韓天旗 付魯軍 李樹平

（1. 西安高壓電器研究院有限責(zé)任公司 2. 西安西電電氣研究院有限責(zé)任公司)

0 引言

隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)電力設(shè)備的絕緣要求也越來(lái)越高。SF6氣體由于具有優(yōu)良的物理和化學(xué)性能：絕緣性能高，氣體絕緣開關(guān)設(shè)備體積?。徊粫?huì)老化，使用壽命幾乎不受限制；不受外界環(huán)境影響，運(yùn)行安全可靠等，被廣泛應(yīng)用于高壓氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備中。SF6氣體從發(fā)現(xiàn)至今大約有一百年的歷史，它的廣泛應(yīng)用促進(jìn)了高壓絕緣及輸變電技術(shù)的迅猛發(fā)展[1]。

SF6作為絕緣氣體的一個(gè)最嚴(yán)重的問(wèn)題就是1997年《京都協(xié)定書》上提出的溫室效應(yīng)[2]，它的GWP（全球變暖潛值）為CO2氣體的23900倍。在該會(huì)議上已明確把該氣體列為未來(lái)減少甚至杜絕使用的高環(huán)境污染氣體。目前在實(shí)際應(yīng)用中大多采用SF6/N2混合氣體替代SF6氣體使用[3-4]，然而為了保證絕緣強(qiáng)度，SF6混合比一般不小于50%，GWP仍然是純SF6氣體的二分之一，不能從根本上解決SF6的溫室效應(yīng)。

1 絕緣氣體的性質(zhì)

1.1 SF6氣體的性能

SF6氣體是目前世界上最優(yōu)良的絕緣介質(zhì)和滅弧介質(zhì)。它無(wú)色、無(wú)味、無(wú)嗅、無(wú)毒、不燃燒；在常溫常壓下，化學(xué)性能穩(wěn)定。SF6氣體之所以適用于電力設(shè)備，因它主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①?gòu)?qiáng)電負(fù)性[5]；②具有優(yōu)異的滅弧性能[5]；③絕緣強(qiáng)度高；④熱傳導(dǎo)性能好且易復(fù)合；⑤通常無(wú)液化問(wèn)題（通常開關(guān)設(shè)備使用SF6氣體壓力〈0.65MPa，0.65 MPa 下SF6氣體的液化溫度約為-40℃）；⑥SF6的最大優(yōu)點(diǎn)是不含碳，在開關(guān)關(guān)合、開斷短路電流后不會(huì)分解出影響絕緣性能的碳粒子[6]；⑦SF6可在小的氣罐內(nèi)儲(chǔ)存；⑧供氣方便，價(jià)格便宜且穩(wěn)定。

1.2 C4F8氣體的性質(zhì)

八氟環(huán)丁烷（C4F8）氣體無(wú)毒，零ODP（臭氧耗損潛值），低GWP（是SF6的36.4%）[7]，高絕緣強(qiáng)度，對(duì)電極表面粗糙度敏感性低[8]。然而C4F8氣體也有它的缺點(diǎn)：①C4F8分子中含有碳，在高溫環(huán)境下會(huì)分解產(chǎn)生導(dǎo)電微粒，這將影響開關(guān)設(shè)備的絕緣性能。如果開關(guān)設(shè)備采用真空滅弧室作為的滅弧單元，則C4F8只作為外絕緣，關(guān)合、開斷短路電流對(duì)外絕緣的C4F8不會(huì)產(chǎn)生高溫分解，也就不會(huì)降低其絕緣能力；②氣體價(jià)格高；③ C4F8氣體在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下液化溫度較高（-6～ -8℃）。但是C4F8氣體如果和液化溫度低的普通氣體，如：N2、CO2、N2O和空氣等，組成混合氣體，可以使液化溫度和成本都降低，所以混合氣體比單一氣體有著優(yōu)異的特性，有很好的工業(yè)應(yīng)用前景。表1為SF6氣體、C4F8氣體和N2的基本特性參數(shù)對(duì)比。

表1 SF6氣體、C4F8氣體和N2的基本特性參數(shù)對(duì)比表

2 氣體研究的應(yīng)用環(huán)境

為了對(duì)C4F8氣體的絕緣和散熱性能進(jìn)行研究，筆者采用成熟產(chǎn)品ZW20-12/630型柱上開關(guān)設(shè)備作為氣體研究的試品， ZW20-12/630型柱上開關(guān)設(shè)備（真空斷路器）結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZW20-12/630型柱上開關(guān)設(shè)備（真空斷路器）結(jié)構(gòu)圖

