SF_6/N_2混合气体绝缘性能及其放电的光谱特性研究

发布时间：2016-06-29 22:08

第 1 章 绪论

1.1 课题研究背景及意义
气体是电力系统中最常见的绝缘介质，它具有良好的绝缘自恢复能力等优点，尤其是压缩气体在各设备绝缘中起到了关键作用。气体绝缘变电站（Gas  Insulated Switchgear，GIS）是超/特高压电网中的重要组成设备之一，它将一座变电站中的断路器、电流互感器、电压互感器、避雷器、隔离开关、接地开关、母线、电缆终端、进出线套管等优化设计后分别装在各自密封间中，最后集中组装在一个充以 SF6作为绝缘介质的整体外壳中。与传统的敞开式高压开关设备相比，GIS 具有占地面积小、占用空间小，不受外界环境条件的影响，不产生噪声和无线电干扰，运行安全、可靠且维护工作量少，抗震性能好的优点[1-2]。气体绝缘传输线（Gas-insulated transmission line，GIL）是一种使用气体作为绝缘介质的输电管道，结构上与 GIS 中的母线相类似。与高压电缆和架空线路相比，有着载流量高，允许大容量传输；电容比电缆小；电阻和电容损耗低；过载容量较高；出现内部电弧时不会对外部环境造成破坏；外部电磁场强度非常低；冷却费用低；免维护；可靠性高；使用非燃烧性材料，没有火灾危险；不易老化等优点。因此 GIL 可以应用在空间有限而无法采用架空输电线路的地方，如城市人口稠密区；还可以用在由于环境等原因不允许使用架空输电线路的地方，如风景区等[3-4]。目前 GIS 和 GIL 在运行时充入的气体均为 SF6气体，极大的提到设备的绝缘能力和电网的输电能力的同时，还极大的降低了输电损耗，对特高压输电技术的发展起到了极大的推动作用。 SF6气体因具有优异的绝缘和灭弧性能被广泛的使用在高压绝缘及断路设备当中。SF6是一种合成气体，1900 年由法国化学家 Moissan 和 Lebeau 第一次由氟和硫反应而产生出六氟化硫气体（SF6）。纯 SF6具有极佳的物理特性，它是无色、无味、无毒和不可燃的卤素化合物气体，其化学性质稳定，并具有很强的电负性，决定了 SF6气体具有优异的绝缘和灭弧性能。在均匀电场下，SF6气体的绝缘强度为同等条件下空气绝缘强度的 2.5-3 倍，灭弧性能是空气的 100 倍[5]。SF6气体作为最理想的绝缘和灭弧介质，成为了高压电器中重要的绝缘介质[6-7]。
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1.2 国内外研究现状 
SF6混合气体的研究起步较早，通过测量气体的击穿电压研究气体的绝缘能力，采用发射光谱法测量气体放电时的光谱信息，分析电弧等离子的光谱信息，从而获得气体放电过程中的电子温度和电子密度等微观参量信息，从微观和宏观相结合的角度对SF6及其混合气体放电的等离子体进行研究。根据光谱参数得到气体放电时形成放电通道的电子温度和电子密度，进一步分析等离子体通道的电导率等参量信息。针对 SF6气体性能的缺陷和不足，国际上各大气体绝缘开关设备生产厂家和电力部门正在合作开发新型的 SF6混合气体为绝缘介质的电力设备。德国的达姆斯塔特工业大学、日本的东京大学、加拿大的曼尼托巴大学等高校近年来也对此方向展开大量的专题研究，并取得了一定的进展[9-12]。 目前对 SF6替代气体的研究结果表明，在 SF6气体中添加适当的其他气体，可以保持较好的绝缘性能，减少 SF6气体使用量，改善 SF6气体的液化温度高、对电场不均匀性敏感的缺陷。国内外关于 SF6混合气体研究较多的是 SF6/N2、SF6/CO2、SF6/空气以及 SF6/CF4混合气体[13-16]。随着理论研究的深入，SF6/N2混合气体作为绝缘介质的电力设备也在实际工程得到了部分应用，世界上第一条 SF6/N2混合气体绝缘传输线于本世纪初期在瑞士日内瓦国际机场投入运行[17]，其绝缘气体中 SF6含量仅为 20%，减少了对环境的影响并大幅度降低了 GIL 的建设成本。法国电力公司与 ABB 公司合作开发长距离的 SF6/N2混合气体 GIL 来替代该国 420kV 架空输电线路[18]，以消除架空输电线路对环境造成的负面影响。 我国开展 SF6混合气体研究起步比较早[19]，国家自然科学基金委员会也曾有一系列的资助。国内部分高校对 SF6及其混合气体展开了大量的研究，西安交通大学曾与国内生产厂家合作先后开发了 SF6混合气体绝缘变压器、电容器以及开关柜等电力设备，但 SF6含量在混合气体中所占的比例至少在 85%以上。上海交通大学在研究混合气体的基础上，研究了 SF6气体替代气体的八氟环丁烷（c-C4F8）的绝缘性能，但 c-C4F8致命的缺点是液化温度更高，并且价格也非常昂贵，张刘春[20]在论文中研究了 SF6替代气体 c-C4F8 及其混合气体的绝缘性能；沈阳工业大学高电压与电力系统研究所针对SF6/N2及 SF6/CF4等混合气体也展开了大量的研究[21-24]。国内的其他一些高等院校也对SF6及混合气体进行了相关的研究[25-28]。由于 N2具有化学性质稳定、液化温度极低、价格低廉易获取、清洁无污染等优点，并且 SF6/N2混合气体具有较强的绝缘性能，因此 SF6/N2混合气体具有较高的研究价值。 
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第 2 章 SF6/N2混合气体放电的发射光谱分析原理 

