SF6/N2混合氣體在126kVGIS母線中的應用

康留濤 劉亮 李曉斌 高博遠 呂宏偉

摘 要：為了驗證SF6/N2混合氣體在現有SF6氣體母線中的應用，首先確定混合氣體母線的基本參數，通過建立母線各元件的有限元模型仿真進行計算，得出試驗的可行性。試驗結果表明：在不改變現有SF6母線結構的前提下，規定混合比和充氣壓力的混合氣體能保證GIS母線正常運行。

關鍵詞：混合氣體;GIS母線;仿真;試驗

中圖分類號：TM595 文獻標識碼：A 文章編號：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年日本通過的《京都議定書》中，SF6氣體被列為需要全球管制使用的六種氣體之一，溫室效應相當于CO2的23 900倍，降解時間約3 200年[1]。資料顯示，用于設備制造和電氣絕緣的SF6氣體占全部工業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GIS設備需求量日益增長，泄漏量將不容小視。此外，減少SF6的用量是控制溫室效應的有效手段。

如果在不改變母線結構的前提下用SF6/N2混合氣體代替純SF6氣體的方案可行，在后續新建電站的母線氣室內使用混合氣體，或者在已運行電站停電檢修時將SF6氣體更換為混合氣體，將大幅減少SF6氣體使用。

1 母線基本參數

1.1 混合比

研究結果表明，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SF6氣體含量超過20%后，擊穿電壓的增加逐漸趨緩[3，4]。混合氣體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斷任務的高壓設備，特別適用于管道母線。通過分析，確定采用緩混合比例為3∶7的混合氣體（30%SF6∶70%N2），并適當提高充氣壓力。多個設備制造廠家已在設備制造的經濟和實用方面達成共識[5-7]，并進行了鑒定試驗。

1.2 充氣壓力

提高充氣壓力，絕緣強度會相應提高，同時氣體用量和母線殼體制造難度也會增大，經濟性和環保性大打折扣。在母線結構尺寸不變的前提下，對于SF6體積分數為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、盡可能少地改變現有GIS母線結構要求、后期用戶運維以及盡量和其他產品保持統一混合比等要求，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氣體時的1.33倍。

1.3 混合氣體母線主要技術參數

采用混合氣體的母線與純SF6氣體母線的主要技術參數對比如表1所示。混合氣體母線殼體壓力要求如表2所示。

2 可行性研究

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

2.1 絕緣性能

對純SF6氣體母線進行電場仿真，計算出高壓導體表面、SF6氣體沿面、絕緣盤沿面場強值。電場強度均在判據（最低功能壓力0.33MPa）范圍內且有一定裕度。在產品沒有明顯制造缺陷的情況下，采用混合氣體并升高氣壓之后，絕緣強度不是主要問題。電場強度仿真結果如表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，設計壓力由0.54MPa提高至0.79MPa。盤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準要求的破壞壓力成為產品能否使用混合氣體代替的關鍵。對母線隔板、焊接殼體、鑄造殼體進行強度仿真，仿真結果顯示：除焊接殼體稍微超出判據外，其余均在判據范圍內。考慮到判據往往較為嚴格，暫不考慮修改結構，直接進行試驗驗證，仿真輸入參數及結果如表5所示。

3 試驗驗證

3.1 絕緣試驗

試驗樣機由鑄造導體、電連接、導電桿、盤式絕緣子和外殼瓷套管組成。樣機按照比例充入0.5MPa最低功能壓力SF6/N2混合氣體，按照標準要求依次進行正負極性雷電沖擊耐受電壓試驗、1min工頻耐受電壓試驗和局部放電試驗，試驗結果滿足標準要求。圖1為絕緣試驗。

3.2 溫升試驗

溫升試驗如圖2所示。按要求在母線外殼、混合氣體、滑動連接、固定連接、接線端子和導體等三相埋設熱電偶測量溫升，實際溫升值如表6所示，溫升值與表4中的推算值接近并不超過允許值。

3.3 水壓破壞試驗

圖3為水壓破壞試驗。按要求分別對隔板、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，滿足要求試驗終止。

絕緣介質的變化還會引起密封性能和氣室內部微水的變化，對混合氣體的母線進行整體扣罩檢漏，并測量微水含量均滿足要求。

4 結論

本文先通過理論分析確定混合氣體的混合比和充氣壓力，再通過有限元仿真的方法計算現有母線不用修改結構即能滿足介質改變，引起產品性能變化，最后通過試驗進一步確定現有母線的絕緣介質，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氣體時的1.33倍。

參考文獻：

[1]汪沨，邱毓昌，張喬根.六氟化硫氣體絕緣的發展動向[J].絕緣材料，2002（5）：31-34.

[2]相震.減排六氟化硫應對氣候變化[J].中國環境管理，2010（2）：23-27.

[3]周輝，邱毓昌，仝永剛.N2/SF6混合氣體的絕緣特性[J].高壓電器，2003（5）：13-15.

[4]張建，夏延君，賴蘇琴.管道母線（GIL）中SF6/N2混合氣體絕緣性能的研究[J].高壓電器，2016（12）：156-163.

[5]李曉艷，黃坤鵬，李永奎.混合氣體在GIS中的應用[J].電氣工程學報，2011（8）：60-62.

[6]陳慶國，肖登明，邱毓昌.SF6/N2混合氣體的放電特性[J].西安交通大學學報，2001（4）：338-342.

[7]肖登明，邱毓昌.SF6/N2和SF6/CO2的絕緣特及其比較[J].高電壓技術，1995（1）：16-18.