由圖1可以看出ZW20-12/630型柱上開關(guān)設(shè)備采用真空滅弧室作為滅弧單元，SF6氣體作為絕緣介質(zhì)。為了進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì)，筆者對(duì)開關(guān)設(shè)備局部進(jìn)行了修改，將拐臂與絕緣拉桿之間直徑8mm的銷子換成直徑為8mm的圓棒，將回路的高電位引到圓棒（圓棒結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中L為圓棒長(zhǎng)度）上，形成棒/板電極，電極間間隙為極不均勻電場(chǎng)。通過(guò)調(diào)整圓棒與箱壁的間距來(lái)改變相對(duì)地最小絕緣距離，調(diào)整圓棒與圓棒的間距來(lái)改變相間最小絕緣距離，進(jìn)行絕緣試驗(yàn)。修改后的開關(guān)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖2 圓棒結(jié)構(gòu)

圖3 修改后的開關(guān)設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 混合氣體絕緣性能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方法與判斷方式

本文對(duì)氣體絕緣試驗(yàn)的試驗(yàn)方法和判斷方式按GB/T16927.1—2011《高電壓試驗(yàn)技術(shù) 第1部分：一般定義及試驗(yàn)要求》的要求分別進(jìn)行短時(shí)工頻耐受電壓試驗(yàn)和雷電沖擊電壓試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

在對(duì)開關(guān)設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，對(duì)在開關(guān)設(shè)備分別充入氣體最低工作壓力：零表壓（20℃時(shí)）的SF6、 C4F8/N2（體積比為1∶4）、C4F8/N2O/N2（體積比為2∶1∶7）的氣體進(jìn)行絕緣試驗(yàn)。

（1）短時(shí)工頻耐受電壓試驗(yàn)

按GB/T16927.1—2011《高電壓試驗(yàn)技術(shù) 第1部分：一般定義及試驗(yàn)要求》的要求分別對(duì)充有SF6、C4F8/N2、C4F8/N2O/N2氣體的開關(guān)設(shè)備分別施加48kV、55kV、60kV的電壓，持續(xù)1min中后未發(fā)生破壞性放電，試驗(yàn)通過(guò)。當(dāng)試品施加60kV電壓的時(shí)候，隨著施加電壓的不斷升高開關(guān)設(shè)備的電暈聲越來(lái)越大，并且在進(jìn)、出線端子外表面有火花產(chǎn)生，預(yù)示著開關(guān)設(shè)備的進(jìn)、出線端子的外部絕緣已接近極限，因此筆者就再未提高工頻耐受電壓對(duì)開關(guān)設(shè)備進(jìn)行更高電壓的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 施加短時(shí)工頻耐受電壓結(jié)果

（2） 雷電沖擊電壓試驗(yàn)

按GB/T16927.1—2011《高電壓試驗(yàn)技術(shù) 第1部分：一般定義及試驗(yàn)要求》的要求分別對(duì)充有SF6、C4F8/N2、C4F8/N2O/N2氣體的開關(guān)設(shè)備分別施加標(biāo)準(zhǔn)的正、負(fù)極性雷電沖擊電壓。圖4為絕緣試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。表3為施加雷電沖擊電壓絕緣試驗(yàn)結(jié)果（相間絕緣距離均為57mm）。

試驗(yàn)結(jié)束后，打開開關(guān)設(shè)備的外殼觀察擊穿情況，在開關(guān)殼體的內(nèi)表面發(fā)現(xiàn)明顯的擊穿斑點(diǎn)，表明相對(duì)地發(fā)生擊穿，未發(fā)現(xiàn)相間擊穿的斑點(diǎn)。圖5為相對(duì)地?fù)舸┑碾娀“唿c(diǎn)照片。

表3 施加雷電沖擊電壓絕緣試驗(yàn)結(jié)果

圖4 絕緣試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

圖5 相對(duì)地?fù)舸┑碾娀“唿c(diǎn)照片

3.3 絕緣試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出在氣體壓力為0.1MPa下，最小相對(duì)地絕緣距離為35mm和最小相間絕緣距離為57mm時(shí)，C4F8/N2O/N2混合氣體的絕緣強(qiáng)度低于C4F8/N2混合氣體，C4F8/N2混合氣體的絕緣強(qiáng)度低于SF6氣體，實(shí)際運(yùn)用時(shí)C4F8/N2混合氣體能達(dá)到12kV氣體絕緣開關(guān)設(shè)備，短時(shí)工頻耐受電壓48kV和雷電沖擊電壓85kV的絕緣強(qiáng)度的要求，并且C4F8/N2氣體的絕緣強(qiáng)度是SF6氣體的80%，結(jié)果表明在12kV氣體絕緣開關(guān)設(shè)備中C4F8/N2混合氣體能夠替代SF6氣體作為開關(guān)設(shè)備的絕緣介質(zhì)。

