安德寶 李濤 馮加坤

摘 要：在我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展的新時(shí)期，科學(xué)技術(shù)發(fā)展十分迅速，文中討論了在探索選擇六氟化硫（SF6）替代氣體的過程中關(guān)于氣體開斷能力研究的重要性，并對(duì)氣體開斷能力的評(píng)估進(jìn)行了闡述。簡(jiǎn)要總結(jié)了目前工業(yè)界對(duì)SF6替代氣體開斷試驗(yàn)的結(jié)果。以N2和CO2為例，從理論上分析了其開斷性能劣于SF6的原因，初步建立了噴口電弧中氣體開斷能力與物性參數(shù)間的關(guān)系，為理解SF6替代氣體開斷機(jī)理及選擇判據(jù)的建立提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：SF6替代氣體;噴口電弧;N2;CO2;湍流模型;開斷能力

引 言

SF6氣體具有極好絕緣性能和滅弧性能，SF6電氣設(shè)備是利用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)的。SF6電氣設(shè)備目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高壓和超高壓領(lǐng)域，它有體積小﹑重量輕﹑容量大﹑成套速裝﹑維修量少等優(yōu)點(diǎn)。某些正在運(yùn)行的SF6電氣設(shè)備存在缺陷或故障，影響了設(shè)備的正常運(yùn)行，甚至釀成事故，因此及時(shí)發(fā)現(xiàn)SF6電氣設(shè)備內(nèi)部缺陷或故障，對(duì)保證設(shè)備和電網(wǎng)的安全運(yùn)行具有重要意義。SF6氣體在電弧、放電和過熱作用下存在分解現(xiàn)象，通過檢測(cè)SF6分解產(chǎn)物的含量診斷設(shè)備內(nèi)部是否存在故障，將成為SF6電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)和故障診斷的一種有效方法。開斷電弧作用下SF6氣體分解物的情況在試驗(yàn)和理論已經(jīng)有了很多研究成果，但在實(shí)際應(yīng)用方面的研究不多。電弧作用下SF6氣體分解產(chǎn)物主要有硫化物和氟化物。硫化物主要有SO2、H2S、SF4、SO2F2、SOF2等;氟化物主要有HF、CF4和金屬氟化物。上述的分解物中SF4、SOF2含量較大但不穩(wěn)定，很快在氧氣（O2）和水氣（H2O）雜質(zhì)影響下產(chǎn)生穩(wěn)定的SO2和HF，HF具有強(qiáng)腐蝕性，會(huì)與內(nèi)部金屬發(fā)生再反應(yīng)，通常開斷或故障后檢測(cè)到的氟化氫（HF）含量較小或檢測(cè)不到;CF4在新氣中含量就很大（200ul/l左右），而在電弧作用下增加量卻相對(duì)較小，故不能作為檢測(cè)氣體。其它氣體分解物在設(shè)備內(nèi)部的含量極少。因此，把SO2、H2S作為檢測(cè)氣體研究SF6氣體分解物是可行的。檢測(cè)的SO2濃度是直接分解和水解產(chǎn)物的總量，H2S是固體絕緣材料分解的特征組分。本文從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)對(duì)SF6斷路器開斷時(shí)SF6氣體分解物中的SO2和H2S含量進(jìn)行了詳細(xì)的研究，試驗(yàn)研究和分析了開斷電流、燃弧時(shí)間、電弧能量、吸附劑等因素對(duì)SF6分解物的影響，為根據(jù)SF6分解物含量進(jìn)行SF6設(shè)備狀態(tài)判斷或缺陷、故障判斷以及在線檢測(cè)提供參考。

一、混合斷路器開斷機(jī)理

混合斷路器利用氣體間隙與真空間隙各自的滅弧優(yōu)勢(shì)完成短路電流開斷。電流過零后暫態(tài)恢復(fù)電壓（transientrecoveryvoltage，TRV）上升的初始階段，兩間隙均未完全恢復(fù)其介質(zhì)強(qiáng)度，此時(shí)間隙間TRV分布關(guān)系主要受兩間隙各自的電弧電阻影響。根據(jù)Cassie&Mayr氣體電弧黑盒模型與連續(xù)暫態(tài)真空電弧黑盒模型可知，此時(shí)電弧電阻與燃弧時(shí)間、滅弧介質(zhì)自身特性、滅弧室結(jié)構(gòu)及外部電路條件有關(guān)。其中，燃弧時(shí)間主要由兩間隙操動(dòng)機(jī)構(gòu)的分閘時(shí)刻和分閘速度決定，滅弧介質(zhì)自身特性及滅弧室結(jié)構(gòu)則影響兩間隙的介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)速度。因此，調(diào)整操動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)刻可改變兩間隙承擔(dān)初始TRV時(shí)序。真空間隙承擔(dān)電流過零后陡峭的初始TRV為SF6氣體介質(zhì)強(qiáng)度恢復(fù)提供短暫時(shí)間。SF6氣體間隙可迅速恢復(fù)其介質(zhì)強(qiáng)度，在合適的布置方式及并聯(lián)分壓電容影響下，氣體間隙開始承擔(dān)后續(xù)較高的峰值恢復(fù)電壓。SF6氣體間隙優(yōu)異的耐壓特性可保證即使此后真空間隙發(fā)生擊穿，混合斷路器仍能成功開斷。

