SF_6/N_2混合气体1100 kV GIL产品研制及应用

1 100 kV气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中SF_6使用量较大,由于SF_6气体具有很大的温室效应,因此,采用SF6/N2混合气体作为绝缘介质以减少SF6气体的使用量具有重要的社会意义。通过研究SF_6/N_2混合气体的绝缘、温升等特性,提出了适用于1 100 kV GIL的SF_6/N_2混合气体压力及混合比,研制了1 100 kV GIL样机,并进行了绝缘、温升试验研究,试验结果与仿真一致:混合气体压力不变的条件下,气体的绝缘强度随SF_6比例的增加而增大,GIL导体、触指温升随SF_6比例的增加而降低,壳体温升与混合气体中SF_6比例的关系不大;在相同绝缘耐受场强条件下,SF6/N_2混合气体压力与纯SF_6气体压力成正相关关系,且混合气体中SF_6比例越低,气体压力增加的幅度越大。研制的SF6/N_2混合气体绝缘1 100 kV GIL样机通过型式试验及长期带电运行试验,验证了产品长期带电运行的可靠性。     

电力设备中SF_6混合绝缘气体净化分离技术的探究

为解决SF_6气体的温室效应及低温易液化问题的日益突出,SF_6/N_2、SF_6/CF_4等混合绝缘气体被认为是目前最有发展前景的替代介质,开始在气体断路器(GIC)以及气体输电管线(GIL)、GIS母线等非灭弧气室中推广应用。然而,大规模推广应用前,必须先解决混合气体的回收、净化处理等关键问题。由于SF_6混合绝缘气体与纯SF_6气体性质上有较大的区别,文中针对SF_6/N_2和SF_6/CF_4混合绝缘气体特性,提出了用多级高分子膜、深冷相变分离和低温精馏方法联用的混合气体分离净化方案,经过处理后能得到较高纯度的SF_6气体和CF_4气体,N_2纯度达到99%,可直接排放至大气。     

管道母线(GIL)中SF_6/N_2混合气体绝缘性能的研究

文中首先对GIL中SF_6/N_2混合气体的绝缘性能进行了计算,重点关注了SF_6体积分数配比以及气体压力对绝缘能力的影响,并且研究了高落差下是否出现气体分层从而对混合气体的绝缘能力产生影响。其次,利用试验装置,对SF_6/N_2混合气体在不同配比和压力下的雷电击穿电压进行了测量,并且对比分析了试验结果与计算结果的差异。计算结果表明SF_6/N_2混合气体绝缘强度随SF_6气体体积分数增加而提高,但SF_6体积分数达到10%后,混合气体的击穿电压呈现出饱和的趋势;在高落差下,SF_6和N_2的混合比随高度的变化很微小;GIL样机的雷电冲击试验结果验证了击穿电压计算结果的正确性。     

SF_6替代气体技术及其在GIL中的应用与发展

该文从SF_6替代气体技术的发展入手,总结了国内外在SF_6混合气体和新型环保绝缘介质的相关研究。在此基础上,回顾了气体绝缘输电管道的发展以及SF_6替代气体技术在GIL中的应用。结合最近的SF_6替代气体和GIL技术的发展近况,分析和探讨了GIL应用的相关问题。从GIL发展的历史可以看出,随着SF_6/N_2混合气体技术的不断成熟,第二代GIL(即SF_6/N_2混合气体的GIL)获得了成功的商业应用。新型环保绝缘介质一直处于积极探索之中,Alstom公司和ABB公司推出的C4 FK和C5 FK引起了广泛关注。虽然Alstom公司在420 k V的GIL上进行了C4 FK混合气体的性能测试,但由于其温升特性较差仍较难用于GIL中。因此,新型环保绝缘介质的GIL仍处在实验室研究阶段。但是,随着新型环保绝缘介质研究力度的不断增强以及GIL工程建设的不断发展,环境友好型气体将有可能取代SF_6/N_2混合气体作为绝缘介质从而开启第三代GIL的时代。     

