高压SF6/N2混合气体断路器冷态介质恢复特性计算分析

基于N-S方程与拉氏方程对空载SF6/N2混合气体断路器灭弧室内的气流场和电场建立数学模型,计算断路器开断过程的气流特性和电场分布,分析混合比对触头间介质强度薄弱区域的气流特性影响。提出SF6/N2混合气体的击穿判据,计算不同SF6/N2混合比、开断速度及充气压力的介质恢复强度,研究断路器重击穿现象,结合SF6/N2混合气体液化温度、全球变暖潜能值,提出适用于断路器空载操作要求的SF6/N2配比方案。计算结果表明：在开断过程气流特性的作用下,介质恢复强度曲线呈现随开距增加先上升后下降,再继续升高的趋势。当灭弧室内触头间开距为14mm时,20%SF6/80%N2和80%SF6/20%N2的介质恢复强度分别是纯SF6的54.5%和91.5%;对于不同比例的SF6/N2混合气体,相同时间内开断速度9.6m/s与4.8m/s相比,介质恢复强度的增长速率明显加快;开距14mm时,60%SF6/40%N2在充气压力0.7MPa下的介质恢复强度是0.9MPa下的77.8%。考虑液化和温室效应问题,当灭弧室压力0.7MPa、开断速度9.6m/s时,SF6/N2的最佳混合比为60%：40%。

SF6／N2混合气体断路器的检修

针对目前新出现的,用于我国北方寒冷地区的SF6/N 2混合气体断路器在检修中可能出现的一些新问题进行了一些新的探讨.

高压断路器中C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的开断性能

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体是一种潜在的SF_(6)替代气体,开展其在高压断路器中开断性能的研究,对推动环保输电方式发展、支撑双碳目标实现具有重要的工程意义。基于磁流体动力学(magnetohydrodynamics,MHD)理论,仿真计算了充有0.6 MPa 5%C_(4)F_(7)N/CO_(2)、10%C_(4)F_(7)N/CO_(2)、15%C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体和纯SF_(6)的40.5 kV断路器20 kA短路电流开断过程,分析C_(4)F_(7)N混合比例对电弧温度特性、灭弧室气压与喷口气流特性的影响规律,并与纯SF_(6)进行比较。研究结果表明:与混合气体相比,SF_(6)气体电弧具有更高的弧芯温度和更小的电弧半径,随着C_(4)F_(7)N比例的增加,混合气体弧芯温度升高、电弧半径减小。断路器短路开断过程中,SF_(6)气体建立起更高的吹弧气压,气吹速度明显高于混合气体,可以形成更好的气吹效果来冷却电弧。最后,基于Mary电弧数学模型计算得到电流零区不同气体的电弧时间常数与电弧功率耗散系数,并以临界恢复电压上升率(rate of rise of TRV,RRRV)定量评判气体开断性能,0.6 MPa的5%C_(4)F_(7)N/CO_(2)、10%C_(4)F_(7)N/CO_(2)、15%C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体临界RRRV分别为1.54、2.22和2.28 kV/μs,远低于SF_(6)的4.98 kV/μs。

采用SF_6/N_2混合气体的高压断路器检修

六氟化硫（SF6）气体具有优良的灭弧和绝缘性能，但有价格昂贵、对电场均匀性比较敏感以及低温下容易液化、不适用于严寒地区使用等缺点。为了解决SF6断路器（尤其是瓷柱式）在北方严寒地区的使用问题，国外ABB、西门子等电气公司和国内上海华通开关厂（用于佳木斯市鹤岗电厂）等已经开始用SF6／N2混合气体作为灭弧、绝缘介质。在总压力为0．7MPa（绝对压力）时，60％SF6＋40％N2混合气体的液化温度为-42℃，比同压力下纯SR气体介质低了许多。但采用SR／N2混合气体的断路器，气体密度和灭弧室结构等方面与纯SR气体断路器不同。本文将此问题作一些探讨。

SF_6-CO_2和SF_6-CF_4混合气体断路器的喷口压力特性

CO_2和CF_4气体物理化学性能稳定,液化温度低,灭弧能力强,作为潜在的SF_6替代气体引起了广泛的关注。断路器开断故障电弧过程中的喷口压力特性对气体灭弧性能和断路器结构的优化设计等都具有重要意义。为此基于一台126 k V压气式断路器模型,通过实验研究了不同体积分数混合比例下SF_6-CO_2和SF_6-CF_4混合气体中灭弧室喷口压力的变化特性。结果表明,SF_6-CF_4混合气体的喷口监测点压力增幅Δppeak和电流零点时刻的压力增量ΔpCZ均明显高于SF_6-CO_2混合气体,气吹电弧作用更强;两种混合气体测量点处的压力增幅Δppeak均随SF_6体积分数增加而增大,SF_6-CO_2混合气体电流零点处的压力增量ΔpCZ随SF_6体积分数增加也明显增大,而SF_6-CF_4混合气体ΔpCZ的变化较小;此外,喷口压力的建立情况对断路器热开断能力有较为重要的作用。