二、SF6替代氣體熱開斷能力與物性參數(shù)關(guān)系

2.1電弧模型中湍流參數(shù)的標(biāo)定

高壓斷路器中開斷過程中，噴口中的電弧以及周圍的氣流場(chǎng)可認(rèn)為處于局部熱平衡（LTE）狀態(tài)，因此其物理過程可用時(shí)間平均的Navier-Stokes（RANS）方程組進(jìn)行描述，并在能量方程中考慮歐姆加熱和輻射損失的影響。N2、CO2和SF63種氣體的物性參數(shù)分別取自Yos，F(xiàn)rost和Liebermann，Matsumura;N2、CO2和SF6的凈輻射系數(shù)分別取自Shalyer和Fang，Aubrecht和Bartlova和Liebermann和Lowke。N2、CO2和SF6的凈輻射系數(shù)分別取自文Shalyer和Fang，Aubrecht和Bartlova和Liebermann和Lowke。使用小電流時(shí)，特別是電流零區(qū)附近，湍流換熱的強(qiáng)弱直接決定了電弧電壓的大小以及弧后等離子體可承受的最大恢復(fù)電壓上升率。

2.2電弧能量和SO2和H2S含量的關(guān)系

通過前面的分析和比較我們最終停留在電弧能量上。但該線的延長(zhǎng)線并不過原點(diǎn)，說明在電弧能量越靠近零的時(shí)候越偏離線性關(guān)系;同理在電弧能量較大時(shí)，分解物含量也將偏離線性關(guān)系，因?yàn)殡娀∧芰枯^大時(shí)高溫電弧周圍的SF6氣體的量限制了分解物的含量。通過線性關(guān)系內(nèi)的數(shù)據(jù)可知每千焦分解物大概在15uL/L～20uL/L之間，且隨著能量的增大每千焦的分解物含量在降低。

2.3測(cè)量點(diǎn)氣壓

操作機(jī)構(gòu)開始動(dòng)作后，壓氣缸內(nèi)的氣體即受到壓縮。隨壓力的不斷傳播，噴口區(qū)域在經(jīng)過很短的延遲后建立起氣流通道。將噴口區(qū)域的絕對(duì)氣壓相對(duì)于充氣壓力的增量定義為氣壓增量Δp。氣壓變化中含有豐富的物理信息，為便于分析氣壓特性，抽取了其中反映電弧熄滅前氣流場(chǎng)氣吹冷卻作用的氣壓增量最大值這一維度的信息。由于氣壓在滅弧室和畢托管內(nèi)存在傳播和反射及疊加情況，具有一定的波動(dòng)性，為消除氣壓脈沖波動(dòng)的影響，以氣壓某一半波的中位值而非峰值作為研究對(duì)象，這樣取得的數(shù)據(jù)即為Δppeak，較峰值更為可靠。

2.4實(shí)驗(yàn)樣機(jī)及實(shí)驗(yàn)電路

樣機(jī)由氣體斷路器與真空斷路器串聯(lián)組成。其中氣體斷路器采用額定開斷能力10kV/6.3kA的旋弧式SF6氣體斷路器，間隙內(nèi)SF6氣體的初始充氣壓力為0.36MPa，CO2氣體充氣壓力分別為0.6、0.8MPa;真空斷路器開斷能力為10kV/5kA，真空觸頭為定制的平板電極結(jié)構(gòu)。氣體斷路器平均分閘速度約2.56m/s，真空斷路器平均分閘速度約為0.83m/s。

結(jié) 語

1）噴口電弧中湍流對(duì)電弧的冷卻起到至關(guān)重要的作用，不可忽略。2）湍流對(duì)電弧的冷卻效果與氣體的物性參數(shù)密切相關(guān)。氣體的ρCp參數(shù)在4000K到15000K之間存在較大變化時(shí)將導(dǎo)致電弧的徑向溫度分布產(chǎn)生拐點(diǎn)、電弧弧柱變粗。3）在相同di/dt下徑向換熱效率與電弧半徑有緊密的聯(lián)系。較細(xì)的弧柱將使得湍流對(duì)電弧的徑向冷卻占主導(dǎo)地位、電弧時(shí)間常數(shù)變小、使電弧電壓及時(shí)上升以增強(qiáng)其熱開斷能力。4）通過比較SF6和其他氣體的ρCp隨溫度的變化曲線，可作為選擇氣體或者選擇混合氣體體積分?jǐn)?shù)比的判據(jù)之一。文中對(duì)CO2臨界RRRV的預(yù)測(cè)和測(cè)量數(shù)據(jù)相比有一定的偏差。其原因有可能源于物性參數(shù)、輻射模型或湍流模型中電弧半徑的計(jì)算方法上。需要做進(jìn)一步的分析，但預(yù)測(cè)的偏差不會(huì)影響文中所做的結(jié)論。

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