直流電壓作用下極不均勻電場中SF6/N2混合氣體局部放電起始特性研究

龐培川,孫澤明,張芊,侯志強,張軒瑞,孫善源,李軍浩

(西安交通大學電氣工程工程學院,710049,西安)

直流氣體絕緣輸電線路(GIL)作為一種新型的輸電方式,雖然國內還未商用,但隨著特高壓直流輸電技術的發展,相關的研究越來越多[1]。作為此類電氣設備的主要絕緣介質SF6于1947年已實現商業化應用[2]。SF6氣體對電場均勻程度比較敏感,電場不均勻程度的增加會使SF6氣體的絕緣性能大幅度降低[3],而且SF6氣體價格昂貴,是一種溫室氣體,對環境不友好[4],另外SF6氣體及其分解物對人體的危害和對設備的影響也不可忽視[5]。因此,尋求SF6替代氣體成為行業研究熱點。

SF6替代氣體主要分成3種類型[6]:常規氣體中有干燥空氣[7],CO2和N2[8]的研究比較多;混合氣體中主要有SF6/N2[9]、SF6/He[10]、SF6/CO2[11];新型電負性氣體主要研究CF3I、C3F8、C2F6及其混合氣體[12]。常規氣體物化性質穩定,價格便宜,但是吸附電子能力遠小于SF6氣體,僅用單一常規氣體作為絕緣介質絕緣性能欠佳。新型電負性氣體雖然溫室效應低且具備較好的絕緣性能,但是價格昂貴,液化溫度相對較高,且CF3I被歐盟列為第三類致癌物質,工程應用需進一步研究考量。SF6混合氣體作為絕緣介質的電力設備在工程中得以運用,其中最具工程應用前景的是SF6/N2混合氣體,德國西門子公司研發的世界上第一條SF6/N2混合氣體GIL已于2001年在瑞士日內瓦國際機場投入運行[13],目前SF6/N2混合氣體GIL已成功應用在245～550 kV線路中。因此,將SF6/N2混合氣體作為一種可能替代SF6氣體的絕緣氣體,近年來受到廣泛關注。

直流GIL高壓導體和接地外殼之間是稍不均勻電場,但是在安裝過程中,難免引入金屬尖端等缺陷,導致局部電場集中,絕緣劣化。局部放電既是引起絕緣劣化的主要原因,又是絕緣劣化的重要征兆[14]。目前,直流下極不均勻電場氣體局部放電的研究多針對純SF6氣體,唐炬研究了極不均勻電場中直流局部放電量與SF6氣體分解的關聯性,表明SF6分解氣體的產氣均方速率與體積分數可作為判定直流局部放電的組分特征量[15]。Roland研究了針板電極中直流局部放電特性[16],而SF6/N2混合氣體的絕緣特性研究多關注稍不均勻電場的擊穿特性。李旭東等的研究表明,在均勻電場中氣壓在0.25 MPa以下時,適當增加SF6混合氣體的壓強可以達到純SF6相同的絕緣強度[17]。成毅等的研究表明,SF6與N2的協調效應可顯著提高SF6/N2混合氣體的擊穿特性[18]。

本文針對直流電壓下SF6/N2在極不均勻電場中的局部放電特性展開研究,為SF6/N2混合氣體絕緣直流GIL的建設提供試驗參考。文中提及的氣體絕緣特性、絕緣強度僅考慮局部放電的起始特性。

1 試驗平臺與方法

1.1 試驗平臺

利用半波整流電路搭建直流高壓系統試驗平臺,如圖1所示,AC是380 V交流電源,T1是調壓器,T2是200 kV/(100 MV·A)無局部放電試驗變壓器,P1(600 kV/0.5 A)是高壓硅堆,C2是90 nF濾波電容,交流電壓經過濾波整流成直流電壓,紋波系數為0.9%,符合相關標準[19]。Rz是阻值為1 MΩ的水電阻,它在樣品突然被擊穿時,起限流保護作用,同時也有助于抑制來自電源側的干擾[20]。F是分壓比為1 000∶1的阻容分壓器,萬用表可實時讀取高壓端電壓值。阻容分壓器一方面起電壓測量的作用,另一方面相當于一耦合電容。CX為缺陷模型,電極安裝在密封氣室里面,密封氣室由有機玻璃筒和鋁制法蘭組成,R為50 Ω無感電阻,用于檢測局部放電信號。示波器采用力科9404,帶寬為4 GHz,最高采樣率為4×1010s-1,利用此示波器順序功能可以長時間且高采樣率檢測局部放電信號。利用校準脈沖發生器對測量系統背景噪聲進行標定,背景噪聲小于5 pC,滿足測量要求。

