N2绝缘介质在中压开关领域的应用试验研究

孙鹏程，王帮田，李炎光，王其中，张 毅，孙广涛

（1.许继集团有限公司，河南 许昌 461000；2.许昌市质量技术监督检验测试中心，河南 许昌461000）

N2绝缘介质在中压开关领域的应用试验研究

孙鹏程1，王帮田1，李炎光1，王其中1，张 毅2，孙广涛1

（1.许继集团有限公司，河南 许昌 461000；2.许昌市质量技术监督检验测试中心，河南 许昌461000）

本文以环保型N2气体作为新型开关设备的绝缘介质，通过工频、击穿特性试验，研究了N2在不同压力、电场结构中的击穿特性。结果表明：随绝对压力的逐渐增加，N2气体的工频和击穿电压增加。此外，根据试验研究以及理论推导，得出了在稍不均匀电场中，N2气体与气体绝对压力之间的关系式。这些研究可为纯N2气体代替纯SF6气体在中压开关领域的应用提供依据。

N2绝缘介质；中压领域；环保；介电强度；击穿特性

0 引言

随着开关技术的不断发展，工程建设复杂程度加大，可利用土地的逐渐减少，小型化、免维护、智能化的开关设备越来越受到人们的青睐，为此，国内外各公司以及科研院所纷纷大力开展充气柜(C-GIS)在中压领域的研制工作。由于SF6气体具有优良的电气灭弧和绝缘性能，当前绝大多数气体绝缘开关设备均采用SF6气体绝缘。但SF6气体具有严重的温室效应，在电弧作用下易分解出有毒气体，且易液化、价格高等缺点都限制了SF6气体的应用[1-6]。

近年来，随着经济社会的发展、环保意识的增强，人们迫切希望使用环保型气体来替代SF6气体。N2是大气的主要组成成分，资源丰富，价格低廉，属于一种非温室效应的环保型气体，不会对环境造成任何影响，此外，使用N2绝缘不仅能降低绝缘介质的成本，减小SF6气体对局部电场畸变的敏感程度，而且还能解决SF6气体的液化问题[6-9]。

在同等情况下N2的绝缘能力只有SF6气体绝缘能力的25%～30%，为了满足绝缘水平要求，需要通过提高绝缘气体的工作压力或增加开关设备的外形尺寸等手段来满足要求。鉴于此，本文首先通过理论计算出不同压力、不同电场结构下N2气体的工频击穿场强和冲击击穿场强，然后再通过试验的方式获取在不同电场结构下、不同压力下N2的电场击穿特性，并对测试数据进行比较和分析，以便实现纯N2气体代替SF6气体在气体绝缘中压开关领域运用的可行性。

1 N2气体工频介电强度

据国内外大量试验研究表明，在工频交流电压下，在稍不均匀电场中纯SF6气体的介电强度可通过如下经验公式[5]得出：

式(1)中，Ed(SF6)为稍不均匀电场下SF6气体间隙介电强度，kV/cm；p为SF6气体绝对压力，MPa。由式(1)可得出纯N2气体在稍不均匀电场中的介电强度：

式(2)中Ed(N2)为稍不均匀电场下的N2气体间隙介电强度，N2气体的临界场强E0=25～30[5]，式(2)中考虑到电场的结构取25，kV/cm；p为N2气体绝对压力，MPa。

在工频交流电压下，稍不均匀电场下的纯N2与SF6气体间隙介电强度曲线如图1所示。

图1 N2与SF6在不同气压下的工频介电强度曲线

2 N2气体冲击介电强度

在冲击电压下，在稍不均匀电场中纯SF6气体间隙介电强度可通过如下经验公式[5]得出：

式(3)中，Ep(SF6)为稍不均匀电场下SF6气体间隙介电强度，kV/cm；p为SF6气体绝对压力，MPa。由式(3)可得出在稍不均匀电场中纯N2气体间隙的冲击介电强度：

式中，Ep(N2)为稍不均匀电场下N2气体的冲击介电强度，E0为N2气体的临界场强，E0=25～30[5]，式(4)中考虑到电场的结构取28，kV/cm；p为N2气体绝对压力，MPa。在冲击电压下，稍不均匀电场下的纯N2与SF6气体间隙冲击介电强度曲线如图2所示。可以看出，在稍不均匀电场下，N2与SF6在不同气压下的冲击介电强度曲线与工频介电强度曲线类似，随压力的逐渐增加，N2与SF6气体间隙的冲击介电强度均逐渐增加。随气体绝对压力的继续增加，冲击介电强度的增速逐渐减缓。在绝对压力为0.37MPa时的N2介电强度与SF6在绝对压力为0.1MPa时相当，介电强度75kV/cm。

