韓 義

(沈陽工學院，遼寧 撫順 113122)

在GIS高壓開關(guān)設(shè)備中，SF6氣體的絕緣性能較好，所以其使用量最大[1-2]。但SF6氣體具有很高的全球變暖系數(shù)，是CO2的23 900倍，被視為溫室效應(yīng)氣體，《京都議定書》將其列為6種受限制使用氣體之一[3]。尋找一種可以替代SF6的氣體引起了國內(nèi)外相關(guān)人士的高度重視。因此，選取絕緣性能與SF6氣體相當且對環(huán)境沒有污染的氣體來替代SF6氣體，已經(jīng)勢在必行[4-5]。

在選取替代SF6氣體的研究中，國內(nèi)外專家通過大量的試驗，已經(jīng)取得了階段性成果[6]。SF6/N2混合氣體是一種可被使用，具備推廣應(yīng)用條件的絕緣氣體。該混合氣體是在純SF6氣體中，按照比例加入N2氣體，而N2具有液化溫度低、成本低、環(huán)保性能好等優(yōu)點，因此，選用SF6/N2混合氣體替代SF6氣體絕緣，具有深遠的社會意義。

1 GIS的應(yīng)用現(xiàn)狀

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備(GIS)是變電站中除變壓器外最重要的設(shè)備。由于GIS具有高集成化、高可靠性等優(yōu)點，近幾年國家電網(wǎng)采購GIS的數(shù)量逐年提高。5年內(nèi)從38 602間隔增加到76 986間隔，年增長率超過15%。

據(jù)統(tǒng)計，國家電網(wǎng)每年新建造的GIS設(shè)備需要使用的SF6氣體量約1500 t，如果選用替代氣體SF6/N2混合氣體，每年減少使用SF6氣體400 t[7]，節(jié)省氣體可應(yīng)用在新建的GIS設(shè)備上，不僅可以提高經(jīng)濟效益，同時也保護了環(huán)境。

2 SF6/N2混合氣體的優(yōu)點

國內(nèi)外學者對SF6混合氣體的研究結(jié)果表明：SF6與N2構(gòu)成的混合氣體具有廣泛的應(yīng)用前景，其優(yōu)點在幾個方面[8]。

a.N2是一種不會產(chǎn)生溫室效應(yīng)的環(huán)保型氣體，符合國際環(huán)保組織的要求，同時資源也非常豐富。

b.N2化學性能穩(wěn)定，且液化溫度較低。因此，SF6/N2混合氣體的應(yīng)用解決了高寒地區(qū)開關(guān)設(shè)備的應(yīng)用問題。

c.N2氣體價格便宜，SF6/N2混合氣體可明顯降低成本，經(jīng)濟效益可觀。

d.SF6/N2混合氣體對電場不均勻性的影響比純SF6弱，因此電極表面粗糙度和金屬導電微粒對混合氣體間隙絕緣特性的影響比純SF6小。

3 126 kV GIS用SF6/N2混合氣體母線相關(guān)技術(shù)參數(shù)

126 kV GIS用SF6/N2混合氣體母線為三相共箱式結(jié)構(gòu)，由三相盆式絕緣子、導體、觸頭、罐體及混合氣體組成。整體結(jié)構(gòu)小型化，占地面積小。

126 kV GIS用SF6/N2混合氣體母線結(jié)構(gòu)如圖1所示，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 126 kV GIS混合氣體技術(shù)參數(shù)

4 126 kV SF6/N2混合氣體GIS母線絕緣性能研究

4.1 SF6/N2混合氣體混合比的選取

SF6/N2混合氣體中在SF6氣體體積分數(shù)較少的情況下，要保持原有的沖擊電壓耐受強度，混合氣體的總壓力應(yīng)高于純SF6氣體的壓力。參考文獻[9]中給出了關(guān)系曲線，如圖2所示。

由圖2可知，當SF6氣體體積分數(shù)達到20%時，SF6/N2混合氣體的擊穿電壓值已經(jīng)達到純SF6氣體的80%左右，而SF6氣體體積分數(shù)超過30%后，擊穿電壓的增長逐漸趨緩。說明SF6中混合70%～80%N2氣體能夠?qū)崿F(xiàn)SF6/N2混合氣體耐電強度和SF6用量的最優(yōu)化。因此，在混合氣體中，SF6用量通常取體積分數(shù)為20%～30%。

為了確保混合氣體母線絕緣性能及溫升性能與充入純SF6時接近，126 kV GIS母線充入SF6氣體體積分數(shù)為30%，即SF6/N2混合氣體比例為3∶7。根據(jù)圖2可知，混合氣體總的壓力為純SF6氣體時壓力的1.33倍時，混合氣體的耐電強度與純SF6氣體相當。