圖1 直流高壓系統試驗平臺示意圖

為了模擬金屬尖端缺陷對電場造成的畸變,文中搭建高壓試驗常用的小模型,如圖2所示,利用鋁塊、有機玻璃、尼龍棒、O形線圈、螺母和充氣閥門構造封閉氣室,耐壓可達0.6 MPa。由于鎢銅耐高溫、耐燒蝕、耐磨損等特性,試驗選用鎢銅作為尖端電極,試驗后測量尖端曲率半徑無明顯變化,尖端用800、1 200、2 500和7 000目砂紙依次打磨光滑,盡量避免電極表面粗糙引起的測量誤差。將鎢銅尖端電極安裝在氣室內,尖電極與地電極距離調為6 mm,利用1 000倍電子顯微鏡測量尖曲率半徑r分別為20、50、100、120和160 μm,模擬不同電場均勻度的情形。電場均勻度用不均勻系數f表示,為最大場強Emax和平均場強Emean的比值,f=Emax/Emean。利用Comsol有限元仿真得到5種尖端的不均勻系數(f>4為極不均勻場;1

表1 不同尖端曲率半徑的電場不均勻系數

圖2 尖端缺陷模型示意圖

1.2 試驗方法

SF6和N2被認為是理想氣體,二者混合不發生化學變化,根據道爾頓分壓定律,SF6氣體含量調配通過控制混合氣體中SF6氣體的壓強達到,即

(1)

式中:nA、nB分別為兩種氣體的摩爾數;PA、PB分別為兩種氣體的氣壓。定義混合氣體中SF6的體積分數為

φ(SF6)=PSF6/(PSF6+PN2)

(2)

式中:PSF6為容器中SF6的氣壓;PN2為容器中N2的氣壓。采用氣體充氣裝置對SF6和N2進行混合,由于SF6密度大于N2,而且充氣口位于試品罐子的底部,因此先充SF6然后再充N2,達到配比要求后,靜置24 h使其充分混合后進行實驗。對于純SF6和純N2,充氣后靜置30 min。

文中以500 V/s(±20%)[21]穩定速率緩慢加壓直至出現局部放電,參考美國標準[22],當在1 min內至少出現1次放電時,確定此時的外施電壓為起始放電電壓U0。在起始電壓下,采集10～50個放電脈沖,取算數平均值為起始放電量;然后降壓至0,等待10 min,待絕緣恢復后再次加壓測量起始放電電壓U0,測量5次,取平均值以減少測量誤差。

2 試驗結果

2.1 SF6體積分數對U0的影響

5種曲率半徑的尖端在0.3 MPa氣壓下φ(SF6)對U0的影響如表2和圖3所示,φ(SF6)分別為0%、10%、20%、30%、40%、50%和100%,其中0%表示純N2,100%表示純SF6。

當N2中加入SF6后,混合氣體的U0高于純N2。曲率半徑為20、50、100和120 μm的尖端在純N2中的U0分別為5.8、6.6、8.7、9.2 kV,當分別加入10%的SF6,U0分別提高了37.9%、42.4%、20.7%和17.4%,說明加入SF6氣體可在一定程度上提高絕緣氣體的耐電強度。U0提高的程度與r有關;當r小于50 μm時,U0提高的程度隨著r增加而增加;當r大于100 μm時,U0提高程度隨r增加而減小。

表2 不同r下φ(SF6)與U0的關系

引入氣體相對絕緣強度參數k

k=U0,mix/U0,SF6

(3)

式(3)表示混合氣體初始放電電壓U0,mix與純SF6氣體初始放電電壓U0,SF6的比值,即混合氣體相對于純SF6氣體的絕緣性能,k越大表示絕緣性能越好。k<1表示混合氣體絕緣性能低于純SF6氣體,k>1表示絕緣性能高于純SF6氣體。

由表2和圖3可知:對于r為100 μm的尖端,φ(SF6)-k關系具有單峰形狀;當φ(SF6)在0%～50%范圍內時,隨著φ(SF6)的增加,U0增加;當φ(SF6)為30%、40%、50%和100%時,U0分別為12.1、13.6、15.2和13.1 kV。由上可知,當φ(SF6)>40%時,k>1,即混合氣體絕緣強度高于純SF6;當φ(SF6)<30%時,k<1,即混合氣體的絕緣強度小于純SF6氣體;當φ(SF6)=30%時,混合氣體U0已經達到純SF6氣體的92.4%。r為120 μm的尖端也具有類似變化關系,φ(SF6)-k具有單峰形狀。

