环境友好型HFO-1336mzz(E)混合气体在负荷开关中的灭弧性能仿真研究

为了减少SF₆在电力设备中使用量，研究了环境友好型SF₆替代气体HFO-1336mzz(E)气体作为灭弧介质在12 kV负荷开关中的应用可行性，建立了2维磁流体动力学仿真模型，在压气式负荷开关结构下进行负荷电流开断过程仿真，对比了0.12 MPa下30%HFO-1336mzz(E)/CO₂、30%HFO-1336mzz(E)/干燥空气混合气体与0.1 MPa下SF₆气体燃弧过程中的电弧电压、灭弧室内温度场、气流场分布以及弧后热击穿特性。研究表明，HFO-1336mzz(E)混合气体熄弧尖峰略大于SF₆，且电弧在轴向上扩散速率大于SF₆。电流快过零时，混合气体的电弧温度比SF₆低1400 K。通过弧后热击穿评估，30%HFO-1336mzz(E)/CO₂、30%HFO-1336mzz(E)/干燥空气混合气体的热开断能力分别可以达到SF₆的95%和96%。研究结果可为HFO-1336mzz(E)...     

电弧仿真的高压自能SF6断路器灭弧室优化设计

随着高压自能SF₆断路器额定电压和电流的增加，其分断性能的需求也随之提高。高压断路器的分断性能与放电过程中高温气流的产生、发展和消散有关。气流造成灭弧室的温度普遍过高，导致电弧冷却环境在当前零点时的温度过高，在某些情况下，会导致短路电流断路发生故障。对于高压自能SF₆断路器，通过模拟整个断弧过程，得到了高电流阶段的膨胀室气体压力和温度，同时也可以得到电流零级阶段的电弧形状和灭弧环境参数。根据电弧模拟的结果，对膨胀室的结构设计进行了优化，并再次进行了模拟验证。仿真结果表明，膨胀室的结构优化设计后，当前零时的灭弧环境整体温度有所下降。根据电弧模拟结果对膨胀室结构进行优化设计，可以快速准确地确定灭弧室的形状和尺寸，显著提高断路器的分断性能。     

SF6/N2混合气体在126kV气体绝缘金属封闭开关设备中的应用

在役的大部分气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)使用绝缘性能较好的SF₆气体作为绝缘介质。为实现“双碳”目标,开展绝缘气体的替代研究以控制SF₆气体的使用与排放有助于提升电力设备的环境友好性。为实现SF₆/N₂混合气体在126kV GIS中的应用,首先确定126kV SF₆/N₂混合气体型GIS的基本参数,并通过建立各单元的有限元模型进行仿真计算,验证了设计的可行性。型式试验的顺利通过表明,在维持现有GIS结构的前提下,适当混合比及充气压力的SF₆/N₂混合气体能保证GIS的正常运行。     

SF6断路器灭弧室内短路电流开断过程仿真研究

SF₆断路器灭弧室为封闭式结构,难以直接观测到开断过程灭弧室内各物理场的变化情况,为此建立灭弧室内开断过程的电-热-流体多物理场耦合仿真模型,研究开断过程中各物理场的变化规律。研究发现：当电流在开距较小时过零易导致电弧重燃,电弧的熄灭必须具备足够的吹弧气流速度与介质恢复强度;在开断30 kA短路电流时,电弧最高温度约18 000 K,熄弧后弧隙温度迅速降低到3 000 K以下;压气缸内气体压力随触头运动逐渐增大,最大可达1.0 MPa;吹弧气体速度随喷口的打开逐渐增大,最大速度为253 m/s,冷态气体会带走大量电弧能量并不断压缩电弧半径,为电流过零创造有利的熄弧条件;弧隙最大电场强度随间隙距离与电压变化,一般出现在静弧触头端部与动弧触头弧角处。研究结果可为SF₆断路器短路开断过程与机理分析提供理论支撑。     