适于严寒地区运行的SF_6/N_2混合气体高压断路器

1.引言六氟化硫(SF_6)气吹式断路器通用的压力范围为5—7bar。当环境温度特别低时,SF_6气体将液化。因此,对于运行在特殊严寒地区的断路器,BBC采用SF_6和N_2混合气体。因为这种混合气体不仅具有优良的绝缘和灭弧性能,而且直到-500℃还不开始液化,作为绝缘和灭弧介质,它不需要另加加热器。使用在严寒地区的SF_6/N_2混合气体断路器可靠性的最重要特征,是运用了BBC独创的先进密封技术。这种密封技术使得工作在严寒地区的断路器,有可能与安装在常温气候地区的断路器具有相同的维修间距。诸如在挪威,瑞典,芬兰等位于严寒地区的一些国家,基于已有500台这类断路器冬天现场成功的运行经验,

SF_6绝缘电流互感器SF_6/N_2混合气体替代技术研究

SF_6绝缘电流互感器是广泛应用的电力设备,其气体用量巨大,是SF_6气体替代或减量应用的重要领域。为此,研究SF_6/N_2混合气体替代技术具有重要意义。文中提出了针对SF_6电流互感器进行混合气体改造的技术方案,并开展了理论分析、关键部件研制、绝缘性能试验和实际挂网运行校验,同时对该改造技术的可行性进行了探索。研究表明,两种气体混合比例(20%SF_6/80%N_2与30%SF_6/70%N_2)的电流互感器均通过了工频耐压试验和雷电冲击耐压试验,SF_6/N_2混合气体替代技术现场可行。文中研究成果对于SF_6/N_2混合气体绝缘电流互感器技术发展和推广具有重要意义。

一种高性能SF6/N2混合气体密度继电器的研制

为了环保,同时解决SF6高压电器设备在低温下可靠运行的问题,研制和应用SF6/N2混合气体的电器设备是非常必要的。而同样压力下的SF6所占比例越高,其密度越大,绝缘能力越强,但节能减排的意义就越小,因此需要研制SF6/N2混合气体密度继电器,用于监测其气体密度,从而既确保高压电器设备安全运行,又能达到较好的节能减排效果。文中提出研制高性能的SF6/N2混合气体密度继电器,并阐述了高性能的SF6/N2混合气体密度继电器的实现方法,以及通过性能测试,证实该SF6/N2混合气体密度继电器具有较好的性能。

雷电冲击下极不均匀电场中SF_6/N_2混合气体的协同现象

近年来在气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中开始逐步使用低SF6混合比的SF6/N2混合气体作为绝缘介质,用以替代纯SF6气体。为了在电力设备中更好地应用SF6/N2混合气体,在极不均匀电场、正负两种极性雷电冲击(LI)下,通过实验分析研究了较低SF6混合比的SF6/N2混合气体的放电特性与协同现象,并在负极性雷电冲击下发现了反常的负协同效应。研究发现:负极性雷电冲击下,N2的击穿电压随气压的升高趋势显著高于SF6与SF6/N2混合气体,当气压超过0.3 MPa后,N2的击穿电压明显高于SF6/N2混合气体,甚至在0.5 MPa时超过了纯SF6的击穿电压,即出现了显著的负协同效应,且随着气压的升高,负协同效应明显增强;正极性下仍存在一定的协同效应,但协同效应随着气压降低而减弱,当气压低至0.2 MPa,亦出现了负协同效应。

考虑非弹性随机碰撞与SF_6/N_2混合气体影响的直流GIL球形金属微粒运动行为研究

针对直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal enclosed transmission line,GIL)金属微粒污染物问题,研究球形金属微粒在其中的运动行为,采用贴合实际情境的同轴圆柱电极结构,建立直流GIL内球形金属微粒运动模型:纳入SF6/N2混合气体动力学参数,利用流体力学理论分析微粒运动过程中混合气体阻力的影响;同时考虑金属表面粗糙度影响,利用弹性力学中的碰撞理论分析金属微粒与导体及外壳的非弹性随机碰撞,实验结果验证了模型计算的可靠性。利用模型对微粒运动轨迹进行仿真分析,并根据微粒运动的分布情况提出微粒活跃度的概念,研究表明:微粒在导体与外壳间的谐振频率与微粒半径、SF6占比、绝缘气压呈负相关;微粒活跃度与随机反射角、电压幅值呈正相关,而随着微粒半径变化存在极大值。