圖3 尖端在不同曲率半徑下φ(SF6)與k的關系

對于r為20 μm的尖端,φ(SF6)-k關系為雙峰形狀。當φ(SF6)為20%、40%和50%時,k>1,即混合氣體的絕緣強度高于純SF6;當φ(SF6)為10%和30%時,k<1,即混合氣體的絕緣強度小于純SF6;當φ(SF6)為10%時,混合氣體的U0已達純SF6氣體U0的95.3%。r為50 μm的尖端具有和r為20 μm的尖端類似的現象,φ(SF6)-k關系為雙峰形狀。對于r為160 μm的尖端,當φ(SF6)為10%～50%時,混合氣體的U0小于純SF6氣體的U0。其中當φ(SF6)為50%時,混合氣體U0已達純SF6氣體的97%。

在極不均勻電場中,相同總氣壓的SF6/N2混合氣體的U0有可能高于純SF6氣體的U0,從而使混合氣體的絕緣強度在一定程度上高于純SF6氣體。電場不均勻程度越高,混合氣體的絕緣強度高于純SF6氣體絕緣強度所需的SF6比例越低。

2.2 電壓極性對SF6/N2混合氣體U0的影響

在正負極性電壓下,r為20、50 μm的尖端在0.3 MPa SF6/N2混合氣體中U0隨φ(SF6)的關系見表3,k與φ(SF6)的關系見圖4。r為20、50 μm的尖端在正負極性電壓下的φ(SF6)與k的關系為雙峰形狀,當φ(SF6)為30%時,k<1。在負極性電壓下,r為20、50 μm的尖端滿足k>1的φ(SF6)為20%、40%、50%和70%;正極性電壓下,r為20、50 μm的尖端滿足k>1的φ(SF6)為40%、50%和70%;但是,當φ(SF6)為20%時,20 μm的尖端k=100%,50 μm的尖端k=99.1%,已基本達到純SF6氣體的絕緣強度。

圖4 電壓極性對混合氣體k的影響

φ(SF6)/%U0/kVr=20 μm負極性正極性r=50 μm負極性正極性05.87.16.58.5108.09.59.410.8209.810.1510.111.5308.18.839.210.94010.411.0011.012.15011.212.211.812.67012.212.9312.713.21008.510.149.511.6

2.3 氣壓對SF6/N2混合氣體U0的影響

(a)負極性

(b)正極性圖5 混合氣體U0與氣壓的關系

當r為20 μm、φ(SF6)為20%時,U0隨氣壓變化趨勢如圖5所示。從中可見,SF6/N2混合氣體和純SF6氣體中,隨著氣壓的增加,U0呈上升趨勢,但是純SF6氣體中U0與氣壓的斜率隨氣壓增加而增加。這說明純SF6氣體對氣壓敏感,而混合氣體中隨著氣壓增加,U0呈現飽和趨勢,證明了加入N2后降低了混合氣體對氣壓的敏感程度。

正負極性下的混合氣體與純SF6氣體的k如表4所示。在0.1～0.3 MPa范圍內,混合氣體的絕緣強度高于純SF6氣體,且負極性電壓下的k均在115%左右,正極性電壓下的k保持在105%～110%之間,說明0.1～0.3 MPa時混合氣體對負極性電壓敏感程度高于正極性電壓。當氣壓為4 MPa時,混合氣體絕緣強度低于純SF6氣體,且正極性電壓下k為94.9%,負極性電壓下k為94.5%,說明0.4 MPa下混合氣體對電壓極性敏感程度一致。

表4 r為20 μm的尖端氣壓與k的關系

3 分析與討論

3.1 SF6體積分數對U0影響的分析

(4)

式中:C為常數(隨氣體類型發生變化);E(x)為間隙內電場強度;(E/P)0為混合氣體理論耐電強度(歸算到單位氣壓)。

電負性氣體自持放電的流注判據為

(5)

對于電負性氣體,在α-η=0附近可寫成

(6)

對于SF6,(E/P)0=88.5 kV/(mm·MPa),C=27.7 kV,有

(7)

由式(7)可見,在極不均勻電場中,電極表面的臨界擊穿場強不僅取決于(E/P)0,還與氣體的C值有關。對于混合氣體,不同φ(SF6)時(E/P)0與K/C也不一樣(均假定K不隨φ(SF6)變化)。如圖6所示,K/C隨著φ(SF6)增加而減小,(E/P)0隨φ(SF6)增加而增加[23-24]。

因此,雖然在SF6中加入N2使得(E/P)0降低,但是K/C比純SF6氣體要高,從而導致在極不均勻電場中,SF6/N2混合氣體的U0高于純SF6氣體。不同曲率半徑的尖端,需要在N2中加入不同濃度的SF6,才能使混合氣體的U0高于純SF6氣體,這是由于在不同SF6/N2配比和電場畸變下,臨界電子崩長度不一樣所致。根據電場不均勻系數將電場畸變分為特別嚴重(30.92≤f≤47.72)、一般嚴重(20.24≤f≤22.32)和輕微嚴重(f≤17.59)3個等級。當氣壓為0.3 MPa時,從經濟和安全兩方面考慮,電場畸變特別嚴重時φ(SF6)取20%為宜;電場畸變一般嚴重時φ(SF6)取40%為宜;電場畸變輕微嚴重時φ(SF6)應不低于50%。