用于气体绝缘输电线路的CF_3I及其混合气体的散热能力分析

由于SF_6气体温室效应严重,因此亟需找到一种能够替代SF_6气体的环保型绝缘气体。利用传统解析法,对不同气压下充有不同体积分数CF_3I气体的CF_3I-N_2及CF_3I-CO_2混合气体绝缘的气体绝缘输电线路(GIL)的导体温度和外壳温度进行了计算,并与同等条件下采用SF_6气体以及含20%体积分数SF_6气体的SF_6/N_2混合气体的情况进行了对比,分析了CF_3I及其混合气体的散热性能。结果表明:同等条件下,CF_3I-N_2混合气体的散热能力优于CF_3I-CO_2混合气体。而含30%~80%体积分数CF_3I气体的混合气体的散热能力也优于已经广泛应用的SF_6及20%SF_6与80%N_2的混合气体,最高可达到纯SF_6气体的1.05倍以及20%SF_6与80%N_2混合气体的1.1倍。综合考虑绝缘特性、散热特性和液化温度等多方面因素,CF_3I气体体积分数为20%~30%的CF_3I/N_2混合气体可以在一定条件下用作GIL中的绝缘介质。     

气体绝缘输电线路(GIL)的应用及发展

文中介绍了GIL的发展历史和应用范围、特点,以及国内外GIL的应用状况,分析了第一代SF_6气体绝缘的GIL和第二代SF_6混合气体绝缘的GIL的运行情况,提出了采用SF_6体积分数10%~20%的混合气体绝缘的GIL作为第二代GIL的发展方向。指出了压缩空气绝缘不适用于高压及以上等级的GIL,提出了采用CF3I混合气体作为第三代GIL的研究发展方向。研究分析了CF3I混合气体的绝缘强度、液化温度和温室效应等特性,指出了CF3I与N_2混合气体可以作为超特高压GIL中SF_6的替代气体,在绝缘强度、液化温度和成本造价上都有较大的优势,可以对CF3I体积分数为10%~30%的混合气体进行可行性应用研究。     

SF6/N2混合气体的工频击穿特性研究

通过理论分析对SF_6/N_2混合气体的工频击穿特性进行了研究,得出SF_6/N_2混合气体中SF_6气体的最优比例是20%～30%,同时在其他条件不变的情况下将混合气体压力提高至1.4倍即可具备与纯SF_6气体相同的工频击穿电压。试验结果也验证了分析结论的正确性,表明SF_6/N_2混合气体代替纯SF_6气体作为绝缘介质是完全可行的。     

应用于直流GIL中环境友好型气体的绝缘性能研究

直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)可提高特高压直流输电线路走廊选择的灵活性,研究其中SF_6气体的替代气体具有十分重要的意义。该文在负极性直流电压和负极性雷电冲击电压下,通过实验研究了0.4~0.7MPa气压范围内的SF_6、SF_6/N_2和CF_3I/N_2气体的击穿特性以及圆柱形绝缘子在相应气体环境中的闪络特性。结果表明:随着气压升高,SF_6、SF_6/N_2和CF_3I/N_2气体的击穿场强基本上呈现线性升高趋势,但同气压下SF_6的击穿场强最高,SF_6/N_2次之,CF_3I/N_2最低;CF_3I/N_2混合气体中绝缘子闪络电压远低于在SF_6和SF_6/N_2环境中。研究表明,0.7MPa气压、混合比为2:8的SF_6/N_2气体绝缘性能与0.5MPa时SF_6气体绝缘性能相当,且全球变暖潜能值(global warming potential,GWP)可降低约80%,可应用于直流GIL;而CF_3I/N_2混合气体由于其绝缘性能远低于SF_6和SF_6/N_2气体,不适用于高压直流气体绝缘金属封闭设备。     

SF6/N2混合气体应用的综合评价模型

SF_6/N_2混合绝缘气体因其液化温度低、电气性能好、环保及价格低等优点,被认为是目前最具发展前景的SF_6替代介质。但SF_6/N_2混合气体应用的综合评价问题尚缺乏研究。文中从电气性能、环境影响及成本三方面入手,构建了SF_6/N_2混合气体应用的综合评价模型。考虑混合气体各方面约束,提出采用电气性能目标最大化、环境影响目标及成本目标最小化的气体压力与SF_6应用比例求解方法。结果表明:提出的SF_6/N_2混合气体应用的综合评价模型可实现电气性能、环境影响及成本多目标的综合考虑,尤其是环境温度对气体压力与SF_6应用比例的影响,能够有效提升混合气体GIL工程应用的环保性、安全性和可靠性。     

