0 引言

1997年在日本通过的京都议定书中，SF₆气体被列为需全球管制使用的六种气体之一，其温室效应相当于CO2 的23900倍，降解时间约3200年^[1]。资料显示用于设备制造和电气绝缘的SF₆气体占全部工业SF₆气体使用的74%^[2]，如果GIS中的SF₆气体约以0.5%/年的速度泄漏，随着各国GIS设备需求量日益增长，其泄漏量不容小视，减少SF₆的用量是控制温室效应的有效手段。

ZF12-126（L）型GIS是早期研发的GIS产品，在国内外已有数千个间隔运行。如果在不改变母线结构的前提下用SF₆/N₂混合气体代替纯SF₆气体的方案可行，在后续新建电站的母线气室内使用混合气体或者已运行电站停电检修时将SF₆气体更换为混合气体，将大幅减少SF₆气体的使用。

1 母线基本参数

1.1 混合比

研究结果表明在高纯N₂中加入少量的SF₆后气体的击穿电压就得到大幅度的提高, 但当SF₆气体含量超过20%以后，击穿电压的增加逐渐趋缓^[3-4]。

图1 SF₆/N₂混合气体工频击穿电压随SF₆气体含量的变化

图2 负极性操作冲击U50随SF₆气体含量的变化

混合气体的绝缘和放电特性已有较多成熟的研究成果，SF₆/N₂混合气体适用于不带开断任务的高压设备，特别适用于管道母线，其中采用体积3:7的混合气体（30%SF₆:70%N₂），并适当提高充气压力在设备制造的经济和实用方面得到了较多共识^[5-7]，多个设备制造厂家已通过鉴定试验。

1.2 充气压力

提高充气压力，绝缘强度会相应提高，同时气体用量和母线壳体制造难度也会增大，经济性和环保性大打折扣。在母线结构尺寸不做变动的前提下，SF₆含量30%时，等绝缘强度的混合气体气压为纯SF₆气体气压的1.33倍^[8]。

图3 SF₆/N₂混合气体在不同混合比和纯SF₆相比耐电强度曲线

综合考虑使用混合气体的安全性及尽量减少对现有GIS母线结构的改变，并考虑后期用户的运维，尽量和其它产品保持统一混合比，确定SF₆/N₂混合体积比采用30%:70%，压力提高1.33倍。

1.3 混合气体母线主要技术参数

采用混合气体的母线与纯SF6气体母线主要技术参数对比见表1。

表1 母线主要技术参数对比

表2 混合气体母线壳体压力要求值

2 可行性研究

绝缘介质的变化将对气体的击穿特性、主回路温升、隔板耐受压力、壳体耐受压力、密封和微水产生影响。

2.1 绝缘性能

对纯SF₆气体母线进行电场仿真，计算出高压导体表面、SF₆气体沿面、绝缘盘沿面场强值。电场强度均在判据（最低功能压力0.33MPa）范围内并且有一定裕度，在产品没有明显制造缺陷的情况下，采用混合气体并升高气压之后绝缘强度不是主要问题。

表3 电场强度仿真结果

图4 电场强度仿真

2.2 温升性能

气体绝缘设备内热传导主要为辐射和对流，辐射与气体介质无关，传导与气体介质有直接关系，混合气体下的温升可通过以下公式推算^[8]：

    （1）

=-(1-)            （2）

其中为混合气体热传导速率；为纯SF₆气体热传导速率；x为混合气体中SF₆气体含量；为混合气体绝对压力；为纯SF₆气体绝对压力；为纯SF₆气体时导体的温升。

通过公式（1）、（2）和0.33MPa纯SF6气体时母线温升数据推算出混合气体时导体的温升值，推算值均在标准允许范围内。

表4 关键位置温升值对比

2.3 隔板和壳体压力

额定充气压力由0.4MPa提高到0.6MPa时，设计压力由0.54MPa提高至0.79MPa。盘式绝缘子水压破坏压力提高到2.37MPa，焊接壳体破坏压力提高至1.82MPa，铸造壳体破坏压力提高至3.95MPa。隔板和壳体能否承受标准要求的破坏压力成了产品能否使用混合气体代替的关键。对母线隔板、焊接壳体、铸造壳体进行强度仿真，仿真结果除焊接壳体稍微超出判据外其余均在判据范围内，考虑到判据往往较为严格，暂不考虑修改结构，直接进行试验验证。

表5 仿真输入参数及结果

图5 强度计算结果

3 试验验证

3.1 绝缘试验

试验样机由铸造导体、电连接、导电杆、盘式绝缘子、外壳瓷套管组成，样机按照比例充入0.5MPa最低功能压力SF₆/N₂混合气体，按照标准要求依次进行正负极性雷电冲击耐受电压试验、1min工频耐受电压试验和局部放电试验，试验结果满足标准要求。

图6 绝缘和温升试验

3.2 温升试验

按要求在母线外壳、混合气体、滑动连接、固定连接、接线端子、导体等三相埋设热电偶测量温升，实际温升值如下，温升值与表5中推算值接近并不超过允许值。

表6 温升试验结果

3.3 水压破坏试验

按要求分别对隔板、焊接壳体、铸造壳体打水压，隔板破坏压力为2.5MPa，焊接壳体破坏压力为2.7MPa，铸造壳体打压至4.0MPa未破坏，满足要求试验终止。

图7 水压破坏试验

3.4 其余试验

绝缘介质的变化还会引起密封性能和气室内部微水的变化，对混合气体的母线进行整体扣罩检漏并测量微水含量均满足要求。

图8 密封和微水试验

4 结论

先通过理论分析确定混合气体的混合比和充气压力，再通过有限元仿真的方法计算现有母线可不用修改结构能满足介质的改变引起产品性能的变化，最后通过型式试验进一步确定现有母线的绝缘介质可用混合气体代替，混合比为3:7（30%SF₆:70%N₂），充气压力提高1.33倍。

参考文献：

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[2] 相震.减排六氟化硫应对气候变化[J].中国环境管理,2010（2）

[3] 周辉，邱毓昌，仝永刚.N₂/SF₆混合气体的绝缘特性[J].高压电器,2003, 39（05）

[4] 张建，夏延君，赖苏琴.管道母线（GIL）中SF6/N2混合气体绝缘性能的研究[J].高压电器,2016, 52（12）

[5] 李晓艳，黄坤鹏，李永奎.混合气体在GIS中的应用[J].电气制造,2011, 08

[6] 陈庆国，肖登明，邱毓昌.SF6/N2混合气体的放电特性[J].西安交通大学学报，2001，35(4)

[7] 肖登明，邱毓昌.SF6/N2和SF6/CO2的绝缘特及其比较[J]. 高电压技术，1995，12(1)

[8] W.BOECK,T.R.BLACKBUBN,A.H.COOKSON,et al,N2/SF6 mixtures for gas insulated systems [ C]//Paris:CIGRE,2004, D1-201

[9]严璋，朱德恒.高电压绝缘技术[M].2版.北京：中国电力出版社，2014.

[10]施围，邱毓昌，张乔根.高电压工程基础[M].1版.北京：机械工业出版社，2014.

[11]黎斌.SF₆高压电器设计[M].3版.北京：机械工业出版社，2010.