基于混合气体热特性的GIL氮气使用配比研究

SF₆/N₂混合气体具有绝缘性能良好、环境效益好等优点,被认为是能替代SF₆的最具发展前景的气体之一,但SF₆/N₂混合气体在不同场景下的混合比问题尚缺乏研究。文中在保证气体绝缘输电线路(GIL)绝缘水平的前提下,建立多物理场耦合计算模型,从混合气体热特性的角度出发,分析不同绝缘气体压强、负载电流和环境温度下SF₆/N₂混合比与GIL温升之间的关系,为GIL在不同场景下选择合适的SF₆/N₂混合比提供依据。结果表明：绝缘气体压强和相同压强下SF₆含量均与GIL温升呈负相关关系;设备的负载电流长期超过3 kA时,建议SF₆含量为40%～60%;设备运行在中低纬度地区时,建议SF₆含量为40%～70%,运行在高纬度地区时,建议SF₆含量为30%～40%。此外,由于设计GIL设备时考虑了安全裕度,因此通常SF<...     

高压断路器中C4F7N/CO2混合气体的开断性能

C₄F₇N/CO₂混合气体是一种潜在的SF₆替代气体，开展其在高压断路器中开断性能的研究，对推动环保输电方式发展、支撑双碳目标实现具有重要的工程意义。基于磁流体动力学(magnetohydrodynamics,MHD)理论，仿真计算了充有0.6 MPa 5%C₄F₇N/CO₂、10%C₄F₇N/CO₂、15%C₄F₇N/CO₂混合气体和纯SF₆的40.5 kV断路器20 kA短路电流开断过程，分析C₄F₇N混合比例对电弧温度特性、灭弧室气压与喷口气流特性的影响规律，并与纯SF₆进行比较。研究结果表明：与混合气体相比，SF₆气体电弧具有更高的弧芯温度和更小的电弧半径，随着C₄F...     

SF6/N2混合气体绝缘特性的实验研究

目前绝大多数气体绝缘开关设备采用SF₆气体绝缘,SF₆泄漏导致严重的环保问题,人们迫切希望少采用或不采用SF₆气体,以降低对环境的污染。为此,试验研究SF₆和SF₆/N₂混合气体在不同混合比、不同压力以及在不同电场结构下的击穿特性,并与SF₆气体的绝缘性能进行比较,试验结果表明：在N₂中注入20%~30%的SF₆气体后,SF₆/N₂混合气体绝缘性能指标可以达到纯SF₆气体的80%左右,但若继续增加SF₆气体的配比,则其耐电强度上升的幅度明显变慢;此外,试验研究还发现,极不均匀电场会大大降低气体的耐击穿电压强度。试验研究证明了采用SF₆/N₂混合气体代替纯SF₆气体的技术方案的可行性。     

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。     

环保型绝缘气体技术经济性能综合评估研究

SF₆是一种强温室气体，排入环境危害巨大，研究能替代SF₆的环保型绝缘气体是绿色发展的必然。文中首先简略介绍了针对SF₆替代气体的研究情况，重点结合工程实际应用需求，提出了环保型气体多维度评价体系，并依据提出的评价标准对多种潜在的SF₆替代气体进行了综合分析。综合理化性能、安全性能和绝缘性能多个维度评估，结果表明，C₅F₁₀O、C₆F₁₂O、C₃F₇CN综合性能优异，其中C₅F₁₀O、C₆F₁₂O混合气体具备应用于中低压设备，C₃F₇CN混合气体具备应用于中高压气体绝缘设备的潜力，该评估与目前的环保型绝缘气体设备的发展趋势相符，具有很好的参考性。     

气体电弧在不同气体介质中电子数密度的汤逊散射诊断研究

随着“双碳”政策的提出,对于环保型SF₆替代气体的探索受到了越来越广泛的关注,各类气体的绝缘特性是我们关注的一个重要参数。但是由于电弧的不稳定性,断路器中电弧放电的电子数密度很难被测量,且电弧电子数密度又是确定断路器开断成功与否的重要参数。汤逊散射作为一种等离子体的光学诊断方法,具有无需基于平衡态假设且精度较高的优点。文中利用汤逊散射的方法成功测量了,在250 A、200 V的条件下通过拉弧形成的电弧,在空气、N₂、CO₂、SF₆四种不同气体中的径向电子数密度的分布。发现在燃弧阶段,4种气体介质中电弧的径向电子数密度分布差别不大,电弧中心的电子数密度在1×10²³m^-3左右,电弧边界的电子数密度约为6.0×10²²m^-3;整体而言,SF₆的径向电子数密度要小于空气的,这与SF₆的强电负性有关。     