直流电场下C_4F_7N/CO_2与SF_6/N_2混合气体中铝质球形自由微粒放电敏感度对比分析

直流气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)充SF_6混合气体或SF_6替代气体时,其绝缘性能将受到自由金属微粒的影响。本文重点针对C_4F_7N/CO_2以及SF_6/N_2混合气体,开展绝缘强度的影响分析。选用的实验气体组份为:C_4F_7N/CO_2(4%/96%)、SF_6/N_2(其中SF_6比例分别为20%、30%、50%和70%)以及纯SF_6气体,在球-碗电极直流电场下,开展微粒影响下的气隙击穿实验。提出微粒放电敏感度(DSP)的概念及定义,用以评估不同组分气体绝缘强度对金属微粒导致的局部电场强度剧变的敏感程度。实验结果表明,在0.1~0.5MPa气压范围内,不存在微粒时,4%C_4F_7N/96%CO_2绝缘强度与30%SF_6/70%N2混合气体相当;存在微粒影响时,4%C_4F_7N/96%CO_2混合气体的DSP值低于30%SF_6/70%N2混合气体的,而高于20%SF_6/80%N2混合气体的,且放电电流呈现双峰值特征。C_4F_7N/CO_2混合气体具有绝缘强度高、对微粒放电敏感度低的特性,这与C_4F_7N具有强电负性和高吸附系数有关。本文还结合微粒运动触发放电的物理模型,阐明了气隙击穿电流出现双峰特征的原因。     

SF_6/N_2混合气体用于GIS母线的研究与应用

GIS母线使用SF_6/N_2混合气体主要考虑气体的绝缘性能,已有研究成果表明,使用SF_6/N_2混合气体替代纯SF_6气体可显著降低SF_6使用量,在不降低绝缘性能的前提下减少温室气体使用量,但国内尚未在GIS上进行工程应用。国家电网公司响应国家节能减排号召,组织开展了SF_6/N_2混合气体用于GIS母线的研究工作,包括混合比、在运GIS母线替换为SF_6/N_2混合气体的适应性研究等,确定了SF_6/N_2混合气体GIS母线可采用统一的30%混合比,多个产品已通过型式试验和新产品技术鉴定,并在8座变电站开展了工程试用,为实现混合气体在GIS母线的推广应用奠定基础。     

-50℃条件下SF_6/N_2混合气体的击穿特性

为研究低温条件下SF_6/N_2混合气体的击穿特性,搭建了温度可控的气体击穿试验系统,采用棒板电极模型模拟GIS内部极不均匀电场,对SF_6/N_2混合气体的工频及雷电冲击击穿特性进行了研究。结果表明:只要保证固定的充气比例和密度下混合气体不发生液化,温度变化对SF_6/N_2混合气体的绝缘性能基本无影响,且SF_6/N_2混合气体的极性效应比纯SF6气体更明显。     

不同背景气体对SF6分解产物检测结果影响的研究

为了探索混合气体中SF_6分解产物的检测技术,了解不同背景气体对SF_6分解产物检测结果的影响,文中对比研究了CF_4/SF_6、N_2/SF_6等不同混合气体与纯SF_6为背景气体条件下,SO_2、H_2S、CO等SF_6分解产物检测结果的差异,研究表明,不同背景气体对SF_6分解产物的检测结果影响不同,文中通过分析拟合得出了CF_4/SF_6、N_2/SF_6混合气体对SF_6分解产物的检测结果的影响系数,并建立了几种CF_4/SF_6、N_2/SF_6混合气体为背景气体与纯SF_6为背景气体条件下SF_6分解产物转换的数学模型。     

低温下SF_6/N_2混合气体的雷电冲击绝缘特性

SF_6/N_2混合气体作为绝缘介质在不要求灭弧性能的设备内可部分替代SF6,因此以SF_6/N_2混合气体为例,研究了低温对SF_6/N_2混合气体绝缘性能的影响,通过击穿试验得到了其在-35℃、-18℃和7℃三个温度点下的雷电冲击绝缘强度。试验采用铝质球–板和棒–板电极分别模拟稍不均匀电场和极不均匀电场,得到了SF_6/N_2与纯SF6气体击穿电压的极性效应以及电场敏感系数,结果发现:在正极性电压下,0.7 MPa含体积分数20%SF6的SF_6/N_2混合气体的电场敏感系数低于0.4 MPa纯SF6的,负极性电压下两者对不均匀电场的敏感程度相当。实际气体的温度–压力特性偏离理想气体状态方程,且温度越低偏差越大;得到了0.7 MPa含20%SF6的SF_6/N_2混合气体的压缩因子,发现当温度从0℃下降到-35℃时,压缩因子随温度降低而线性增大。     