4 混合氣體散熱性能試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)方法

本文對(duì)氣體散熱性能的試驗(yàn)方法按GB/T11022—2011《高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求》要求在ZW20-12/630型柱上開關(guān)設(shè)備進(jìn)行溫升試驗(yàn)。

考慮到C4F8/N2O/N2混合氣體的絕緣強(qiáng)度低于C4F8/N2混合氣體，溫升試驗(yàn)我們只對(duì)C4F8/N2混合氣體和SF6氣體進(jìn)行試驗(yàn)比對(duì)。

4.2 試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果

C4F8/N2和SF6氣體分別充入同一臺(tái)ZW20-12/630型柱上開關(guān)設(shè)備進(jìn)行溫升試驗(yàn)。試驗(yàn)電流為開關(guān)設(shè)備額定電流的1.4倍（882A），測(cè)量溫升布點(diǎn)情況如圖6所示，共測(cè)量8個(gè)點(diǎn)。測(cè)量點(diǎn)均位于開關(guān)設(shè)備的外殼處，由于在同一臺(tái)開關(guān)設(shè)備上進(jìn)行試驗(yàn)，施加在回路上的電流基本一樣，試驗(yàn)回路的發(fā)熱量和散熱條件也基本相同，通過(guò)測(cè)量外殼隨時(shí)間溫度變化的情況就可以對(duì)比兩種氣體的散熱性能。

圖6 測(cè)量溫升布點(diǎn)圖

開關(guān)設(shè)備三相回路電阻分別為：A相 91.5μΩ、B 相78.3μΩ、C相 81.2μΩ。圖7為溫升試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖7 溫升試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片

采用SF6氣體的開關(guān)設(shè)備溫升試驗(yàn)的結(jié)果見圖8，采用C4F8/N2氣體的開關(guān)設(shè)備溫升試驗(yàn)結(jié)果見圖9，圖中數(shù)據(jù)均為測(cè)量時(shí)的溫度值（℃）。

4.3 溫升試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)對(duì)溫升試驗(yàn)結(jié)果比較，可以看出使用兩種氣體各測(cè)量點(diǎn)中，1和1'、2和2'、3和3'、5和5'、7和7'、8和8'點(diǎn)隨時(shí)間變化溫升比較接近，4和4'、6和6'在穩(wěn)定時(shí)溫升相差3℃（如圖10所示），由圖6和圖7可以判斷，出現(xiàn)這種可能的原因在于ZW20-12/630型柱上開關(guān)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)導(dǎo)致位于中心位置的4和6點(diǎn)連線附近區(qū)域熱量不容易散失，同時(shí)也說(shuō)明C4F8/N2比SF6氣體在0.1MPa的氣體壓力（絕對(duì)壓力）下散熱性能稍遜。

圖8 SF6氣體的溫升試驗(yàn)的結(jié)果（測(cè)量點(diǎn)溫度 ℃ 環(huán)境溫度 22.6 ℃）

圖9 C4F8/N2混合氣體的溫升試驗(yàn)的結(jié)果（測(cè)量點(diǎn)溫度℃ 環(huán)境溫度 23.0 ℃）

圖10 C4F8/N2混合氣體與SF6氣體4點(diǎn)和6點(diǎn)溫升試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)在12kV氣體絕緣ZW20-12/630型柱上開關(guān)設(shè)備（真空斷路器）中進(jìn)行絕緣和溫升試驗(yàn)，對(duì)C4F8混合氣體替代SF6氣體的可能性進(jìn)行研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論：

1）C4F8/N2（體積比為1∶4）混合氣體在ZW20-12/630型柱上真空斷路器中完全可以滿足絕緣試驗(yàn)的要求。

2）在氣體壓力為0.1MPa的壓力（絕對(duì)壓力）下，最小相對(duì)地絕緣距離35mm和最小相間絕緣距離57mm時(shí)，C4F8/N2（體積比為1∶4）混合氣體能夠作為12kV氣體絕緣開關(guān)設(shè)備作為絕緣介質(zhì)使用。

3）C4F8/N2（體積比為1∶4）比SF6氣體在0.1MPa的氣體壓力（絕對(duì)壓力）下散熱性能稍遜。

綜上所述，C4F8混合氣體只要混合比和使用壓力恰當(dāng)，在12kV氣體絕緣開關(guān)設(shè)備中完全可以替代SF6氣體作為開關(guān)設(shè)備的絕緣介質(zhì)。

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[9]GB/T16927.1—2011 高電壓試驗(yàn)技術(shù) 第1部分：一般定義及試驗(yàn)要求[S].

[10]GB/T11022—2011 高壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的共用技術(shù)要求[S].