GIS用SF6/N2混合氣體母線的研制

張壘 趙艷濤 閆飛越 張路陽

摘 要：SF6氣體憑借優異的絕緣及滅弧性能，在GIS中廣泛應用。但是，由于其強烈的溫室效應，尋找優異的替代氣體顯得日益重要。本文對GIS母線采用SF6/N2混合氣體時的絕緣和溫升性能進行研究，為SF6/N2混合氣體母線的研制及產品化應用提供了理論和實踐依據。

關鍵詞：SF6/N2混合氣體;絕緣性能;溫升性能

中圖分類號：TM595文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）08-0134-03

Development of GIS Bus Adopting SF6/N2 Gas Mixtures

ZHANG Lei ZHAO Yantao YAN Feiyue ZHANG Luyang

（Henan Pingzhi High-voltage Switchgear Co.， Ltd.，Pingdingshan Henan 467013）

Abstract： SF6 is widely used in GIS due to the excellent performance of insulation and arc extinguishing. However， because of the strong greenhouse effect， it is increasingly important to find out the substitution. The capability of insulation and temperature rise of GIS bus adopting SF6/N2 gas mixtures had been studied in this paper，which provided theoretical and practical basis for the development and productized application of bus adopting SF6/N2 gas mixtures.

Keywords： SF6/N2 gas mixtures;insulating property;temperature performance

SF6氣體具有絕緣強度高、自恢復能力強等優點，廣泛應用于高壓開關領域。但是，SF6氣體是被列入《京都議定書》的溫室效應氣體。因此，研究替代SF6的絕緣氣體具有重要的環保意義。

SF6替代氣體的研究基于兩個思路。其一，尋找新型絕緣氣體，直接替代SF6作為絕緣介質。其二，尋找SF6的混合物作為絕緣介質。目前，SF6/N2混合氣體被公認是比較好的替代方案，肖登明、邱毓昌等對SF6/N2的絕緣性能進行了研究[1]。但是，針對GIS產品，利用SF6/N2混合氣體的絕緣和溫升性能，開展的研究和產品設計還比較少。

1 SF6/N2混合氣體的絕緣性能

根據流注放電理論，混合氣體發生自持放電的條件為：

[oxcrαdx=K]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[α]為SF6/N2混合氣體的有效電離系數;[K]為常數。

根據文獻[2]，在SF6/N2組成的混合氣體中，若SF6的體積分數為[x]，那么SF6/N2混合氣體發生自持放電條件中的常數[K]滿足以下條件：

[K=xKSF6+（1-x）KN2]? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中，[KSF6=10.5];[KN2=5.0]。

式（1）中，混合氣體的有效電離系數[α]等于構成混合氣體的各組分氣體有效電離系數按分子數量的加權平均值，故SF6/N2混合氣體的有效電離系數為：

[α=xαSF6+1-xα]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

根據SF6氣體放電理論，其有效電離系數[αSF6]滿足關系[3]：

[αSF6P=ksEP-EPcr]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

根據N2氣體放電理論，其有效電離系數[αN2]滿足關系[4]：

[αN2][P=Ae-BPE]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

由式（1）至式（5）可得，混合氣體的臨界擊穿場強[Ecr，mix]隨其中SF6氣體的體積分數[x]以及混合氣體的總氣壓[p]的變化關系，進而可以得到：混合氣體的臨界擊穿場強[Emixcr]與相同氣壓純SF6氣體的臨界擊穿場強[ESF6cr]之比[E0cr]隨SF6體積分數[x]的變化關系，繪制出曲線Ⅰ，如圖1所示。

[E0cr=EmixcrESF6cr]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （6）

在進行混合氣體母線設計時，可以參照現有的純SF6母線規格參數和絕緣能力，確定混合氣體母線的氣體成分和氣壓，因此，需要確定達到相同的絕緣強度需要的混合氣體壓力[pmix]與純SF6氣體壓力[pSF6]的比例關系，即

[p0=pmixpSF6]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

由式（4）、式（5）和式（7）可知，[p0]與[E0cr]之間的關系為：

[p0=1E0cr]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

這樣可以得到相同絕緣能力下混合氣體壓力與純SF6氣體壓力之比[p0]隨混合氣體中SF6的體積分數[x]的變化曲線Ⅱ，如圖1所示。

混合氣體中SF6的使用量[qmix]與等絕緣強度下純SF6的氣體使用量[qSF6]之比[q0]滿足以下關系：

[q0=xp0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

這樣可以得到相同絕緣能力下混合氣體中SF6的使用量與純SF6的氣體使用量之比[p0]隨混合氣體中SF6的體積分數[x]的變化曲線Ⅲ，如圖1所示。

由圖1可知，SF6體積比為30%時，混合氣體的絕緣能力已經達到等壓力純SF6的80%左右。要達到與純SF6同樣的絕緣強度，混合氣體母線氣壓提升為純SF6母線的1.33倍。

