一种采用洁净空气绝缘和真空灭弧技术的环境友好型GIS的研究和应用

对于高压产品尤其是GIS/AIS开关,SF_6一直被作为主要的灭弧和绝缘介质广泛使用。但因为其非常高的全球变暖潜能(GWP=23 900),在过去几十年人们从没停止过对其替代气体的研究和寻找工作。近年氟化腈(如:C4-PFN即C4F7N)和氟代酮(如:C5-PFK即C5F10O)气体及其混合气体作为潜在的SF_6替代气体受到关注和初步应用;同时采用基于真空灭弧室灭弧配合洁净空气绝缘的GIS/AIS开关产品上也被开发并有了实际应用。文中简单总结了现有SF_6替代气体方案的技术现状,并重点介绍一种基于洁净空气绝缘和真空灭弧技术、不采用SF_6和任何氟类气体的GIS产品在研发过程中的一些关键技术,试验发现和最终应用情况。首先通过洁净空气在GIS中不同工况下的绝缘击穿试验和典型缺陷下的局放试验确立该新型GIS的尺寸参数标准;其次比较了GIS隔离开关和接地开关在洁净空气、C4-PFN混合气体、C5-PFK混合气体以及SF_6气体等不同工况下的小电流开合性能,并确定了洁净空气的相关开合特性和相对的优缺点;然后描述了为了满足高压断路器性能对真空灭弧室关键技术的相关改进情况;此外还从环境、安全和运维角度,对使用上述几种气体的开关进行了优劣势评估和讨论;最后结合该类新型开关设备的现场运行经验,认为基于洁净空气绝缘和真空灭弧技术的环境友好型GIS是理想的SF_6 GIS的替代产品。     

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。     

SF_6替代气体的研究进展综述

SF_6气体作为绝缘与灭弧介质广泛应用于电力设备中,但由于存在温室效应和液化温度高这两个严重的环境问题,几十年来国内外众多研究机构与学者针对该问题开展了大量的研究工作,取得了很多有价值的成果。从绝缘与灭弧等方面综述了国内外对SF_6替代气体的研究现状及进展情况,并着重介绍了目前该领域较为关注的几种气体,分别从单一常规气体、SF_6混合气体和CF_3I、c-C_4F_8、C_nF_(2n)O等环保气体3个方面展开讨论。基于目前的研究现状,分析了SF_6替代气体的研究中面临的主要问题,提出了气-固复合绝缘技术、新型环保气体分解和复合特性、散热性能、组分监测及补气策略等亟待研究的内容,旨在为我国SF_6替代气体的探索与新型环保电力设备的研究提供一定的参考与借鉴。     

无SF_6气体绝缘开关设备中干燥空气作为绝缘介质的使用

SF_6由于其优异的灭弧及绝缘性能已被广泛应用于电力开关设备中,然而因其巨大的温室效应指数正日益受到关注并基于环保的压力成为被替代的研发热点。文中介绍了无SF_6气体绝缘开关设备中干燥空气作为介质的使用及相关的问题,涉及到干燥空气的绝缘性能、干燥空气与其他绝缘介质的性能对比、干燥空气使用时对水份含量的要求,干燥空气泄漏时的检验方法以及隔离开关开断母线转移电流时所使用的原理等,以此作为无SF_6以干燥空气绝缘的开关设备的应用技术基础。     

SF_6替代气体研究现状综述

较高的温室效应使得六氟化硫(SF_6)在气体绝缘设备中的使用受到限制,国内外学者致力于寻找可以替代SF_6的环境友好型气体,并取得了相关的研究成果。常规气体、SF_6混合气体和电负性气体及其混合气体等多种气体作为绝缘或灭弧介质表现出不同的优势,同时也存在一些劣势。总结目前研究的主要替代气体及取得的进展,并从理化性质、绝缘性能、灭弧特性以及机理研究等方面进行详细的归纳总结,分析不同替代气体在工程应用上的适用范围和局限性。在现有研究的基础上分析SF_6替代气体当前的发展趋势和应用前景。     

C_5F_(10)O-CO_2和C_5F_(10)O-N_2电弧等离子体热动属性与输运参数对比分析

C_5F_(10)O及其混合气体为潜在的SF_6替代气体,研究其热动属性与输运参数特性对于进一步研究其灭弧性能和掌握气体性质具有重要意义。由于C_5F_(10)O的液化温度较高,需要添加缓冲气体,为此计算对比C_5F_(10)O分别与CO_2和N_2混合气体电弧等离子体的热动属性与输运参数。首先计算300~30 000 K温度范围内两种混合气体的平衡态化学组成;在此基础上,对比分析了两种混合气体电弧等离子体的热动属性(质量密度、比焓、比热),以及输运参数(电导率、热导率、黏性系数)的变化规律。结果表明,N_2和CO_2气体的分解温度及组成元素的差异,导致C_5F_(10)O-N_2和C_5F_(10)O-CO_2在该温度范围内的化学组成、热动属性和输运参数存在较大差异,此差异会影响气体电弧特性。此外,计算结果可为进一步研究C_5F_(10)O混合气体电弧特性及灭弧性能提供基础,同时有助于理解不同气体的灭弧性能差异及原因。     

