热态SF_6/N_2混合气体击穿特性研究

研究了热态SF_6/N_2混合气体的电击穿特性。在局部热力学和化学平衡假设下,采用质量作用定律法,计算压强0.01～2.00 MPa、温度300～4 000 K范围内的SF_6/N_2电弧等离子体各组分的摩尔分数,分析电弧熄灭过程热态SF_6/N_2电弧等离子体各粒子组分随温度和压强的变化过程。采用两项近似方法求解玻尔兹曼方程,得到了不同折合电场下热态SF_6/N_2混合气体的电子能量分布函数,分析不同碰撞过程中各微观粒子的折合电离系数和折合吸附系数,得到了热态SF_6/N_2混合气体的折合击穿场强(E/N)_(cr)。研究表明:SF_6/N_2混合气体的折合击穿场强(E/N)_(cr)随着电弧等离子体温度的降低而增大,其增大的速率主要与混合气体中SF_6的分解复合特性有关,增大气压可有效抑制SF_6在高温下的分解速度,加速电弧等离子体各粒子的复合过程,从而提高SF_6/N_2混合气体的(E/N)_(cr);40%SF_6/60%N_2和30%SF_6/70%N_2混合气体在2 000～3 500 K高温范围内的(E/N)_(cr)分别至少高出相同条件下纯SF_63 Td和6 Td;2 000 K温度以下,随着SF_6的大量复合,混合气体折合击穿场强(E/N)_(cr)快速增强,SF_6含量越多增强速率越大,但仍低于相同条件下纯SF_6的(E/N)_(cr)。研究结果可为解决高压SF_6/N_2混合气体断路器弧后重击穿导致开断失败等问题奠定理论基础。     

SF_6混合气体灭弧介质的选择

首先考察了16种常用气体构成的SF_6混合气体。通过分析其液化温度、介电强度、电弧产物的毒性及腐蚀性、热物理性质和传输特性以及价格成本,认为SF_6/N_2混合气体可以代替纯SF_6做为GCB(气体断路器)在低温环境下的灭弧介质。之后,研究了SF_6/N_2的开断特性。研究结果证明,SF_6/N_2混合气体具有较好的开断特性。     

SF_6/N_2混合气体电击穿特性仿真及实验

通过求解两项近似Boltzmann方程,得到SF_6/N_2的放电参数,并将该参数引入流体模型。结合有限元法和通量校正传输法对SF_6/N_2的流注放电过程进行循环迭代求解,计算其击穿电压。以均匀电场中压强0.1~0.6MPa、间隙5mm为例进行数值模拟,通过气体放电实验对计算结果进行验证。根据计算及实验结果得到不同混合比、压强下SF_6/N_2的协同效应系数,分析采用上述计算方法研究混合气体协同效应的准确性。为更全面地反映混合气体应用条件,进一步开展压强低于0.1MPa的SF_6/N_2击穿特性实验研究。研究表明:随着电子崩不断向前发展,放电间隙的空间电子数密度快速增长,SF_6放电过程中的空间电子数密度增长速度低于SF_6/N_2。0.1MPa下20%SF_6/80%N_2放电5ns时的电子数密度峰值达到4.6×1014m~(-3),而SF_6中该值仅为3.7×1012m~(-3)。当气压为0.1~0.6MPa时,SF_6/N_2击穿电压计算值与实测值的最大误差为9.23%,协同效应系数计算值随压强、混合比的变化趋势与实验结果相符,误差均值为5%。0.02~0.08MPa下SF_6/N2击穿电压、协同效应系数随压强、混合比的变化趋势与0.1~0.6MPa下的基本相同。     

高压SF_6断路器冷态介质恢复特性试验研究

研究了SF_6断路器操作过程冷态介质恢复特性,搭建126 k V SF_6断路器介质恢复特性试验回路,测量断路器不同开距下的击穿电压值。分析灭弧室充气压力、合闸速度、触头间电压极性对介质恢复特性和预击穿特性的影响,给出不同试验条件下的分闸介质强度恢复速度和预击穿时间。结果表明:断路器操作过程中相同开距下,合闸击穿电压值要大于分闸过程,断路器灭弧室结构下7mm开距内正、负极性下击穿电压值相差不大,极性效应不明显;开距大于7 mm,正极性击穿电压值大于负极性;合闸速度对合闸预击穿特性影响明显,合闸速度6.6 m/s的最大预击穿时间为1.18 ms,合闸速度4.7m/s的最大预击穿时间为2.21 ms,由此可知,提高合闸速度是控制预击穿时间的有效方法;针对126k V SF_6断路器冷态开断过程,充气压力为0.7和0.5 MPa时,分别在刚分时刻后0.5和1 ms内存在重击穿的可能,因此,针对容性小电流开断过程,应避免在此时间范围内熄弧。     