雷电冲击下稍不均匀电场中SF_6/N_2混合气体的协同效应

近年来,在气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中开始使用低SF6体积分数的SF6/N2混合气体作为绝缘介质,但对这种混合气体的协同效应相关研究还不多。为此,在稍不均匀电场、正负2种极性雷电冲击(LI)下,研究了较低SF6体积分数的SF6/N2混合气体的击穿特性及协同效应受电压极性和气压的影响。结果表明:在较低气压和负极性雷电冲击下的击穿电压高于正极性;当气压超过某一临界值后,正极性下的击穿电压将高于负极性。引入协同效应系数对混合气体的协同效应进行了分析,发现:负极性雷电冲击下协同效应系数<0.1,且受气压影响不明显;正极性下的协同效应相对较弱,但随着气压升高协同效应增强。

SF_6/N_2混合气体电击穿特性仿真及实验

通过求解两项近似Boltzmann方程,得到SF_6/N_2的放电参数,并将该参数引入流体模型。结合有限元法和通量校正传输法对SF_6/N_2的流注放电过程进行循环迭代求解,计算其击穿电压。以均匀电场中压强0.1~0.6MPa、间隙5mm为例进行数值模拟,通过气体放电实验对计算结果进行验证。根据计算及实验结果得到不同混合比、压强下SF_6/N_2的协同效应系数,分析采用上述计算方法研究混合气体协同效应的准确性。为更全面地反映混合气体应用条件,进一步开展压强低于0.1MPa的SF_6/N_2击穿特性实验研究。研究表明:随着电子崩不断向前发展,放电间隙的空间电子数密度快速增长,SF_6放电过程中的空间电子数密度增长速度低于SF_6/N_2。0.1MPa下20%SF_6/80%N_2放电5ns时的电子数密度峰值达到4.6×1014m^(-3),而SF_6中该值仅为3.7×1012m^(-3)。当气压为0.1~0.6MPa时,SF_6/N_2击穿电压计算值与实测值的最大误差为9.23%,协同效应系数计算值随压强、混合比的变化趋势与实验结果相符,误差均值为5%。0.02~0.08MPa下SF_6/N2击穿电压、协同效应系数随压强、混合比的变化趋势与0.1~0.6MPa下的基本相同。

SF_6/N_2混合气体绝缘特性的实验研究

目前绝大多数气体绝缘开关设备采用SF6气体绝缘,SF6泄漏导致严重的环保问题,人们迫切希望少采用或不采用SF6气体,以降低对环境的污染。为此,试验研究SF6和SF6/N2混合气体在不同混合比、不同压力以及在不同电场结构下的击穿特性,并与SF6气体的绝缘性能进行比较,试验结果表明:在N2中注入20%～30%的SF6气体后,SF6/N2混合气体绝缘性能指标可以达到纯SF6气体的80%左右,但若继续增加SF6气体的配比,则其耐电强度上升的幅度明显变慢;此外,试验研究还发现,极不均匀电场会大大降低气体的耐击穿电压强度。试验研究证明了采用SF6/N2混合气体代替纯SF6气体的技术方案的可行性。

温度变化对SF_6/N_2混合气体放电特性的影响

不同温度下SF_6/N_2混合气体的周围离子平均自由行程和热运动速度不同,使SF_6/N_2混合气体放电过程呈现不同特性。为此,在极不均匀电场、雷电冲击电压下研究了温度对SF_6/N_2混合气体放电特性的影响。在正负极性的雷电冲击电压下分别测量冲击击穿电压和预放电电流波形,并分析了不同温度下SF_6/N_2混合气体的预放电现象、步长时间、电晕起始场强及击穿场强。此时试验温度范围设为-20~20℃。结果表明:步长时间、电晕起始场强、击穿场强呈现较大的随机性。负极性雷电冲击电压下步长时间均长于正极性雷电冲击电压下步长时间。负极性冲击电压下10%SF_6-90%N_2混合气体的电晕起始场强和击穿场强随着温度升高而增高。本研究结果对柜式气体绝缘开关设备和气体绝缘金属封闭输电线路设计具有一定的研究意义。

工频下电场不均匀度对SF_6/N_2混合气体放电特性的影响与临界半径现象

为了在电力设备中更好地应用SF_6/N_2混合气体,利用全封闭工频实验装置,通过实验研究分析了不同电场不均匀度下SF_6/N_2混合气体的击穿特性,并在极不均匀场下分析了局放起始电压的变化规律。研究发现:随电场不均匀度的增加,SF_6/N_2混合气体击穿电压随气压增加的变化规律由基本呈线性升高趋势,逐步出现饱和趋势;当电场不均匀度增大到一定程度后,间隙击穿前出现了稳定的电晕放电,SF_6及其混合气体的击穿电压出现了"驼峰"现象,"驼峰"的范围与幅值随着电场不均匀度的增加而变大;随着电场不均匀度的增加,协同效应程度先增强后减弱并趋于稳定;在纯N_2中发现了显著的临界半径现象,纯N_2的临界半径为1~2 mm,而混合气体与纯SF_6气体则还没有观察到明显的临界半径,随着电极曲率半径的减小,在较高气压下其击穿电压明显下降,而在低气压下则出现了类U型曲线。