SF_6混合气体及替代气体研究进展

SF_6气体性能优异,广泛用于电气设备中,但其温室效应严重,被列为国际上限制使用的气体之一。国内外研究人员寻求替代SF_6的环保气体,对SF_6混合气体及替代气体开展了大量研究,取得了较大的研究进展。分析了SF_6混合气体的绝缘、灭弧和理化特性及其分层分布特性,提出了混合气体检测、充气和回收等关键技术方案,表明SF_6混合气体具有推广应用价值。针对不含SF_6的替代气体,总结了CO_2、N_2和干燥空气等常规气体的特性及应用,探讨了新环保气体CF_3I、c-C_4F_8、C_5F_(10)O和C4F7N的研究现状及存在的问题,综述了新环保气体设计取得的进展,同时指出了环保绝缘气体设备面临的技术问题。最后,给出了环保气体未来的研究方向,包括推广SF_6混合气体设备,研制采用C5F_(10)O或C_4F_7N的更高电压等级电气设备,及采用理论化学计算方法设计性能优异的SF_6替代气体等,以期推动SF_6替代技术快速发展。     

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-CO_2和SF_6-CF_4混合气体断路器的喷口压力特性

CO_2和CF_4气体物理化学性能稳定,液化温度低,灭弧能力强,作为潜在的SF_6替代气体引起了广泛的关注。断路器开断故障电弧过程中的喷口压力特性对气体灭弧性能和断路器结构的优化设计等都具有重要意义。为此基于一台126 k V压气式断路器模型,通过实验研究了不同体积分数混合比例下SF_6-CO_2和SF_6-CF_4混合气体中灭弧室喷口压力的变化特性。结果表明,SF_6-CF_4混合气体的喷口监测点压力增幅Δppeak和电流零点时刻的压力增量ΔpCZ均明显高于SF_6-CO_2混合气体,气吹电弧作用更强;两种混合气体测量点处的压力增幅Δppeak均随SF_6体积分数增加而增大,SF_6-CO_2混合气体电流零点处的压力增量ΔpCZ随SF_6体积分数增加也明显增大,而SF_6-CF_4混合气体ΔpCZ的变化较小;此外,喷口压力的建立情况对断路器热开断能力有较为重要的作用。     

SF_6气体中大电流过零后弧道的介电恢复特性

本文通过实验测得了SF_6气体中自出电弧在电流过零后弧道热气体的击穿特性,同时还测量了电弧电流,电弧电压及灭弧室内气压的变化,并对结果进行了简单的分析和数学模拟。     

SF_6/N_2混合气体灭弧室中电弧阻塞效应的分析研究

分析研究了SF_6/N_2混合气体电弧阻塞现象。结果显示,相同电弧电流下,SF_6/N_2混合气体弧柱和热边界区直径分别大于SF_6气体,在电流半波中阻塞时间延长。此外,混合气体电弧能量密度高于SF_6,而弧柱焓流率则低于SF_6的相应值,因而在电流峰值附近更易造成能量在上游的聚积,使电弧对喷口的阻塞作用加强,影响灭弧与介质恢复过程。为了提高混合气体灭弧室的气吹灭弧能力,应对灭弧室结构参数和其他工作条件重新予以调整和确定。     

SF_6气体中大电流过零后弧道的介电恢复特性

本文通过实验测得了SF_6气体中自出电弧在电流过零后弧道热气体的击穿特性,同时还测量了电弧电流,电弧电压及灭弧室内气压的变化,并对结果进行了简单的分析和数学模拟。     

CO2、SF6以及C4F7N气体电弧特性的仿真对比研究

寻求可替代SF6用于高压电气设备的气体是近年来的研究热点,而C4F7N气体由于具有较好的环保性能和优良的绝缘特性而极具潜力.然而受限于实验成本等原因,现阶段对于其灭弧性能的研究相对较少.通过仿真分析气体电弧行为能够为环保型开关的设计提供重要指导.文中首先分析了C4F7N、CO2和SF63种气体电弧的物性参数及成因,基于...     

