值；在完成待測(cè)氣壓的試驗(yàn)后，用真空泵抽氣至下一個(gè)待測(cè)氣壓，至氣體穩(wěn)定后在開展另一個(gè)氣壓的試驗(yàn)，直至完成試驗(yàn)[17-19]。

試驗(yàn)均在室溫20 ℃的條件下進(jìn)行，所使用的絕緣氣體由3M公司、武漢紐瑞德公司和北京宇極公司提供，純度99.99%。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

通過上述平臺(tái)，在統(tǒng)一試驗(yàn)條件(溫度為20 ℃、濕度為20～30RH、平板電極、電極間距5 mm、氣壓為0.1～0.5 MPa)下進(jìn)行SF6氣體的工頻擊穿試驗(yàn)，并將平臺(tái)所測(cè)得的SF6氣體的工頻擊穿電壓與文獻(xiàn)值[1]進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 SF6氣體測(cè)試值與文獻(xiàn)值對(duì)比圖

從圖4可知，SF6氣體在統(tǒng)一試驗(yàn)條件下的工頻擊穿電壓有效值與文獻(xiàn)值的誤差為3%，說明該平臺(tái)可靠，可以利用該平臺(tái)進(jìn)行絕緣氣體的工頻擊穿電壓的測(cè)量。

3 中壓設(shè)備中SF6替代氣體分析

3.1 高氣壓下絕緣氣體擊穿電壓的變化規(guī)律

選擇具有替代中壓電力設(shè)備中SF6潛力的絕緣氣體時(shí)，需要考慮絕緣氣體氣壓變化對(duì)擊穿電壓的影響，從經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，綜合考慮中壓電力設(shè)備的密封水平、氣體壓力等因素，用于確定選擇的氣體壓力水平。絕緣強(qiáng)度達(dá)到SF6氣體0.1、0.15和0.2 MPa時(shí)絕緣氣體的氣壓如表3所示。

由表3可知，當(dāng)SF6氣體的工頻擊穿電壓達(dá)到26 kV時(shí)，氣壓最高的是CF3I為0.07 MPa，對(duì)電力設(shè)備密封要求不高，可以選擇選擇其進(jìn)行替代。CF3I在放電試驗(yàn)中，會(huì)析出大量碘單質(zhì)，雖然對(duì)其擊穿電壓影響較小，但碘單質(zhì)會(huì)腐蝕金屬設(shè)備，造成電力設(shè)備損壞，不能采用。工頻擊穿電壓為37 kV時(shí)，CF3SO2F氣體的氣壓升至0.1 MPa，對(duì)中壓電力設(shè)備密封要求較低，其余絕緣氣體氣壓較低，要求設(shè)備的密封性較高。當(dāng)工頻擊穿電壓為48 kV時(shí)，CF3SO2F、C4F7N和C5F10O氣體氣壓接近于0.1 MPa，可應(yīng)用于中壓設(shè)備中。但C4F7N氣體在擊穿過程中有碳析出，降低放電電壓。

表3 絕緣強(qiáng)度達(dá)到SF6氣體0.1 MPa、0.15 MPa和0.2 MPa時(shí)絕緣氣體的氣壓

絕緣氣體(包括N2、CO2在內(nèi)的常規(guī)氣體和C4F7N等10種絕緣氣體)氣壓變化對(duì)工頻擊穿電壓的影響如圖5圖6所示。

圖5 絕緣氣體的工頻擊穿電壓在不同氣壓時(shí)的變化曲線

圖6 絕緣氣體的工頻擊穿電壓在不同氣壓時(shí)的變化曲線

絕緣氣體的工頻擊穿電壓隨氣壓的變化值呈現(xiàn)出“波峰”曲線現(xiàn)象。在0.1～0.15 MPa內(nèi)，工頻擊穿電壓變化趨勢(shì)不明顯，這是由于雖然增大了氣壓，減小了氣體分子的平均自由行程，但也導(dǎo)致了氣體分子在運(yùn)動(dòng)過程中的動(dòng)能累積的減小，分子平均自由行程與氣壓是線性關(guān)系，但分子動(dòng)能與平均自由行程是高階函數(shù)關(guān)系，即平均自由行程減小的程度較小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致分子動(dòng)能有較大的減小，最終導(dǎo)致氣體的擊穿電壓在氣壓變化時(shí)，增加趨勢(shì)不明顯；在0.15～0.4 MPa內(nèi)，工頻擊穿電壓開始迅速增長，當(dāng)分子平均自由行程進(jìn)一步減小時(shí)，導(dǎo)致氣體分子在運(yùn)動(dòng)過程中很難有足夠的距離積累動(dòng)能，從而使得氣體的工頻擊穿電壓迅速升高。在0.4～0.6 MPa內(nèi)，工頻擊穿電壓增長趨勢(shì)趨于平緩，有少許下降趨勢(shì)。