等离子体是指含有大量电子和带电粒子的电离气体，对外表现为电中性，被称为物质的“第四态”。当气体间电场强度达到临界击穿场强后气体会发生击穿，产生电弧等离子体，采用发射光谱法对电弧等离子体进行诊断，通过分析光谱的波长、光强和半高宽度等，得到电弧等离子体的电子温度和电子密度等微观参量。 

2.1 光谱分析基础 
原子的发射光谱是组成物质的原子结构及其特征的反映，对其谱线的波长与强度的关注是光谱分析的基础，按其特征谱线的波长可以对该原子的存在进行鉴定和分析。在原子光谱分析中[59]，通常是根据元素灵敏线进行元素的检出和测定，元素的灵敏线一般均是强度较大的一些谱线，通常具有较低的激发能和较大的跃迁几率。元素灵敏线及其波长分布，同样与原子或离子的能级结构存在着规律性联系，灵敏线的波长取决于参加辐射跃迁的高低能级的能量差，越容易激发的元素，其灵敏线越长，越难激发的元素，其灵敏线的波长越短，对于多数易激发元素，其灵敏线多发分布于近红外及可见区，难激发非金属元素灵敏线多分布在远紫外区，而绝大部分具有中等激发能的元素，其灵敏线则分布于近紫外区。 通过对发射光谱谱线波长分析可以判断它由哪个元素所发射的，光谱的定性分析便是通过对发射谱线的波长进行确定，以判断等离子体中含有哪些元素。常用的方法有光谱比较法、波长测得法和“全谱”拍照法等。光谱比较法是将测得的光谱线与标准波长表进行比较，从而确定是否为某元素的谱线；波长测定法是依据位置谱线处两条已知元素的谱线中间，这些谱线波长十分接近，因此谱线波长可由线间距用比长仪准确测量来确定，再根据波长的数值由谱线表中查出该谱线所属元素；“全谱”拍照法是以中阶梯光栅及棱镜双色散系统的光电直读仪上，由于具有多条谱线同时测定的功能，在仪器上预先引入单元素的标准，计算机锁定每个元素的谱线的精确位置与含量，并储存工作曲线，当记录下所含元素发出的谱线后，通过计算机软件的谱线识别功能，对所含元素进行识别[59]。
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2.2SF6/N2混合气体放电的电子温度测量
电子温度是表征等离子体性质的一个重要参数，等离子体的电子温度是影响谱线强度的最重要的因素，对于局部热力学平衡或热力学平衡的等离子体，测量电子温度对于研究等离子体的基本特性具有十分重要的意义[63]。测量等离子体的电子温度通常采用双谱线法或多谱线斜率法。 电子密度是表征等离子体放电的又一重要参数，根据流注理论，当气体在强电场下发生电离时，电离出的电子在电场的作用下沿着电场线方向运动，进一步的发生碰撞和电离，最终形成电子崩。计算电子密度的方法主要有 Saha 方程法和谱线加宽方法等[64-66]。 在局部热力学平衡条件下，等离子体通道内部粒子的速度分布满足 Maxwell 分布、各带电离子和原子之间满足 Saha 分布、各能级服从 Boltzmann统计分布，这样就建立起辐射量和等离子体各参量之间具有明确物理意义的定量关系。在局部热力学平衡体系中，等离子体内部同种元素离子和原子的浓度由电离度决定，即电离度决定了等离子体内部的粒子数分布，这一分布可以通过 Saha 方程来描述，从而得到电子密度的表达式[67]。 
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第 3 章 SF6/N2混合气体实验装置与测量回路 ........... 14 
3.1 SF6/N2混合气体实验装置 ....... 14 
3.1.1  高压电源........... 14 
3.1.2  密封气室........... 14 
3.1.3  气体混合与回收装置....... 15 
3.1.4  实验电极........... 17 
3.1.5  电压和光谱的检测装置........... 17 
3.2 SF6及 SF6/N2混合气体实验数据测量 .... 19 
3.2.1  光谱实验测量回路........... 19 
3.2.2  极性实验测量回路........... 20 
3.3  本章小结 .... 21 
第 4 章 均匀电场下实验结果与分析 .......... 22 
4.1  均匀场下击穿电压测量与分析 ....... 22 
4.2 SF6及 SF6/N2混合气体放电的光谱测量与计算 ..... 25 
4.3  光谱实验结果与分析........29 
4.4  本章小结....41 
第 5 章 不均匀场下击穿电压测量与分析 ..........43 
5.1 不均匀电场的电气特性....43
5.2  实验结果与分析........44
5.3  本章小结....50 

