应用SF6与N2混合气体的气体绝缘封闭开关壳体压力与电场强度研究

王凤智, 楼 丹, 傅正财

1. 上海交通大学 电子信息与电气工程学院 上海 200240 2. 上海西门子高压开关有限公司 上海 200245

1 研究背景

现有气体绝缘封闭开关(GIS)的设计是依据绝缘介质为100%SF6进行的，近些年，GIS产品导体及壳体的设计原理并无变化，简言之，GIS产品的设计是成熟设计[1]。但是由于SF6是温室气体并难以分解，因此越来越多的厂家正在研究新气体或者混合气体以替代SF6。混合气体的应用可有效减少SF6气体排放量，而对生产厂家而言，混合气体的使用还需要兼顾产品成本[2]。因此，在不更改设计的前提下，能实现混合气体的应用尤为重要。笔者就典型 550kV 母线段的设计进行分析，结合产品的电场仿真和压力试验两个因素，计算出合理的30%SF6、70%N2条件下的充气压力，同时通过型式试验验证仿真计算结果。

2 气体含量比例对介电性能的影响

SF6是具有良好介电性能的气体，负电性和二次复合特性是其广泛应用于高压开关设备的重要原因。与SF6混合的气体有CF4、N2等，已有试验结果表明，N2在绝缘性能上优于CF4，而CF4在灭弧性能上优于N2[3-5]。因此在静态模块中，SF6与N2的组合被广泛应用，比如在气体绝缘输电线路产品中，选择20% SF6、80% N2作为绝缘气体[6-7]。对于GIS而言，其内部电场均匀程度明显低于气体绝缘输电线路产品，这是由于GIS在模块设计中很难实现同轴圆柱电场，同时更多的铸造零件出现在主回路中也增加了电场分布的不均匀程度。基于对混合气体的研究，在表压 4bar(1bar=0.1MPa)状态下，不同SF6百分比的混合气体最高电场强度如图1所示。

图1 混合气体最高电场强度

由图1可见，伴随SF6含量的变化，其绝缘性能也有所变化，这种变化并非线性变化。因此，在选择气体比例时应综合考量模块的绝缘性能和壳体的机械性能两方面需求，通过计算和试验找到两方面需求的平衡点。

3 壳体设计压力与模块电场强度

降低SF6含量或提高充气压力是混合气体应用于现有产品而不进行产品壳体设计更改的两种方法，同时，SF6含量的减小必然导致绝缘能力的下降，而保持绝缘能力则需要提高充气压力来弥补。对生产厂家而言，设计出能够兼顾使用100% SF6和SF6混合气体的产品才是最优选择。因此，首先需确认现有产品壳体压力的设计裕度。

针对相关模块壳体的爆破试验汇总结果见表1，可见母线所涉及的壳体均有良好的裕度，即便设计压力有所提升，也并不影响产品的性能。而绝缘子自身的设计压力也已满足提升压力的需求。表1相关壳体中，爆破的最低压力出现在膨胀节壳体，其爆破值为4.14MPa。因此初步核算设计压力应在8bar及以下，可降低爆破试验失败的风险。

表1 壳体爆破试验结果

对于最低功能压力，通常是根据模块的电场状况确定的。由于在应用混合气体的状态下要尽量维持原设计不变，因此最低功能压力要尽量保证绝缘裕度。为了正确评估产品状况，针对典型静态模块进行仿真，电场分布较不均匀的模块出现在T型模块上。由于该模块设计大部分采用铸造零件，在一定程度上限定了混合气体母线的最低功能压力。图2所示为T型模块电压及电场分布仿真结果，可见对于铸件而言，其电场强度在27.6kV/mm左右。

图2 T型模块仿真结果

图3所示为100% SF6气体和30%SF6、70% N2混合气体在不同充气压力下的允许电场强度[8-11]。根据铸件在4bar、100%SF6气体中的最大场强推算，在30%SF6、70% N2混合气体中如需获得与100%SF6气体同等的绝缘能力，其最低功能压力需要从4bar提升至5.5bar。

图3 气体允许电场强度

通过电场计算确认30%SF6、70%N2混合气体压力在5.5bar及以上可以满足绝缘的需求。在 20℃ 时额定充气压力需考虑两方面，一方面是产品本身的泄漏，另一方面是SF6密度继电器自身的误差[12-15]。在确认最低功能压力后，可计算20℃下额定的充气压力Prm：

