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。     

N2环境下绝缘子闪络特性的试验研究

目前广泛应用于气体绝缘领域的SF_6是一种强温室气体,N_2以其取材方便、价格便宜、环境友好、低电压等级下的优良绝缘性能等优点成为新型环保替代气体。文中对N_2环境下的绝缘子闪络特性进行了试验研究,测量了不同条件下的雷电冲击50%闪络电压,结果显示:随着气压的增加,绝缘子闪络电压近似线性增加;随着绝缘子表面粗糙度的上升,闪络电压先下降后上升;随着伞裙数目的增加,绝缘子正极性闪络电压变化不明显,负极性则先下降后上升。文中的实验数据和结论为N_2在气体绝缘中的应用提供了参考。     

SF_6/CF_4混合气体中聚四氟乙烯绝缘表面直流闪络特性

文中对电极间距为5 mm的指形电极下SF_6/CF_4混合气体中聚四氟乙烯绝缘表面直流闪络特性展开研究,分别测量了当SF_6/CF_4混合气体中SF_6混合比为0%~100%、压强为0.1~0.4 MPa时绝缘试样的直流沿面闪络电压,研究压强、混合比、电压极性等因素对绝缘试样直流沿面闪络特性的影响。实验结果表明:混合气体中SF_6混合比一定时,在0.1~0.4 MPa气压范围内,绝缘试样的直流闪络电压随气压升高而呈线性增加;0.3 MPa的20%SF_6/80%CF_4气体中绝缘试样的负极性直流闪络电压为52.34 kV,是相同气压下纯SF_6气体中的61.4%;在较低气压下SF_6/CF_4混合气体中绝缘试样的负极性直流闪络电压比正极性低,而当气压高于某临界值时,负极性直流闪络电压比正极性高,沿面闪络电压出现极性效应反转现象;40%SF_6/60%CF_4中负极性闪络电压达到纯SF_6中的65%,该研究可以为SF_6/CF_4混合气体替代SF_6应用于高压直流气体绝缘电气设备中提供参考。     

温度变化对SF_6/N_2混合气体放电特性的影响

不同温度下SF_6/N_2混合气体的周围离子平均自由行程和热运动速度不同,使SF_6/N_2混合气体放电过程呈现不同特性。为此,在极不均匀电场、雷电冲击电压下研究了温度对SF_6/N_2混合气体放电特性的影响。在正负极性的雷电冲击电压下分别测量冲击击穿电压和预放电电流波形,并分析了不同温度下SF_6/N_2混合气体的预放电现象、步长时间、电晕起始场强及击穿场强。此时试验温度范围设为-20~20℃。结果表明:步长时间、电晕起始场强、击穿场强呈现较大的随机性。负极性雷电冲击电压下步长时间均长于正极性雷电冲击电压下步长时间。负极性冲击电压下10%SF_6-90%N_2混合气体的电晕起始场强和击穿场强随着温度升高而增高。本研究结果对柜式气体绝缘开关设备和气体绝缘金属封闭输电线路设计具有一定的研究意义。     

冲击电压下CF_3I/N_2混合气体放电极性效应研究

SF_6气体具有极强的温室效应,寻找新型SF_6替代气体成为国内外学者需要解决的迫切问题。该文研究了CF_3I/N_2混合气体针–板间隙和球–板间隙在正负雷电冲击电压作用下的绝缘特性,对CF_3I及其混合气体在电力设备中的应用具有重要意义。实验结果表明:极不均匀电场与稍不均匀电场下,CF_3I/N_2混合气体的间隙放电均存在显著的极性效应。在电极间隙为5mm时随着气压的升高还出现了极性反转现象。针–板电极下原本较高的负极性50%击穿电压在气压较低时出现了低于正极性击穿电压的情况,球–板电极下原本较高的正极性50%击穿电压也出现了低于负极性击穿电压的情况。分析表明,CF_3I/N_2混合气体出现极性效应以及在短间隙下的极性反转是由于电极间隙间空间电荷的迁移和扩散与气压的共同作用造成的。因此,使用CF_3I/N_2混合气体作为绝缘介质的电力设备应着重考虑不同气压及均匀度下的极性效应及反转问题。     

0.1～0.25 MPa气压下SF_6、CF_3I及其二元三元混合气体的击穿特性

气体绝缘输电管道作为一种新型输电方式,具有在未来替代架空线路和电缆被用于直流配电网络的可能性,而寻找其内部气体绝缘物质SF_6的替代气体一直是国内外学者研究的热点。为此研究了0.1~0.25 MPa气压范围内,SF_6、CF3I、N_2及CO_2组成的二元、三元混合气体在负极性直流电场下的击穿特性。实验结果表明:同气压的CF3I/N_2二元混合气体的直流击穿场强低于相同比例的SF_6/N_2二元混合气体;相同气压下,SF_6/CF3I/N_2(体积比1:2:7)三元混合气体击穿场强与CF3I/N_2(体积比3:7)二元混合气体相当,略高于SF_6/CF3I/CO_2(体积比1:2:7)三元混合气体。综合气体的击穿特性、GWP和露点温度3个方面,发现2:8和3:7两种体积比例的CF3I/N_2二元混合气体可完全替代SF_6气体应用于直流配电网气体绝缘输电管道。     

极不均匀场下SF_6/CF_4混合气体中环氧树脂绝缘子沿面闪络特性研究

文中通过实验手段研究SF_6/CF_4混合气体中环氧树脂复合材料绝缘子试样的直流沿面闪络特性,实验中采用针—板电极结构模拟极不均匀电场情况,分析了气体压强、SF_6混合比以及电压极性对闪络电压的影响规律。实验中,电极间距为5 mm,实验气压为0.1~0.4 MPa。实验结果表明:当混合气体中SF_6混合比为40%时,在实验气压范围内,绝缘子闪络电压可达到相同气压SF_6中闪络电压的60%以上。针—板电极下SF_6/CF_4混合气体闪络电压的协同效应在正、负极性下区别显著,负极性下的协同效应较弱。同时,绝缘子闪络电压具有明显的极性效应,并且随着气压的升高出现了极性反转的现象,这是由于不同气压下正、负电荷对空间电场的畸变作用不同而导致的。综合环保要求和沿面闪络特性,文中研究成果为GIS设备提供了潜在的SF_6替代方案。     

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。     

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。     

不均匀电场下CF_3I/N_2混合气体工频击穿特性试验

从工频击穿性能的角度探讨CF_3I/N_2混合气体替代SF6气体用于气体绝缘设备的可能性。通过工频击穿试验探究气压、混合比和电极间距三种因素对CF_3I/N_2混合气体工频击穿电压的影响,并与相同条件下的SF6/N2混合气体进行对比分析,提出使用协同效应指数C值判定混合气体协同效应类型及协同效应强弱的定量分析方法。结果表明,随着混合比、气压的升高,CF_3I/N_2混合气体工频击穿性能逐渐接近SF6气体,较高气压下的CF_3I/N_2混合气体更具有应用潜力。CF_3I/N_2混合气体工频击穿电压呈正协同效应,而且CF3I气体具有优良的自恢复绝缘性能。综合考虑工频击穿性能、液化温度和环境影响三种因素,在特定的场合下,CF3I含量为20%~50%的CF_3I/N_2混合气体有可能替代SF6气体用于气体绝缘设备。