從圖5和圖6可知，絕緣氣體氣壓與工頻擊穿電壓關(guān)系的曲線中，氣壓為0.3 MPa下的工頻擊穿電壓增長速率最快，即氣壓為0.3 MPa時(shí)，對(duì)氣體絕緣性能的利用率最高，所以結(jié)合表2中的數(shù)據(jù)，應(yīng)選取氣壓在0.2～0.3 MPa范圍內(nèi)的絕緣氣體用于替代中壓電力設(shè)備中的SF6氣體，但絕緣強(qiáng)度較高的氣體的飽和蒸氣壓較低，所以可以選擇混合氣體，將高絕緣強(qiáng)度氣體沖入N2、CO2等緩沖氣體提高其氣壓值。

3.2 高絕緣強(qiáng)度氣體的工頻擊穿電壓變化規(guī)律

圖7為絕緣氣體的工頻擊穿電壓在不同氣壓時(shí)的變化曲線。

從圖7可知，氣壓對(duì)高絕緣強(qiáng)度氣體工頻擊穿電壓的影響是類似的，絕緣氣體的工頻擊穿電壓隨氣壓的升高，近似呈線性增長；在氣壓升至較高時(shí)，絕緣氣體的擊穿電壓趨于飽和。

圖7 4種絕緣氣體的工頻擊穿電壓相對(duì)于SF6的工頻擊穿電壓

實(shí)際上，當(dāng)絕緣氣體的壓力提高后，氣體的平均自由行程會(huì)被壓縮，進(jìn)而使得電子在二次碰撞時(shí)積累的動(dòng)能減少，減少了分子電離的產(chǎn)生。因此，工頻擊穿電壓隨氣壓的升高而升高。但是氣體的擊穿電壓不會(huì)隨著氣壓的升高保持線性增長，而是當(dāng)氣壓提高到一定程度時(shí)，擊穿電壓出現(xiàn)飽和趨勢(shì)。這是由于絕緣氣體在低氣壓被擊穿的過程時(shí)，如電極表面粗糙度、兩電極板平衡度等影響因素對(duì)擊穿電壓影響不大，而氣壓升高時(shí)，這些影響因素會(huì)被放大，使得擊穿電壓出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。

3.3 絕緣氣體應(yīng)用的可行性分析

結(jié)合所述的絕緣氣體工頻擊穿電壓、GWP和液化溫度，可以得到具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的絕緣氣體。從氣壓的角度分析，氣壓不宜過高，氣壓過高雖然會(huì)使得工頻擊穿電壓升高，但同時(shí)也會(huì)對(duì)中壓電力設(shè)備的密封性提出更高的要求，帶來安全隱患；結(jié)合圖5、圖6分析，絕緣氣體在中壓設(shè)備中應(yīng)用的氣體壓力應(yīng)在0.1～0.3 MPa。

從環(huán)保的角度分析，表2為將絕緣氣體應(yīng)用于中壓設(shè)備中時(shí)，產(chǎn)生的總GWP值。可以看出在達(dá)到中壓設(shè)備的絕緣要求前提下，使用絕緣氣體能有效減小溫室效應(yīng)。

從液化溫度的角度分析，在中壓設(shè)備中進(jìn)行充氣時(shí)，在室溫下，需將氣體壓力限定在飽和蒸氣壓以下。若設(shè)備內(nèi)氣體發(fā)生液化，會(huì)極大降低其擊穿電壓。

在試驗(yàn)角度分析，CF3I氣體在放電過程中會(huì)大量析出碘單質(zhì)，雖然對(duì)擊穿電壓影響較小，但碘單質(zhì)會(huì)腐蝕電力設(shè)備，不能替代中壓中的絕緣氣體。C4F7N氣體在放電過程中會(huì)有會(huì)發(fā)生碳沉積現(xiàn)象，影響其絕緣性能，不能在電力設(shè)備中使用。

對(duì)于中壓設(shè)備，采用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)時(shí)的充氣壓力為0.1～0.2 MPa，在不改變?cè)O(shè)備結(jié)構(gòu)的情況下采用其他絕緣氣體作為絕緣介質(zhì)時(shí)，使用壓力不應(yīng)超過0.4 MPa。此外，通過圖5可知，超出0.4 MPa后，絕緣氣體相對(duì)于SF6氣體的工頻擊穿電壓隨氣壓增加總體變化不大。若想滿足更低運(yùn)行溫度和更高的絕緣性能，建議中壓設(shè)備中的氣壓為0.1～0.3 MPa。

4 結(jié) 論

本文通過對(duì)絕緣氣體進(jìn)行工頻擊穿實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)分析了在中壓電力設(shè)備中具備替代SF6潛力的絕緣氣體，在相同條件下達(dá)到0.1～0.2 MPa SF6氣體工頻擊穿電壓時(shí)的氣壓，為中壓電力設(shè)備中替代氣體的進(jìn)一步研究應(yīng)用提供了指導(dǎo)。研究結(jié)果表明：

1)絕緣氣體的氣壓在0.1～0.3 MPa時(shí)的工頻擊穿電壓增長趨勢(shì)最快，再考慮氣體最大使用效率與設(shè)備密封性的要求，推薦使用CF3SO2F混合常規(guī)氣體應(yīng)用于中壓電力設(shè)備。

2)CF3SO2F、C4F7N、C5F10O和CF3I氣體體積分?jǐn)?shù)為SF6氣體的0.3～1.2倍時(shí)，工頻擊穿電壓達(dá)到和SF6相同的水平。