基于SF6混合气体绝缘性能的设备补气策略研究

随着电力需求的增长和环境保护要求的提高,SF₆气体的使用逐渐受到限制。SF₆混合气体在一定程度上减少了SF₆气体用量,目前已经在电气设备中应用。文中针对SF₆混合气体在220 kV气体绝缘组合电器（GIS）中发生泄漏引起的绝缘变化展开研究,通过改变微量的气压值和混合比,探究混合气体的绝缘性能变化,分析气压、混合比因素对工频击穿电压的影响规律,获取各气压下各比例混合气体的绝缘强度曲线图,从而得到保证设备安全稳定运行的补气策略。研究发现,混合气体击穿电压的变化规律呈现出随着压强和混合比的提高,非线性程度增大的特点,并且得到了设备安全运行的混合比和气压的边界值。文中的研究可以为SF₆/N₂混合气体绝缘设备提供运维规程和技术标准,同时为制定混合气体的检测技术标准奠定基础。     

Arc erosion characteristics of Cu-W contact at load current range in SF6 gas

Development of SF₆ gas-insulated switches that have a long service life and are highly reliable at medium voltage ratings require arc erosion of contacts in SF₆ gas to be decreased. The effects of SF₆ gas pressure and magnetic field for arc blow-out on erosion were studied experimentally in detail using sintered Cu-W contacts. The test current, SF₆ pressure and magnetic field were 100 to 400 A, 0.1 to 0.6 MPa and 0 to 50 mT, respectively. The results show that the arc erosion rate increased linearly with the SF₆ pressure. The magnetic field effectively reduced anode erosion (i.e., the application of a mere 50 mT lowered the erosion rate to 1/3 to 1/4). These phenomena may be attributed, respectively, to the increase in evaporation rate according to the shrinkage of arcing spot areas caused SF₆ pressure and a decrease of the evaporation rate correlating to high-speed movement of the arcing spot on the anode by the magnetic field. However, the cathode erosion was insensitive to the magnetic field. The influence of both W grain size and composition ratio, Cu:W, on the erosion rate was also studied. The smaller W grain at Cu content of 50 to 70 wt.% was found to be best for suppression of erosion under the present conditions. Further, the increase of N₂ mixture ratio to SF₆ under constant total gas pressure greatly decreased contact erosion. © 1997 Scripta Technica, Inc. Electr Eng Jpn, 118 (1): 41–51, 1997     

SF6压力对GIS典型缺陷局部放电检测灵敏度的影响

气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)内部气压是影响局部放电检测灵敏度的重要因素。在局部放电实验平台中构建尖端、悬浮、气隙与沿面缺陷模型,基于特高频法、高频电流法与超声法开展气压0.2~0.5 MPa下局部放电信号特征的检测实验,并对比了高频电流法和超声法局部放电检测的灵敏度。实验结果表明：气压是影响尖端、悬浮与沿面缺陷放电的关键参数,3种缺陷放电起始电压与气压成正比,同一电压下的放电幅值和脉冲次数与气压成反比;气隙缺陷放电源于绝缘层内部气泡,因此设备气压对气隙缺陷放电影响不大。高频电流法可实现不同气压下的悬浮缺陷有效检测,但未测得气隙和尖端缺陷局部放电信号;SF₆压力降低,高频电流对沿面缺陷的检测灵敏度有所提升,但仍低于特高频法。超声法可实现不同气压下的悬浮和尖端缺陷有效检测,但未测得气隙和沿面缺陷局部放电信号;SF₆压力降低,超声法对尖端缺陷的检测灵敏度提高(当气压为0.2 MPa时,超声法对尖端缺陷的检测灵敏度与特高频法相当)。     