铜蒸气浓度对SF_6-Cu高温电弧物性参数的影响

开关设备(例如高压SF_6断路器)触头表面产生的铜金属蒸气会改变电弧等离子体的物理化学特性。因此在建立考虑金属烧蚀的流体仿真模型之前,需要确定含有金属蒸气的电弧等离子体的性质。文中基于吉布斯自由能最小化原理和Chapman-Enskog理论,计算了SF_6-Cu混合气体电弧在0.6 MPa压强下、温度区间为300~30 000 K时的物性参数,包括平衡态粒子组分、统计热力学参数、输运系数和混合扩散系数,着重分析了铜蒸气浓度(最大90%)对上述物性参数的影响。结果表明少量的铜对物性参数无明显影响,但当铜蒸气浓度达到30%时则会显著改变上述参数。     

新型环保绝缘气体的研究进展

随着全球能源互联网的不断发展,对于电力设备的小型化、智能化、环保清洁化要求越来越高。SF_6气体由于其具有良好的绝缘性能和灭弧性能被广泛地应用到气体绝缘全封闭组合电器(gas-insulated switchgear,GIS)和气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated transmission lines,GIL)中,对于提高输电容量及电力设备的小型化、智能化具有重要作用,但是SF_6气体的排放会加剧全球温室效应。因此,研究能够有效替代SF_6的新型环保绝缘气体得到越来越多的关注。从绝缘性能和灭弧性能两方面介绍国内外对SF_6替代气体的研究现状及最新研究成果,旨在为我国在SF_6替代气体的研究方面提供一定的参考。     

SF_6自能灭弧室内气体温度测量方法

提出选用热电偶测量SF_6自能灭弧室内气体温度的方法及其适用的准则。对于直接测量灭弧室内气体温度并由此研究电弧能量转换及灭弧机理有实用价值。     

SF_6替代气体热开断能力与物性参数关系研究

文中讨论了在探索选择六氟化硫(SF_6)替代气体的过程中关于气体开断能力研究的重要性,并对气体开断能力的评估进行了阐述。简要总结了目前工业界对SF_6替代气体开断试验的结果。以N_2和CO_2为例,从理论上分析了其开断性能劣于SF_6的原因,初步建立了喷口电弧中气体开断能力与物性参数间的关系,为理解SF_6替代气体开断机理及选择判据的建立提供理论依据。     

C4F7O-CO2混合气体自由燃弧电弧特性实验研究

C_4F_7N-CO_2混合气体有可能替代SF_6作为绝缘和灭弧介质,研究其燃弧特性具有重要意义。文中通过棒-棒电极下的自由燃弧实验,研究了CO_2、体积分数40%C_4F_7N-60%CO_2以及SF_6几种气体的电弧特性。实验中测量了电弧电压、电流、零区特性以及光谱分布等众多参量,基于Mayr电弧模型分析了电弧能量累积和耗散过程,结合Abel逆变换和玻耳兹曼斜率法得到电弧径向温度分布。实验发现:CO_2气体电弧稳定性极差,燃弧期间电弧电压高于SF_6电弧且多次剧烈波动,加入C_4F_7N后,电弧稳定性得到改善,电弧电压降低;加入C_4F_7N后,自由燃弧期间其电弧能量累积量减小,电流过零前的能量耗散系数降低;电流峰值时刻CO_2、40%C_4F_7N-60%CO_2以及SF_6几种气体电弧弧芯温度分别为20 000、18 900、14 900 K,电弧直径分别为13、17、23 mm,C_4F_7N对降低CO_2电弧弧芯温度有明显作用。     

非充SF6气体充气柜(C-GIS)

SF_6气体一直用作高压开关的灭弧和绝缘。但由于SF_6气体被定为受限制的温室气体,因而在高压开关行业,或尽量减少SF_6气体的用量和排放量,或采用其他介质取代SF_6气体。在C-GIS中虽多数仍使用具有优异灭弧和绝缘的SF_6气体,但也出现了非SF_6气体充气柜,如用氮气或加压干燥空气取代SF_6气体。本文介绍了非充SF_6气体充气柜的新产品、新结构。     

中压环保型气体绝缘开关设备的设计

SF_6是一种优良的绝缘以及灭弧介质,广泛被应用在柜式气体绝缘金属封闭开关设备中。但其是温室效应气体,而且在灭弧时会产生有毒气体,因此需要开发和使用环保型气体作为SF_6的替代气体。在中压开关柜领域,采用真空开断技术和使用环保型气体绝缘的技术日趋成熟。本文分别对N_2、CO_2、干燥空气等替代气体进行对比分析,结果表明N_2和干燥空气可以作为绝缘介质应用在12kV中压领域的环保型充气柜中。同时,本文还对环保型充气柜的隔离断口距离和对地距离的进行设计确定,并确定如何提高气隙中的击穿电压。