=5.839bar≈6bar

式中：Pmm为最低功能压力，Pmm=5.5bar；l为泄漏率，l=0.1%；n为工作年限，n=25a；0.2bar为密度继电器精度误差。

在GIS带电运行状态下，主回路电流产生热量导致壳体温度升高，根据国家标准规定，该温度的升高不得超过国家标准允许的范围。由于壳体为可触及部分，因此最大温升值为30K。在同等体积下壳体内部的压力会随温度的升高而升高，有：

(1)

式中：P1为常温压力，P1=6bar(相对压力)，7bar(绝对压力)；T1为20℃时的热力学温度，T1=273+20=293K；T2为温升状态下的热力学温度，T2=273+Tmax=353K；Tmax为最高温度，Tmax=Tworking+S+ϑ=40℃+10℃+30℃=80℃；Tworking为环境温度；S为太阳辐射引起的温升；ϑ为壳体温升允许值。

由式(1)推算，P2=P1T2/T1=8.43bar(绝对压力)。此处考虑理想气体状态方程与实际温升状态略有差异，并考虑足够裕度，取最大功能压力为8.5bar(绝对压力)，设计压力Pd圆整为8bar(相对压力)。

在提高壳体的设计压力及开关设备的额定充气压力后，和压力相关的设备也需要重新进行校核，并选择合适的型号，因此对防爆膜的压力进行如下核算[16-17]：

防爆膜最低爆破压力Pbmin为：

Pbmin=Pd×100%/85%=9.41bar

防爆膜最高爆破压力Pbmax为：

Pbmax=Pbmin×(1+10%)=10.35bar

防爆膜爆破压力Pbmid为：

Pbmid=(Pbmin+Pbmax)/2=9.88bar

由此根据产品的状态，确定最低功能压力为5.5bar，壳体设计压力为8bar，其防爆膜的爆破范围应在9.4～10.4bar范围内。根据计算得出的防爆膜压力范围，替换原产品使用的防爆膜以满足混合气体对压力的要求。同时根据设计压力Pd核算爆破试验压力。

铸件壳体的爆破压力Pb1为：

Pb1=Pd×3.5÷0.8÷0.875=40bar

铸造壳体并焊接壳体的爆破压力Pb2为：

Pb2=Pd×3.5÷0.7=40bar

4 型式试验验证

基于前述计算分析的结果，使用30%SF6、70% N2混合气体，在现有产品无任何更改的前提下，模块的最低功能压力从原有的4bar提升至 5.5bar，故可使用30% SF6、70% N2混合气体替代100% SF6气体。试验样机布置考虑母线结构中涉及的相关模块，如波纹管、膨胀节，以及不同形态的T型模块。

雷电冲击试验的充气压力为5.5bar，为母线及相关模块的最低功能压力。混合气体中SF6含量为28.4%，N2含量为71.6%。试验电压为 1675kV，雷电冲击耐受电压试验结果见表2。由试验结果可见，该混合气体状态下可以保证绝缘裕度。同时，该试验样机的操作冲击、工频耐压和局部放电试验也均满足国家标准要求[18-19]。

表2 雷电冲击耐受电压试验结果

爆破试验结果见表3，壳体的爆破试验结果与之前的分析结果基本相同。绝缘子的设计压力为 8bar，其试验结果在34～48bar之间，显示性能非常优异。壳体和绝缘子的爆破试验现场如图4所示，比照前述的壳体设计压力计算和过往试验记录，确认两者的结果一致。

表3 爆破试验结果

图4 爆破试验现场

5 结论

从试验和计算结果两方面来看，30%SF6、70%N2混合气体在静态模块中可以替代100%SF6气体应用于GIS产品。综合考量设计与成本，在不更改现有设计的情况下，合理应用混合气体，在裕度许用范围内提高壳体的设计压力，以改善混合气体带来的绝缘性能下降。

在应用新的技术时，最有效的方法是研究原有技术和新技术的差异，从而节约研发成本。考虑功能和成本的要求，应综合考虑壳体设计强度和电场强度，并对结果进行联合分析。

合理的SF6混合气体比例可以保证GIS的绝缘强度，在静态模块，如通管、T型模块等中可以达到预期的绝缘强度。合理的SF6混合气体比例应根据现有产品的设计及零件的表面状况进行评估。值得注意的是，铸造零件的应用增大了零件质量控制的难度，在使用时应关注铸造零件的表面质量。

合理的SF6混合气体比例可以在不更改壳体设计的同时满足提升设计压力的需求。GIS产品兼有100%SF6气体和30%SF6、70%N2混合气体作为绝缘介质的功能，将有效降低生产厂家的制造成本。

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