圖6 φ(SF6)與(E/P)0、K/C的關系

3.2 電壓極性對SF6/N2混合氣體U0的影響

正極性電壓下,r為20、50 μm的尖端k隨φ(SF6)變化趨勢與負極性電壓一致,且均當φ(SF6)為20%、40%、50%和70%時,k≥1,區別在于同一φ(SF6)時,負極性的k大于正極性的k。但從電壓絕對值角度考慮,正極性的U0始終高于負極性的U0,原因在于空間電荷對電場畸變的作用。

當尖端為負極性時,電子在電場力作用下向正極板運動,在尖端附近區域聚集大量正電荷,導致尖端附近場強增加。當尖端為正極性時,尖端附近發生電子崩,電子流入尖電極,正電荷在電場力作用下向負極板運動。但是,正電荷質量大,遷移速率較低,所以尖端附近聚集大量正電荷,導致正極性尖端附近電場被削弱,從而需要更高的電壓才能發生局部放電,因此正極性U0高于負極性U0。

在純SF6氣體中,r為20 μm的尖端正極性U0比負極性高1.64 kV,r為50 μm的尖端正極性U0比負極性高2.1 kV。混合氣體中,正負極性U0差距較小,當φ(SF6)為50%時,r為20 μm的尖端正極性U0比負極性高1 kV,r為50 μm的尖端正極性U0比負極性高0.8 kV,即混合氣體中正負極性U0差值要小于純SF6氣體中的差值,從而導致負極性電壓下k大于正極性電壓的k。這說明在混合氣體中,空間電荷的影響作用要小于純SF6氣體,同時說明負極性電壓下SF6中加入N2對氣體絕緣強度的影響高于正極性電壓。

3.3 氣壓對SF6/N2混合氣體U0的影響

在氣體放電起始過程中,主要有兩種因素影響放電特性,其一是電子平均自由程,其二是分子數目。在氣壓較低時,分子密度較小,電子平均自由程大,電子獲得動能碰撞分子導致電離的概率大,但是由于分子數目小,從而導致碰撞分子的概率低,分子電離概率低。在氣壓較高時,電子平均自由程較低,電子獲得動能小碰撞電離概率低,但是分子數目多,從而使碰撞電離的概率增大。氣體放電過程就是這兩種因素相互影響相互制約的過程。純SF6氣體中,隨著氣壓增加,U0隨氣壓增加的速率上升,說明隨著氣壓增加,電子平均自由程較低導致放電概率減小的趨勢占據主導優勢。在SF6/N2混合氣體中,隨著氣壓增加,U0隨氣壓增加的速率下降,說明隨著氣壓增加,混合氣體中分子數目增加導致碰撞電離概率增加的趨勢占據主導地位。其次SF6氣體是強電負性氣體,分子具有強吸附電子的能力,N2是中性氣體,分子不具備吸附電子的能力,且SF6氣體分子電離能高于N2,所以在混合氣體中,電子碰撞N2分子電離的概率要大于SF6分子。因此,純SF6氣體中,U0隨氣壓增加的速率上升,純N2中U0隨氣壓增加的速率下降。所以,對于r為20 μm的尖端,當φ(SF6)為20%時,在0.1～0.3 MPa氣壓范圍內,SF6/N2混合氣體U0高于純SF6氣體;當氣壓為0.4 MPa時,SF6/N2混合氣體的U0為純SF6氣體的95%。

4 結 論

(1)在電場畸變嚴重的情況下,氣壓為0.3 MPa時,SF6/N2混合氣體的U0高于純SF6氣體,且電場畸變越嚴重,使SF6/N2混合氣體U0高于純SF6氣體所需的SF6濃度越低,且r為20 μm和50 μm的尖端k隨φ(SF6)變化趨勢一致,呈現雙峰形狀,r為100、120和160 μm的尖端k隨φ(SF6)變化呈現單峰形狀。

(2)對于r為20 μm和50 μm的尖端,氣壓為0.3 MPa時,負極性電壓下k高于正極性電壓,說明負極性電壓下SF6中加入N2對氣體絕緣強度的影響高于正極性電壓。

(3)r為20 μm的尖端在φ(SF6)為20%時,正極性和負極性電壓下,0.1～0.3 MPa氣壓范圍內SF6/N2混合氣體U0均高于純SF6氣體;氣壓在0.4 MPa時,SF6/N2混合氣體U0為純SF6氣體的95%,已基本達到純SF6氣體的絕緣強度。