SF_6混合气体在开关设备中的应用

介绍了SF6气体具有优良的灭弧和绝缘性能,但SF6气体是一种公认的温室气体,在全球减排温室气体的前提下,为减少SF6气体的使用,开关设备行业开始采用SF6混合气体做为设备的绝缘和灭弧介质。本文同时介绍了SF6混合气体的比例选择、绝缘性能、灭弧机理、气体回收方法等。     

基于红外的GIS内部导体温度检测技术研究

为预防气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)触头过热缺陷,解决传统测温技术无法实现GIS设备内部触头温度准确检测的难题,提高GIS设备内部触头温度的测量精度,提出一种基于红外热成像GIS内部导体温度检测技术。通过不同光程和气压条件下SF_6吸收率试验,对影响红外测温精度的光程和SF_6气体压力进行分析,得到光程、气体压力与温度修正值的关系,并计算得到温度补偿算法;将该温度补偿算法应用在红外测温装置中,能够根据被测物的光程和SF_6气体压力准确测得GIS内部导体实际温度。最终的试验结果显示,该红外测温仪在加入补偿算法后能够较准确地测量出GIS设备气室内触头的实际温度。     

Problems of the application of N2/SF6 mixtures to gas‐insulated bus

In designing a gas‐insulated bus (GIB) using N₂/SF₆ mixtures, there are many application problems, such as the mixture pressure needed in order to maintain the required dielectric and heat transfer performance. Problems of recycling SF₆ are also essential in applying N₂/SF₆ mixtures. This paper presents the minimum breakdown field strength at lightning impulse and the temperature rise of the conductor and enclosure as measured for N₂/SF₆ mixtures. Considering the dielectric and heat transfer properties, we clarify the problems of application of mixtures to a GIB and discuss the appropriate mixture ratio of SF₆ in designing a GIB comparable to the present dimensions. In addition, the lowest limit of SF₆ content in a liquefied recovering method is theoretically estimated for reference in practical SF₆ recovery from mixtures. It is important for design to consider both breakdown phenomena, including the area effect of electrode, and the heat transfer properties of mixtures. © 2001 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 137(4): 25–31, 2001     

Effects of a barrier on creeping discharge characteristics in SF6 and N2 gases under pulse voltages

This paper describes the effect of a barrier on creeping discharge characteristics in SF₆, N₂, and their mixtures. The barrier height effect on the discharge voltage was investigated under a positive pulse voltage. The discharge voltage increased with increasing barrier height in SF₆ gas. On the other hand, the discharge voltage hardly changed with the barrier height in N₂ gas. In order to clarify the mechanism of the initial creeping corona, it was observed by optical techniques, including an ultra-high-speed electronic imaging system (IMACON 468). The creeping corona path revealed differences in images at various barrier heights. The accumulated charge induced on the barrier by the initial corona in SF₆ gas was able to suppress the development of the later creeping corona, in contrast with N₂ gas. © 1998 Scripta Technica, Electr Eng Jpn, 125(4): 1–8, 1998     

Numerical simulation of arc extinction processes in a high-voltage current breaker

A new technique for calculating processes in the arc extinguishing device of an SF₆ gas high-voltage circuit breaker is presented. Results of calculations and experiments are compared.     

PD time‐sequential properties of SF6 and SF6 gas mixture including CO2

This paper deals with partial discharge (PD) time‐sequential properties of SF₆/N₂/CO₂ ternary gas mixture as well as SF₆ and SF₆/N₂ gas mixture under AC and positive DC voltage applications. The measurements were carried out by changing the gas pressure up to 0.6 MPa and applied voltage with the N‐shape characteristics of breakdown voltage versus gas pressure for each tested gas considered. We obtained experimental results of the gas pressure dependence of maximum peak value of PD current pulse as well as the relationship between the time interval of PD pulses and the peak value of PD pulse. We discuss the mechanism of increase in breakdown voltage by adding CO₂ into SF₆/N₂ gas mixtures in terms of change of PD type from streamer to leader discharge. © 2005 Wiley Periodicals, Inc. Electr Eng Jpn, 151(3): 32–40, 2005; Published online in Wiley InterScience ( www.interscience.wiley.com ). DOI 10.1002/eej.20073