126 kV純SF6母線額定壓力為0.6 MPa(絕對壓力)，因此，3∶7混合比下SF6及N2的分壓力及總壓力見表2。

表2 126 kVSF6/N2混合氣體母線總壓及各氣體分壓(絕對壓力) MPa

4.2 126 kV SF6/N2混合氣體母線絕緣性能試驗

126 kV SF6/N2混合氣體母線絕緣試驗樣機布置如圖3所示，樣機包括混合氣體母線、拐角母線、套管等，混合氣體母線內(nèi)充3∶7的SF6/N2混合氣體，最低功能壓力為0.6 MPa(表壓)。該樣機于2016年10月在機械工業(yè)高壓電器產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心順利通過了絕緣型式試驗，包括雷電沖擊耐受電壓試驗、短時工頻耐受電壓試驗、局部放電試驗等，絕緣型式試驗的順利通過驗證了126 kV GIS混合氣體混合比的合理性及混合氣體母線絕緣性能的可靠性。

5 126 kV SF6/N2混合氣體母線溫升性能研究

SF6比N2具有更好的導熱性能，因此當純SF6被相同絕緣強度的SF6/N2混合氣體替代時，對GIS母線的溫升會產(chǎn)生影響[10]。

5.1 126 kV SF6/N2混合氣體母線溫升計算

混合氣體母線內(nèi)主要以熱傳導方式傳熱，熱量通過對流和輻射換熱由載流回路傳到周圍氣體中，然后通過外殼傳到周圍空氣里。

采用多組分的方法對SF6/N2混合氣體母線的溫度場進行計算，母線通流為3465 A(即為額定電流的1.1倍)，環(huán)境溫度29 ℃，計算工況與母線溫升型式試驗工況一致。求出導體和外殼的損耗，并作為計算的熱源帶入到溫度場分析中。

考慮到輻射散熱的影響，在母線導體外表面與金屬外殼內(nèi)外表面施加相應(yīng)的輻射散熱系數(shù)，對于距離外殼外壁較遠處的空氣，認為其不受熱源影響，將其作為流場計算遠端邊界，其溫度設(shè)定為外部環(huán)境溫度。

經(jīng)計算，126 kV混合氣體母線導體的溫升為60.4 ℃，殼體溫升為24.1 ℃，混合氣體母線溫度場分布計算結(jié)果如圖4所示，氣體流速分布如圖5所示。從圖4計算結(jié)果可以看出，混合氣體母線溫度場分布趨勢為外殼及導體溫度分布呈現(xiàn)左右基本對稱，上方溫度高，下方溫度低的特點。

5.2 126 kV SF6/N2混合氣體母線溫升試驗

126 kV SF6/N2混合氣體母線溫升試驗樣機布置如圖6所示，該樣機于2017年6月在機械工業(yè)高壓電器產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心順利通過了試驗電流為3465 A的溫升型式試驗。試驗結(jié)果：導體溫升為61.8 ℃，殼體溫升為25 ℃。仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比見表3。

從表3對比可知，混合氣體仿真分析結(jié)果與型式試驗的結(jié)果最大偏差僅為2.3%(導體溫升)。

表3 仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比 ℃

6 SF6/N2混合氣體的充氣過程

混合氣體的充氣過程可以采用2種方法。

a.分步充氣法：先充入SF6氣體至其分壓力的規(guī)定值，然后再充入N2氣體至混合氣體的最終壓力值。

b.直接充氣法：在專用的充氣設(shè)備內(nèi)將2種氣體按照比例混合后充入母線內(nèi)。

采用以上2種方法進行充氣后，均需要對SF6氣體體積分數(shù)進行測試，以判定是否達到混合氣體比例的要求。

7 混合氣體環(huán)境效益及經(jīng)濟效益分析

a.環(huán)境效益

某電氣設(shè)備公司每年生產(chǎn)126 kV GIS母線約3000 m，充純SF6氣體時，需SF6氣體65 100 kg，若充混合比為3∶7的混合氣體，充入的SF6氣體為24 600 kg，是純SF6氣體的37.8%，環(huán)境效益可觀。

b.經(jīng)濟效益

以每m母線為例，進行經(jīng)濟效益分析，每kg SF6氣體及N2氣體分別按照54元及7元計算，詳細經(jīng)濟效益見表4。從表4可知，充體積分數(shù)為30%SF6時每m母線的成本比純SF6節(jié)約40%，經(jīng)濟效益可觀。

表4 經(jīng)濟效益分析(母線/m)

8 結(jié)束語

本文介紹了126 kV GIS用SF6/N2混合氣體母線的相關(guān)參數(shù)、研制過程及經(jīng)濟效益，各項型式試驗的順利通過驗證了混合氣體混合比的合理性及母線結(jié)構(gòu)性能的可靠性。126 kV GIS用SF6/N2混合氣體母線的成功研制為開發(fā)其他電壓等級采用混合氣體的GIS母線奠定了基礎(chǔ)。