團(tuán)隊(duì)介紹

開關(guān)技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)隸屬于中國電力科學(xué)研究院高電壓研究所，現(xiàn)有研究人員18人，其中博士6人，碩士10人；教授級(jí)高工2人，高級(jí)工程師8人。研究團(tuán)隊(duì)長期從事特高壓開關(guān)技術(shù)攻關(guān)、新型開關(guān)設(shè)計(jì)研發(fā)、開關(guān)設(shè)備運(yùn)行維護(hù)和專業(yè)管理等，研究成果已直接指導(dǎo)特高壓GIS/GIL、串補(bǔ)用開關(guān)設(shè)備等產(chǎn)品研制，技術(shù)方案廣泛應(yīng)用于國網(wǎng)公司范圍內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行管理，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

顏湘蓮，女，博士，教授級(jí)高工，國家電網(wǎng)公司優(yōu)秀技術(shù)專家人才。長期從事SF6及其替代氣體、高壓開關(guān)設(shè)備研發(fā)和設(shè)備故障診斷技術(shù)研究。擔(dān)任國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“環(huán)保型管道輸電關(guān)鍵技術(shù)”（2017YFB0902500）項(xiàng)目聯(lián)系人和課題5負(fù)責(zé)人，承擔(dān)國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目10余項(xiàng)，獲得省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)6項(xiàng)，發(fā)表SCI或EI檢索論文30余篇，授權(quán)國家發(fā)明專利20余項(xiàng)。

導(dǎo)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(shí)C4F7N/CO2的放電電壓計(jì)算模型，開展氣體放電試驗(yàn)對模型的有效性進(jìn)行了檢驗(yàn)；提出采用優(yōu)異值評估C4F7N/CO2對不均勻電場的耐受能力，計(jì)算獲得了C4F7N/CO2設(shè)備中電極粗糙度控制值與氣體混合比例和氣壓的關(guān)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(dú)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(shí)際絕緣強(qiáng)度會(huì)顯著低于理想狀態(tài)下的預(yù)期值，因此進(jìn)行電氣設(shè)備絕緣設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮不均勻電場的影響。

電極表面粗糙是實(shí)際設(shè)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(fā)生畸變，產(chǎn)生整體上較均勻、局部不均勻的電場分布，需要獲得導(dǎo)體電極表面的粗糙度控制值，為設(shè)備設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。目前國內(nèi)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(shí)C4F7N/CO2的放電特性研究。

主要內(nèi)容

（1）C4F7N/CO2對不均勻電場敏感特性的理論分析

計(jì)算得到了C4F7N/CO2和SF6氣體的臨界約化電場Ac和優(yōu)異值M，結(jié)果列于表1。C4F7N占比20%時(shí)，C4F7N/CO2的Ac、M值均與SF6氣體的數(shù)值相當(dāng)。

表1 C4F7N/CO2和SF6的Ac和M值計(jì)算結(jié)果

建立單凸起粗糙度模型和流注放電判據(jù)，計(jì)算獲得了考慮電極表面粗糙時(shí)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(qiáng)度的改善效果時(shí)，因電極表面粗糙的影響，對于相同pd，增大d更有利于增強(qiáng)絕緣強(qiáng)度。

圖1 C4F7N/CO2的擊穿電壓計(jì)算結(jié)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(yàn)

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(yàn)，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(xiàn)線性增長趨勢。

圖2 C4F7N/CO2和SF6的放電試驗(yàn)結(jié)果

利用Ub得到擊穿場強(qiáng)E和約化擊穿場強(qiáng)E/p，其隨pR的變化見圖3所示。當(dāng)pR值較小時(shí)，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(dāng)pR達(dá)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(yōu)于SF6氣體。

圖3 C4F7N/CO2的放電場強(qiáng)和約化放電場強(qiáng) (10% C4F7N)

（3）C4F7N/CO2的電極表面粗糙度控制值

根據(jù)設(shè)備中電極表面粗糙度控制依據(jù)，計(jì)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(yán)格。

圖4 C4F7N/CO2和SF6中的電極表面粗糙度控制值計(jì)算結(jié)果

在保持現(xiàn)有SF6設(shè)備尺寸不變前提下，提高設(shè)備氣壓來達(dá)到相同絕緣強(qiáng)度，計(jì)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(yōu)異值）。C4F7N占比為4%~30%時(shí)，C4F7N/CO2中的粗糙度控制值與SF6氣體中的控制值相當(dāng)；當(dāng)C4F7N占比低于4%時(shí)，C4F7N/CO2中的電極表面粗糙控制較SF6氣體絕緣設(shè)備更為嚴(yán)格。

圖5 C4F7N/CO2的優(yōu)異值和電極表面粗糙度控制值計(jì)算結(jié)果

結(jié)論與展望

本文在理論分析和試驗(yàn)設(shè)置中僅關(guān)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(shí)帶來的放電時(shí)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(jìn)一步開展系統(tǒng)深入的研究，以完善考慮粗糙度影響的氣體放電電壓計(jì)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(shù)學(xué)報(bào), 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.