- 頭條中國電科院顏湘蓮特稿：新型混合氣體對局部不均勻電場的敏感特性2020-11-20 作者：顏湘蓮, 鄭宇, 黃河, 楊圓, 周文俊, 柏長宇 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語本文研究了SF6的替代氣體C4F7N/CO2混合氣體對局部不均勻電場的敏感特性，建立了考慮粗糙度影響時C4F7N/CO2的放電電壓計算模型，開展氣體放電試驗對模型的有效性進行了檢驗；提出采用優異值評估C4F7N/CO2對不均勻電場的耐受能力，計算獲得了C4F7N/CO2設備中電極粗糙度控制值與氣體混合比例和氣壓的關系。
團隊介紹
開關技術研究團隊隸屬于中國電力科學研究院高電壓研究所，現有研究人員18人，其中博士6人，碩士10人；教授級高工2人，高級工程師8人。研究團隊長期從事特高壓開關技術攻關、新型開關設計研發、開關設備運行維護和專業管理等，研究成果已直接指導特高壓GIS/GIL、串補用開關設備等產品研制，技術方案廣泛應用于國網公司范圍內的設備運行管理，取得了良好的經濟和社會效益。
顏湘蓮，女，博士，教授級高工，國家電網公司優秀技術專家人才。長期從事SF6及其替代氣體、高壓開關設備研發和設備故障診斷技術研究。擔任國家重點研發計劃“環保型管道輸電關鍵技術”（2017YFB0902500）項目聯系人和課題5負責人，承擔國家電網公司科技項目10余項，獲得省部級科技獎勵6項，發表SCI或EI檢索論文30余篇，授權國家發明專利20余項。
導語
本文研究了SF6的替代氣體C4F7N/CO2混合氣體對局部不均勻電場的敏感特性，建立了考慮粗糙度影響時C4F7N/CO2的放電電壓計算模型，開展氣體放電試驗對模型的有效性進行了檢驗；提出采用優異值評估C4F7N/CO2對不均勻電場的耐受能力，計算獲得了C4F7N/CO2設備中電極粗糙度控制值與氣體混合比例和氣壓的關系。
研究背景
C4F7N/CO2混合氣體作為電親和性氣體，具有對電場敏感獨特的電離特性，使得其放電電壓對不均勻電場較敏感，氣體間隙的實際絕緣強度會顯著低于理想狀態下的預期值，因此進行電氣設備絕緣設計時需要充分考慮不均勻電場的影響。
電極表面粗糙是實際設備中形成不均勻電場的典型情況，使得電極表面局部電場發生畸變，產生整體上較均勻、局部不均勻的電場分布，需要獲得導體電極表面的粗糙度控制值，為設備設計提供指導。目前國內外對C4F7N/CO2混合氣體放電特性的研究仍未考慮電極表面狀況的影響，亟需開展考慮粗糙度時C4F7N/CO2的放電特性研究。
主要內容
（1）C4F7N/CO2對不均勻電場敏感特性的理論分析
計算得到了C4F7N/CO2和SF6氣體的臨界約化電場Ac和優異值M，結果列于表1。C4F7N占比20%時，C4F7N/CO2的Ac、M值均與SF6氣體的數值相當。
表1 C4F7N/CO2和SF6的Ac和M值計算結果
建立單凸起粗糙度模型和流注放電判據，計算獲得了考慮電極表面粗糙時在不同間距、氣壓下C4F7N/CO2的擊穿電壓，如圖1所示，其中C4F7N占比10%。在相同粗糙度下，擊穿電壓偏離理想巴申曲線后，間隙距離越大，擊穿電壓越高；評估增大間隙距離d和提高氣壓p對絕緣強度的改善效果時，因電極表面粗糙的影響，對于相同pd，增大d更有利于增強絕緣強度。
圖1 C4F7N/CO2的擊穿電壓計算結果（粗糙度R為150 μm）
（2）C4F7N/CO2在局部不均勻電場下的放電試驗
開展了C4F7N/CO2和SF6氣體在不同間隙距離、氣壓、粗糙度下的放電試驗，擊穿電壓Ub隨pd的變化趨勢如圖2所示，其中C4F7N占比10%，可知Ub均隨pd增大呈現線性增長趨勢。
圖2 C4F7N/CO2和SF6的放電試驗結果
利用Ub得到擊穿場強E和約化擊穿場強E/p，其隨pR的變化見圖3所示。當pR值較小時，C4F7N/CO2的E/p與臨界約化電場Ac接近；隨著pR值增大，E/p先保持不變，當pR達到臨界值4.25MPa?μm，E/p再減小；與SF6氣體相比，C4F7N/CO2的pR臨界值大于SF6的臨界值3.0MPa?μm，可見C4F7N占比10%的C4F7N/CO2對局部不均勻電場的敏感性優于SF6氣體。
圖3 C4F7N/CO2的放電場強和約化放電場強 (10% C4F7N)
（3）C4F7N/CO2的電極表面粗糙度控制值
根據設備中電極表面粗糙度控制依據，計算了C4F7N/CO2和SF6氣體中電極表面粗糙度控制值Rm隨p的變化如圖4所示，隨著p增大，Rm迅速趨于減小，對粗糙度控制要求愈加嚴格。
圖4 C4F7N/CO2和SF6中的電極表面粗糙度控制值計算結果
在保持現有SF6設備尺寸不變前提下，提高設備氣壓來達到相同絕緣強度，計算得到了C4F7N/CO2中的電極表面粗糙度控制值，見圖5（RC4為C4F7N/CO2的粗糙度控制值，RSF6為SF6的粗糙度控制值，MC4為C4F7N/CO2的優異值）。C4F7N占比為4%~30%時，C4F7N/CO2中的粗糙度控制值與SF6氣體中的控制值相當；當C4F7N占比低于4%時，C4F7N/CO2中的電極表面粗糙控制較SF6氣體絕緣設備更為嚴格。
圖5 C4F7N/CO2的優異值和電極表面粗糙度控制值計算結果
結論與展望
本文在理論分析和試驗設置中僅關注了工頻電壓作用下C4F7N/CO2混合氣體在局部不均勻電場中的放電特性，暫未考慮沖擊電壓作用時帶來的放電時延的影響，及更長間隙距離、更大范圍的粗糙電極等其他因素的影響，均需進一步開展系統深入的研究，以完善考慮粗糙度影響的氣體放電電壓計算模型。
引用本文
顏湘蓮, 鄭宇, 黃河, 楊圓, 周文俊, 柏長宇. C4F7N/CO2混合氣體對局部不均勻電場的敏感特性[J]. 電工技術學報, 2020, 35(1): 43-51. Yan Xianglian, Zheng Yu, Huang He, Yang Yuan, Zhou Wenjun, Bai changyu. Sensitivity of C4F7N/CO2 Gas Mixture to Partial Inhomogeneous Electric Field. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(1): 43-51.