2 SF6/N2混合氣體的溫升性能

GIS設備對外散熱共有3種形式，分別為熱傳導、對流和輻射.工程上，常把三種散熱因素合并考慮，并用牛頓公式表達為;

[ps=KTAτ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （10）

式中，[ps]為總散熱功率;[A]為有效散熱面積;[τ]為發熱體溫升;[KT]為綜合散熱系數。

由熱平衡原理（發熱=散熱+溫升）可知：

[Pdt=KTAτdt+cmdτ]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（11）

式中，[P]為設備總發熱功率;[c]為設備發熱體比熱;[m]為設備發熱體質量;[dt]為時間間隔;[dτ]為溫升變化量。

當設備達到熱平衡狀態時，發熱量和散熱量相等，設備的溫升不變，此時，式（11）可以退化為：

[Pdt=KTAτdt]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （12）

由此可知，采用混合氣體絕緣和采用純SF6絕緣的GIS母線達到熱平衡狀態時，系統的發熱量相等，殼體和大氣之間的散熱系數相等，系統的散熱面積相等，因此，采用混合氣體替代純SF6前后，殼體的溫升不變。同樣，高壓側部件的溫升與絕緣氣體的散熱系數成反比，即

[T2，mix-T1T2，SF6-T1=KT，SF6KT，mix=[K0]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?]（13）

式中，[T1]為殼體溫升值;[T2，mix]為混合氣體母線高壓側溫升值;[T2，SF6]為純SF6母線高壓側溫升值;[KT，mix]為混合氣體母線高壓側綜合散熱系數;[KT，SF6]為純SF6母線高壓側綜合散熱系數;[K0]為換算系數。

GIS母線高壓側到低壓側的熱量傳遞因素中，對流傳熱起主導作用，對流傳熱速率與絕緣氣體的性質密切相關，工程中，用此對流傳熱系數近似表征高壓側的綜合散熱能力。由文獻[5]可知，SF6/N2混合氣體與純SF6的對流傳熱系數滿足以下關系：

[KT，mixKT，SF6=x+1.572.57pmixpSF60.6=1K0]? ? ? ? ? ? ? ? ?（14）

式中，[pmix]為混合氣體母線氣體絕對壓力;[pSF6]為純SF6母線氣體絕對壓力。

綜合式（13）和式（14），混合氣體母線與純SF6母線壓力比一定時，高壓側溫升值滿足以下條件：

[T2，mix=K0TT2，SF6-K0-1T1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（15）

式中，

[K0=2.57x+1.57pSF6pmix0.6]。

在采用純SF6絕緣的GIS母線溫升試驗數據的基礎上，可以得到SF6/N2混合氣體絕緣母線高壓側的溫升值。這是SF6/N2混合氣體母線溫升的簡易設計方法，在工程上非常實用。

3 SF6/N2混合氣體母線的試驗研究

3.1 試驗樣機簡介

以平芝公司550 kV母線結構為基礎，按照上述設計方法對SF6/N2混合氣體母線進行開發，SF6/N2混合氣體體積比為3∶7。

3.2 絕緣試驗

絕緣試驗姿態如圖2所示，按照標準參數進行雷電沖擊、操作沖擊和工頻試驗，順利通過。

3.3 溫升試驗

溫升試驗姿態如圖3所示，通流1.1×6 300 A，試驗數據、計算數據和采用純SF6試驗數據如表1所示。結果表明，試驗值與計算值誤差在2 K以內，溫升設計方法可以滿足工程需求。

4 結論

本文對SF6/N2混合氣體的絕緣特性和溫升性能進行了研究，得到了等絕緣強度下SF6/N2混合氣體與純SF6氣體氣壓之間的關系，得到了SF6/N2混合氣體母線的溫升設計方法。通過對以上研究結果的應用，開發出SF6/N2混合氣體母線，試驗驗證了SF6/N2混合氣體母線絕緣和溫升設計方法的正確性。

參考文獻：

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

[2]阮全榮，謝小平.氣體絕緣金屬封閉輸電線路工程設計研究與實踐[M].北京：中國水利水電出版社，2011.

[3]Beyer M，Boeck W，Mller K，et al.Hochspannung stechnik[M].Berlin：Springer Verlag，1986.

[4]Baumgartner R G.Dielectric characteristics of mixtures of sulfurhexafluoride（SF6）and Nitrogen[C]//3rd International Conference on Gas Discharges.1974.

[5]W Boeck，T R Blackburn，A H Cookson，et al.N2/SF6 Mixtures for Gas Insulated Systems[Z].2004.