c-C4F8及其混合氣體的滅弧性能

高小飛，陳 炯，李 峰，張周勝

(上海電力學院電力與自動化工程學院，上海 200090)

高壓斷路器是電力系統最重要的控制和保護設備，當系統處于空載、負載或短路故障要求斷路器動作時，它都能可靠地動作.當斷路器開、斷電路時，只要電路中的電流超過100 mA，電源電壓超過幾十伏，動、靜觸頭間就會出現電?。?］.滅弧的過程主要發生在斷路器的滅弧室內，而高壓氣體斷路器的滅弧室內通常充有SF6氣體，幾十年的實踐證明，沒有任何一種氣體絕緣介質可與之相比［2］.但SF6也是一種很強的溫室氣體，其溫室效應為CO2氣體的23 900倍，排放到大氣后能存在3 200年［2］.因此，尋求SF6替代氣體的研究已在全球廣泛開展.

SF6替代氣體的選擇主要從氣體的導熱系數、定壓比熱、絕熱系數、液化溫度等物理參數，電弧產物無毒或毒性等化學性質，以及電負性、溫室效應等方面加以考慮.目前對SF6替代氣體的研究主要集中在空氣，CO2，H2，CF3I，N2，以及它們的混合氣體［3］.

c-C4F8是一種溫室效應值為8 700的氣體，遠低于SF6.它也是一種具有高絕緣性能的電負性氣體，而且這種氣體完全無毒，無臭氧影響.1997年美國國家標準和技術協會會議上已將c-C4F8混合氣體列為最有潛力的SF6絕緣替代氣體.其缺點是液化溫度比較高，沸點為－8℃，較易液化，不適合在高寒地區使用，但它可以通過添加價格便宜的、液化溫度較低且不存在碳分解的N2和CO2等緩沖氣體得到緩解.

國內外一些學者已經對c-C4F8混合氣體的絕緣性能進行了一定的研究，但對其滅弧性能的研究尚未有記載.因此，本文對c-C4F8氣體及其混合氣體進行了滅弧試驗，測得其電弧的電壓和電流值，計算了電弧時間常數和散出能量常數，并分析了其滅弧性能.

1 試驗裝置及回路

本試驗的滅弧試驗裝置截面圖如圖1所示［4，5］.滅弧室由有機玻璃桶組成.靜觸頭和動觸頭頭部的材料為銅.靜觸頭頭部與靜觸頭之間由螺紋嚙合，必要時可以旋出或旋入以調節伸長位置.機械動作部分由電磁閥推動.經測量，當汽缸氣壓值為 0.3 MPa時，分閘速度為 1.8 m/s，合閘速度為 2.12 m/s.

圖1 試驗裝置

圖2為滅弧測試回路.滅弧試驗裝置初始狀態為分閘狀態，高壓直流電源通過限流電阻R對電容C充電.當充電完成后，滅弧室中靜觸頭和動觸頭兩端電壓為電容充電電壓，電流為零.利用電磁閥控制試驗裝置合閘動作，此時電容C和電感L，以及試驗裝置和分流器形成導通回路，產生短路電流，滅弧室內氣體放電擊穿，形成電弧，然后由短路電流過零自然熄弧.串入試驗裝置下端的低感分流器用于測試電弧電流，電弧電壓信號由電阻式分壓器采集.考慮到放電電壓及示波器的測試范圍，選取分壓比為1 000∶1.電弧電壓和電弧電流波形由雙蹤記憶示波器記錄.

圖2 試驗電路

2 麥也爾電弧模型及電弧參數計算

2.1 麥也爾電弧模型

所謂電弧模型，就是在能量平衡的基礎上將電弧當作一個圓柱形的氣體通道，而電導是隨能量變化的.弧隙通過熱傳導、對流及輻射方式向其周圍介質放出能量，故弧隙電阻實際上是由弧隙中輸入與散出的能量之間的關系來決定的，它還與時間有關.

麥也爾認為電弧具有圓柱形氣體通道的形狀，但其直徑是恒定的.從電弧間隙散出的能量是常數，能量的散出是依靠熱傳導和徑向擴散完成的.麥也爾電弧數學模型，也可稱為麥也爾方程(Mayr’s equation)為:

式中:ga——電弧電導;

θ——電弧時間常數，即弧隙中能量變化使弧隙電阻改變2.73倍時所需的時間;

N0——散出能量常數.

麥也爾方程是基于熱平衡、熱慣性、熱游離3個基本原理推導出來的.當e·i＞N0時，電弧溫度應增加，熱游離加強，所以(dga/dt)＞0，即電弧電導有增加的趨勢;反之同理.在電流過零后弧隙上沒有外加恢復電壓的情況下，也即e=0，得:

式(2)表明，在沒有外加恢復電壓情況下，電弧電導按電弧時間常數的指數曲線下降.因此，電弧時間常數θ和散出能量常數N0在滅弧過程中起決定作用，可作為衡量滅弧性能的重要指標.

2.2 電弧參數計算

試驗得到的電弧電導和電弧電流的波形如圖3所示.

圖3 電弧參數計算方法示意

根據麥也爾方程可推導出電弧時間常數θ和散出能量常數N0隨電導 g變化的計算公式［5］為:

3 試驗結果及分析

試驗電源采用振蕩回路，充電電壓為5 kV，最大放電電流為3 kA.在滅弧試驗裝置內充入0.1 MPa的c-C4F8氣體及其與N2或CO2的混合氣體.當利用電磁閥讓動觸頭動作時，裝置內產生了明亮的電弧后熄弧.示波器設為單次觸發，通過分流器和分壓電阻測得電弧電流和電壓，并利用式(3)和式(4)計算出電弧時間常數和散出能量常數.

圖4為純c-C4F8氣體、CO2與c-C4F8混合氣體、N2與c-C4F8混合氣體在電導值0～60 S內的時間常數曲線.圖5為純c-C4F8氣體、CO2與c-C4F8混合氣體、N2與c-C4F8混合氣體在電導值0～60 S內的散出能量常數曲線.

圖4 不同氣體的電弧時間常數

圖5 不同氣體的電弧散出能量常數

由圖4和圖5可以看出:電弧時間常數為c-C4F8＜CO2＜N2;散出能量常數為 N2＞CO2＞c-C4F8.從電弧時間常數看，CO2氣體與 c-C4F8氣體相差不大，N2氣體則與CO2氣體和c-C4F8氣體有一定的差距;從散出能量常數看，CO2氣體與N2氣體更為接近，但都明顯遜于c-C4F8氣體.

4 結論

(1)電弧參數的試驗結果表明，作為SF6替代氣體，c-C4F8氣體的滅弧性能優于CO2氣體和N2氣體.

(2)c-C4F8/N2和c-C4F8/CO2混合氣體都能降低沸點，進一步減小溫室效應值，但同時混合的緩沖氣體越多則滅弧性能越差.

(3)c-C4F8/N2/CO23元混合氣體的混合比、沸點，以及在不同氣壓條件下的滅弧性能還有待進一步研究和探討.

［1］清華大學高壓教研組.高壓斷路器:上冊［M］.北京:水利電力出版社，1980:12-30.

［2］邱毓昌.GIS裝置及其絕緣技術［M］.西安:西安交通大學出版社，1994:55-60.

［3］TAKI M，MAEKAWA D，ODAKA H，et al.Interruption capability of CF3I gas as a substitution candidate for SF6gas［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2007，14(2):341-346.

［4］黎斌.SF6高壓電器設計［M］.北京:機械工業出版社，2008:63-98.

［5］徐國政.高壓斷路器原理和應用［M］.北京:清華大學出版社，2000:15-23.