CO_2气体断路器弧后击穿特性计算分析

六氟化硫(SF_6)具有优良的绝缘与灭弧性能,广泛应用于电力设备中,但该气体是一种强温室气体,已被要求限制甚至停止使用。二氧化碳(CO_2)灭弧性能优良,作为一种潜在的灭弧介质替代SF_6气体具有较大应用前景。针对CO_2气体在高压气体断路器中的应用,围绕弧后击穿特性这一核心问题,通过磁流体动力学电弧仿真和弧后热击穿与电击穿特性评估,分析了CO_2气体电弧的弧后介质恢复特性,及其与SF_6气体的差距,进而探讨了采用CO_2气体作为高压气体断路器灭弧介质的可行性与关键问题。结果表明:文中断路器结构下CO_2电弧热开断能力约为SF_6气体的28.7%;弧后CO_2气体介质恢复速度较SF_6气体慢,动触头前端的区域电击穿发生概率较高;提高CO_2气体充气压力可有效提高电弧热开断能力和弧后介质恢复强度;该研究可为环保型高压气体断路器的研制与优化提供参考。     

压气式SF_6断路器无载开断过程中触头堵塞现象的研究

利用数值分析,研究了SF_6断路器在无载开断条件下触头堵塞对灭弧室内气流场的影响,讨论了触头堵塞效应与介质强度恢复的关系。     

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。     

SF_6—CO_2混合气体的绝缘强度

研究表明,虽然SF_6—CO_2混合气体在均匀电场中的击穿强度稍逊于同样混合比的SF_6—N_2混合气体,但在不均匀电场中的击穿强度、特别是在雷电冲击电压下的击穿强度,却优于SF_6—N_2.此外,SF_6—CO_2在气膜复合绝缘中的局部放电特性也优于SF_6—N_2混合气体.     

基于SF_6替代气体的高压混合断路器开断特性

为研究基于SF_6替代气体的高压混合断路器的开断特性,搭建了气体间隙与真空间隙串联的混合断路器实验样机,向气体间隙分别充入SF_6气体与CO_2气体。基于合成回路,实验对比两种混合断路器的开断性能差异,分析气体灭弧介质对混合断路器开断性能的影响,讨论影响CO_2气体间隙开断能力的主要因素。实验结果表明:合理的开断控制策略下,真空间隙可为气体间隙提供约100μs的介质强度恢复时间,但受限于旋弧灭弧室中CO_2气体较慢的介质强度恢复速度,相较于SF_6气体间隙,CO_2气体间隙难以配合真空间隙获得理想的开断效果;CO_2气体间隙充气压力自0.6 MPa增大至0.8 MPa对其开断能力提升有限;电流过零后500μs,0.8 MPa的CO_2气体间隙耐压水平仅为8 k V。建议结合CO_2气体自身特性优化气体灭弧室结构,提升其开断能力,为发展基于CO_2气体的大容量混合断路器奠定基础。     

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。     

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。     

不均匀电场SF_6/N_2混合气体击穿特性的实验研究

文中对SF_6/N_2混合气体在不均匀场下的击穿特性展开研究,通过测量棒—板电极在不同电极间距、混合比、压强下的正、负极性击穿电压值,分析电场不均匀度及气体压强对SF_6/N_2混合气体极性效应的影响。研究结果表明:在0.1 MPa时,击穿电压随着电极间距的增大而增大,N_2负极性的击穿电压高于正极性的击穿电压,在电极间距为12 mm时,负极性击穿电压是正极性击穿电压的1.71倍,而SF_6气体与N_2极性效应相反,表现为正极性的击穿电压略高于负极性的击穿电压;电极间距为4 mm时,随气体压强的升高负极性击穿电压增大,正极性的击穿电压出现饱和效应甚至出现击穿电压跌落现象,SF_6气体体积分数为20%时,0.4 MPa下的正极性击穿电压是0.35 MPa的91.3%。SF_6/N_2混合气体的极性效应随着混合气体中SF_6气体所占比例的下降发生极性反转现象。     

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。     

高压六氟化硫断路器触头间动态击穿特性试验研究

针对六氟化硫(SF_6)气体在高压电器设备实际形状电极间的击穿特性,搭建126 kV SF_6断路器触头间动态击穿特性试验回路,分别测量断路器在不同电压极性和灭弧室充气压强下分、合闸过程中触头间击穿电压,统计试验击穿点电压值和对应的开距,分别采用幂函数、四次多项式对分、合闸过程触头间击穿点电压值进行拟合,得到不同开距下击穿电压拟合曲线,并给出触头间击穿电压与开距之间的数学表达式。试验结果表明:SF_6断路器分、合闸过程中,当触头间开距达到一定值后,SF-_6气体表现出"反极性"效应;同一开距下,分闸过程(平均速度9.6 m/s)击穿电压小于合闸过程(平均速度4.7 m/s)。     