第 5 章 不均匀场下击穿电压测量与分析 

工程中各电气设备中广泛的存在不均匀电场的结构，气体在不均匀电场下存在着极性效应，极大的削弱了设备的绝缘能力。中压开关领域的气体绝缘设备面临着向小型化的方向发展的挑战，由于 SF6/N2混合气体具有较好的绝缘能力，具有较好的工程实用价值，对 SF6/N2的棒-板电极下产生不均匀电场时正负极性的击穿电压进行实验测量，研究其极性效应，并对工程实践提出指导意义。 

5.1 不均匀电场的电气特性 

不同的电极形状对极间电场分布会产生很大的影响，本文对所使用的棒-板电极，进行静电场仿真计算，得到本实验电极间距与电场不均匀系数的对应关系，进而分析SF6及 SF6/N2混合气体极性效应与电场不均匀度的关系。从图 5.3 中可以看出，棒-板电极下，当气体不发生游离时电场强度最大的区域分布在棒电极的端部，靠近平板电极时电场分布趋向均匀。经仿真计算得到在不发生游离时正负极性的电场分布与棒电极的极性无关，且随着电极间隙距离的增加，电场分布越不均匀。 对于电极形状不对称的棒-板间隙，击穿电压与棒的极性有着很大的关系，这就是极性效应[74]。当棒-板电极加上电压后，曲率半径小的棒电极附近的电场强度最大，如果此处的场强超过气体电离所需的电场强度时，气体开始电离产生电子和正离子，由于正空间电荷的出现会对外电场的分布产生畸变作用，导致棒-板电极下正极性的击穿电压与负极性的击穿电压不同[75]。目前理论上分析气体的极性效应仅考虑正空间电荷对外电场的畸变，没有将电负性气体电离会产生负离子的情况考虑进去，对于电负性气体较强的 SF6气体不完全适用。因此本文将结合所得实验结果，对比不同混合比气体的极性效应，分析研究 SF6/N2混合气体的极性效应。

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结论 

本文通过设计和搭建实验回路，采用实验的手段，对 SF6及 SF6/N2混合气体的绝缘性能和放电时等离子体通道的光谱特性开展研究，得到以下结论： 
（1）SF6与 N2混合后具有良好的绝缘性能，SF6及 SF6/N2混合气体的击穿电压与气体压强和极板间隙距离成线性增长关系，0.3MPa 时当混合气体中 SF6混合比仅为20%时，其击穿电压可达到相同条件下纯 SF6气体的 72%  ，若继续提高 SF6混合比，混合气体的绝缘性能提高不明显；混合气体中 SF6混合比为 20%时具有较高的工程实用价值，可极大地减少 SF6的用气量并降低了其液化温度，增强气体绝缘设备在高寒地区的适用性。 
（2）保持电极间距不变，气体压强为 0.1MPa-0.4MPa 时，SF6、N2及 SF6/N2混合气体放电时测得电弧等离子体的光强均随着气体压强的升高逐渐增大，电子温度逐渐减小，电子数密度增大，等离子体通道内的电导率逐渐增大。保持压强不变，SF6及SF6/N2混合气体完全击穿时的光强随着间隙距离的增大逐渐增大，等离子体通道的电子温度、电子密度及电导率基本保持不变。保持电极间距和气体压强不变，随着混合气体中 SF6混合比的升高等离子通道内的光强逐渐增强，电子温度逐渐升高，电子数密度和电导率逐渐下降。 
（3）SF6及 SF6/N2混合气体在极不均匀电场中存在极性效应，相同实验条件下的正极性的击穿电压大于负极性的击穿电压，与 N2的极性效应完全相反，称之为反极性；当 N2中加入少量的 SF6气体后，明显的削弱了 N2的极性效应，，使得混合气体的极性效应不明显，随着气压的升高，SF6/N2混合气体的正极性击穿电压曲线出现饱和趋势，在 0.3MPa-0.4MPa 间出现“鞍马效应”，极性效应减弱，当 SF6:N2为 20:80 时，随着气压的升高在 0.25MPa 时出现了极性反转的现象。 
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参考文献(略)  

本文编号：63479