不均匀电场SF_6/N_2混合气体击穿特性的实验研究

文中对SF_6/N_2混合气体在不均匀场下的击穿特性展开研究,通过测量棒—板电极在不同电极间距、混合比、压强下的正、负极性击穿电压值,分析电场不均匀度及气体压强对SF_6/N_2混合气体极性效应的影响。研究结果表明:在0.1 MPa时,击穿电压随着电极间距的增大而增大,N_2负极性的击穿电压高于正极性的击穿电压,在电极间距为12 mm时,负极性击穿电压是正极性击穿电压的1.71倍,而SF_6气体与N_2极性效应相反,表现为正极性的击穿电压略高于负极性的击穿电压;电极间距为4 mm时,随气体压强的升高负极性击穿电压增大,正极性的击穿电压出现饱和效应甚至出现击穿电压跌落现象,SF_6气体体积分数为20%时,0.4 MPa下的正极性击穿电压是0.35 MPa的91.3%。SF_6/N_2混合气体的极性效应随着混合气体中SF_6气体所占比例的下降发生极性反转现象。

SF6与N2混合气体特征分解产物COF2/N2O的红外吸收特性

目前SF6/N2混合气体作为SF6气体的替代气体已应用于许多电力设备中,而检测这些电气设备发生故障后生成的COF2、N2O等新分解气体有助于开展电气设备的故障诊断。为研究基于红外吸收特性的SF6/N2混合气体典型分解气体的检测技术,利用HITRAN数据库给出的吸收谱线强度、线型函数等参数,对典型组分COF2、N2O的红外吸收特性进行研究;得到了COF2在波数400~2000 cm-1和N2O在波数400~8000 cm-1范围内的红外吸收谱段、最强吸收处的中心波长、吸收系数峰值;并分析了压强和温度对COF2、N2O的强吸收谱的影响。结果表明:这2种分解气体在红外热辐射光源有效谱段1.2~10μm内具有较强吸收,可以用基于红外热辐射光源的光声光谱装置进行检测;且气体吸收谱线的吸收系数随压强的增大而增大,但不同气体增大程度不同;随温度的升高气体主要吸收谱段的峰值吸收系数减小,但也有部分吸收谱段交叠处的峰值吸收系数增大;COF2、N2O在运行条件(505 kPa,温度313 K)下的红外吸收系数大于标准条件(101 kPa,温度296 K)下,运行条件更利于气体检测。

基于分形理论的SF_6/N_2混合气体放电仿真

为了研究SF_6/N_2混合气体电介质击穿现象,利用编写的Matlab程序对放电通道发展过程进行数值模拟,并结合分形几何原理计算放电树枝的分形维数。基于分形理论,建立了考虑空间电荷分布和引入物理时间的棒-板分形放电仿真模型,通过有限元方法(FEM)计算空间电场,并首次结合通量校正传输(FCT)法求解带电粒子连续性方程,研究了不同发展概率指数、不同放电阈值和SF_6含量变化下分形放电特性。结果表明:概率指数越大,SF_6含量越高,则分形维数越小,放电树枝分叉也越少;体积含量50%/50%的SF_6/N_2混合气体放电分形维数D=1.219 2,整个放电过程流注发展平均速度为1.15Mm/s,并得到了不同时刻空间电荷及轴向电场与电子浓度的分布。

-50℃条件下SF_6/N_2混合气体的击穿特性

为研究低温条件下SF_6/N_2混合气体的击穿特性,搭建了温度可控的气体击穿试验系统,采用棒板电极模型模拟GIS内部极不均匀电场,对SF_6/N_2混合气体的工频及雷电冲击击穿特性进行了研究。结果表明:只要保证固定的充气比例和密度下混合气体不发生液化,温度变化对SF_6/N_2混合气体的绝缘性能基本无影响,且SF_6/N_2混合气体的极性效应比纯SF6气体更明显。

SF_6/N_2混合气体绝缘特性的试验研究及理论分析

应用自制的试验模型对SF6/N2混合气体的绝缘能力进行了试验研究,并和纯净的SF6、N2的绝缘能力进行了比较,获得了SF6/N2混合气体在不同比例下的击穿电压与气体间隙距离之间的曲线.经综合比较、分析确定50%SF6+50%N2的混合气体的经济技术指标比较高,可以在电气设备中作为绝缘介质广泛应用.