CF_3I/N_2混合气体在不同电场下的工频击穿特性试验研究

CF_3I及其混合气体作为SF_6应用于电气设备的潜在替代物被广泛关注,该文从不同电场下工频击穿性能的角度探讨CF_3I/N_2替代SF_6气体的可行性。通过工频击穿试验探究气压、混合比、电场利用系数3种因素对CF_3I/N_2工频击穿电压的影响,并与相同条件下的SF_6及SF_6/N_2进行对比分析,使用协同效应指数C值判定混合气体协同效应类型并定量分析协同效应强弱。结果表明,CF_3I/N_2在不同电场、不同混合比下的工频击穿电压随气压均呈线性增长,随着电场利用系数的增加,其工频击穿电压随气压增长的线性增长率逐渐提高;纯CF_3I对电场的敏感度尤其高。N_2的加入,改善了CF_3I对电场的敏感度;极不均匀电场下,CF_3I/N_2混合气体在0.15MPa及以上气压呈正协同效应,协同效应明显程度整体优于SF_6/N_2混合气体。稍不均匀电场和准均匀电场下,CF_3I/N_2呈现协同效应,气压越高,协同效应越明显;混合比为30%,气压为0.3MPa的CF_3I/N_2可以替代纯SF_6应用于气体绝缘输电线路和气体绝缘开关柜等电气设备中。     

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/N_2混合气体灭弧室中气流特性的计算分析

以能量平衡方程为基础,建立了分析压气式SF_6断路器灭弧室喷口气流场的数学模型,在不同比例的SF_6/N_2混合气体条件下,对上游区(压气缸)气体压力和温度以及喷口喉道内的气流量进行了数值计算,通过改变混合比、基压、喷口直径和下游扩张角等参数进行大量计算,最终达到了混合气体条件下产生及维持与纯SF_6气体接近或相同的SF_6质量流量的目的,以确保所需的灭弧能力,     

SF_(6)/N_(2)混合气体GIS隔离开关小容量母线转换电流开断试验回路研制及试验北大核心CSCD

SF_(6)气体因其温室效应受到众多限制,使用SF_(6)与N_(2)混合气体是实现GIS环保化的简便有效措施,已逐步应用于GIS等气体绝缘电力设备中。SF_(6)/N_(2)混合气体GIS隔离开关研制时,由于混合气体开断能力下降,母线转换电流开断能力成为限制条件,需要进行充分试验验证。大型试验站试验费用高、周期长,有必要搭建厂内小容量试验回路。文中开展SF_(6)/N_(2)混合气体GIS隔离开关小容量母线转换电流开断试验回路研制及试验。为便于在运设备改造,直接气体置换设计126 kV SF_(6)/N_(2)混合气体GIS隔离开关样机。参照GB/T1985—2014,基于一台温升变压器研制了厂内小容量GIS隔离开关母线转换电流开合试验回路,可开展转换电压30 V和100 V、转换电流1 600 A的母线转换电流开断试验,研究了混合比、气压、分闸速度对开断性能的影响,发现混合气体开断性能明显低于SF_(6),会造成燃弧时间增加,触头烧蚀加重,甚至开断失败;气压降低后燃弧时间会增加;分闸速度对开断影响较小。结合母线转换电流开断摸底试验结果,对混合气体GIS隔离开关触头结构改进,增加铜钨引弧触头,顺利通过了母线转换电流开合型式试验。     

气流流路对高压SF_6断路器介质强度混沌影响

高压SF6断路器的开断性能主要取决于灭弧室内的介质恢复能力。开断过程中,气流在可变流路中呈跨音速流动,将不可避免地产生湍流与激波,气流参数变化存在混沌特征,且灭弧室内部各气流参数在毫秒级时间与毫米级空间内气流运动行为复杂多变。采用有限体积法对550k V单断口高压SF6断路器开断容性小电流情况下的气流场进行数值求解,通过改变喷口长度及型面可调控气流流路,改变气流参数时空行为;采用有限元法得到灭弧室内电场分析;基于流注理论得到不同喷口结构下灭弧室内的介质恢复特性。由于断路器开断过程中介质强度恢复存在混沌,影响断路器的开断性能,通过改变喷口气流流路可以有效调控断路器内气流参数的混沌特性,以增强介质恢复能力,提高开断性能。     

SF_6—N_2混合气体击穿电压的研究(摘要)

本文通过实验研究了SF_6、N_2及SF_6—N_2混合气体在1.2～3kg/cm~2范围内击穿电压与压强的关系;实验结果与文献提出的计算公式计算结果进行了比较,对SF_6—N_2二元混合气体的击穿电压计算公式以及混合比的范围提出了建议。