关于SF_6混合绝缘气体几个重要问题的探讨

六氟化硫(SF_6)气体的温室效应及低温易液化的特性限制了它的应用。目前,SF_6混合绝缘气体(SF_6/N_2、SF_6/CF_4等)因其较低的液化温度及较好的电气性能,被认为是目前最具发展前景的替代介质,开始被应用于电气设备中。由于与纯SF_6气体在性质上有较大的区别,SF_6混合绝缘气体大规模推广应用之前,需要先研究解决许多关键的技术难题。文中对SF_6混合绝缘气体应用过程中混合气体水分、混合比、分层以及泄漏问题进行探讨,有助于SF_6混合绝缘气体的推广应用。     

应用SF_6与N_2混合气体的气体绝缘封闭开关壳体压力与电场强度研究

分析了在气体绝缘封闭开关中使用SF_6与N_2混合气体后,SF_6气体的含量对介电性能的影响。基于不同的SF_6与N_2混合比例,通过计算与试验研究了气体绝缘封闭开关的壳体压力与电场强度,确认在静态模块中,气体绝缘封闭开关可以采用SF_6与N_2混合气体代替原有的100%SF_6气体。     

SF_6绝缘电流互感器SF_6/N_2混合气体替代技术研究

SF_6绝缘电流互感器是广泛应用的电力设备,其气体用量巨大,是SF_6气体替代或减量应用的重要领域。为此,研究SF_6/N_2混合气体替代技术具有重要意义。文中提出了针对SF_6电流互感器进行混合气体改造的技术方案,并开展了理论分析、关键部件研制、绝缘性能试验和实际挂网运行校验,同时对该改造技术的可行性进行了探索。研究表明,两种气体混合比例(20%SF_6/80%N_2与30%SF_6/70%N_2)的电流互感器均通过了工频耐压试验和雷电冲击耐压试验,SF_6/N_2混合气体替代技术现场可行。文中研究成果对于SF_6/N_2混合气体绝缘电流互感器技术发展和推广具有重要意义。     

CF_3I/N_2混合气体中绝缘子沿面闪络特性的研究

文中以SF_6/N_2混合气体作为比较,研究了CF3I/N_2混合气体中绝缘子在工频电压和正、负极性雷电冲击电压下的沿面闪络特性。结果表明:在0.1~0.3 MPa下,CF3I/N_2混合气体中绝缘子的工频闪络电压和雷电冲击闪络电压均随气压升高而增大;在较低气压下,CF3I/N_2混合气体中绝缘子的负雷电冲击闪络电压比正极性下要低,而当气压高于某临界值时,负极性下闪络电压又会高于正极性;绝缘子在含30%CF3I气体的CF3I/N_2混合气体中的绝缘性能基本介于含20%/30%SF_6气体的SF_6/N_2混合气体中的绝缘性能之间,可以为CF3I混合气体替代SF_6混合气体应用于高压气体绝缘电气设备中提供参考。     

环保型绝缘混合气体的应用特性分析

为研究气体绝缘金属封闭输电线路采用环保气体替代SF_6的可行性,比较了c-C_4F_8/N_2、CF_3I/N_2等几种潜在SF_6替代混合气体的绝缘、理化性能和空间分布特性。结合环保气体的液化温度和绝缘强度,在优化的混合比例下得到了气体可使用的最高压力;同时,为研究混合气体的压力和比例在垂直高度上是否呈现分层分布,采用力学平衡模型计算了几种混合气体的混合比例在重力作用下的空间分布特性,得到了高度落差、摩尔质量和温度对分布特性的影响;最后,通过应用特性分析了这几种混合气体的分解产物及产生条件,比较了导热特性。研究结果表明,由于混合气体添加了大量的N_2或CO_2,导致混合气体的导热性能均不如纯SF_6,设备载流能力降低。     

N_2/SF_6混合气体的绝缘特性

为了探讨 N_2/SF_6混合气体代替纯SF_6气体作为气体绝缘输电管道绝缘介质的可行性,通过对低含量SF_6混合气体在不同混合比和压力下的工频及操作冲击耐电强度试验,分析了混合气体的绝缘特性。研究结果表明:在不改变现有输电管道结构和尺寸的情况下,可适当增加低含量SF_6混合气体的压强来保证输电管道的绝缘强度。