图2 N2与SF6在不同气压下的冲击介电路强度曲线

3 N2气体工频击穿特性

不同电场结构对击穿电压值影响非常大，工程上应用的主要是稍不均匀电场，因此通过试验手段来研究稍不均匀电场结构下的工频击穿特性非常必要，这对合理设计气体绝缘开关设备具有重要的指导和借鉴意义。

3.1 试验设备及试验方法

试验设备及其接线如图3所示。安装电极时保证两个电极间的距离d等于10mm，通过改变电极形状模拟在稍不均匀电场结构(不均匀系数f为1.2～1.8)[6]、不同气体绝对压力(在0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5 MPa等9种气体压力)等条件下进行工频击穿试验。试验方法：工频试验电压值升高到约70%预击穿电压后，以4kV/s的速率缓慢上升，直至击穿为止。每类工况分别重复进行3次试验，取其平均值[10-16]。

图3 绝缘气体工频击穿试验电气接线[6]

3.2 工频击穿试验结果分析

通过工频击穿试验测试，N2与SF6气体在稍不均匀电场中的冲击击穿特性如图4所示。可看出，随气体绝对压力的增大，击穿电压升高，在绝对压力约为0.37MPa时的N2的击穿电压与SF6在绝对压力为0.1MPa时的击穿电压相当，击穿电压约为42kV。

图4 N2与SF6在稍不均匀电场结构下的工频击穿电压曲线

由于在工频试验设备上，只能通过电压值来反应气体在不同压力下的工频击穿特性，故需要研究工频击穿电压与气压的关系。现依据式(1)、(2)、本次工频冲击试验数据，以及电场不均匀系数f[5]与工频击穿电压U的关系得出击穿电压UN2：

式中，Ud(N2)为N2气体间隙的工频击穿电压，kV；f为电场不均匀系数；p为气体绝对压力，MPa；d为两电极之间的距离，cm。

4 N2气体冲击击穿特性

在长期运行过程中，气体绝缘开关设备除了要承受长期的工频工作电压以外，还要承受不同类型的冲击电压作用。因此，研究冲击电压下气体的绝缘特性具有重要的实际应用价值。

4.1 试验设备及试验方法

冲击试验设备及其接线如图5所示。可看出，冲击击穿试验的试验条件与工频击穿试验条件相同。试验方法：冲击击穿电压值由 50%升降电压法来得到，取50%击穿概率进行统计，每类工况进行6次试验，取其平均值[10-16]。

图5 绝缘气体冲击击穿特性试验电气接线[6]

4.2 冲击击穿试验结果分析

通过冲击试验测试，N2与SF6气体在稍不均匀电场中的冲击击穿特性如图6所示。可看出，冲击击穿特性与工频击穿特性类似。随着气体绝对压力的增大，击穿电压升高，在绝对压力约为0.37MPa时的N2的击穿电压与SF6在绝对压力为0.1MPa时的击穿电压相当，击穿电压约为50kV。

图6 N2与SF6在稍不均匀电场结构下的冲击击穿电压曲线

依据式(3)、式(4)，试验数据以及电场不均匀系数f[6]与纯N2气体的冲击击穿电压值UN2的关系还可以得出如下公式：

式中，Up(N2)为N2气体间隙的冲击击穿电压，kV；f为电场不均匀系数；p为N2气体绝对压力，MPa；d为两电极之间的距离，cm。

5 结论

1）通过对SF6气体的介电强度理论经验公式的研究，得出了N2气体的介电强度与气体绝对压力的关系式。这为研究N2气体作为绝缘介质在中压开关领域的应用奠定了理论基础。

2）随气体绝对压力的逐渐增加，N2的击穿电压逐渐增大。在绝对压力为0.37MPa时，N2的介电强度与SF6在绝对压力为0.1MPa时相当。因此，在气体绝缘开关设备上可通过适当提高N2气体工作压力的方法来代替纯SF6气体的技术方案是可行性的，这样可有效减少SF6气体使用量，减小温室效应，有效保护环境，支持环保。

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Experiment Research on Application of Insulation Nitrogen in Field of Medium Voltage

SUN Peng-cheng1,WANG Bang-tian1,LI Yan-guang1,WANG Qi-zhong1,ZHANG Yi2,SUN Guang-tao2
(1.XuJi Group Corporation,Xuchang 461000,China; 2.Quality and Technical Supervision and Testing Center of Xuchang,Xuchang 461000,China)

The power frequency test and impulse test are conducted to research the breakdown characteristics of nitrogen under different pressure with nitrogen as the new insulating medium in a non-uniform electric field.The results show that the power frequency and breakdown voltage of the nitrogen increases with absolute pressure increasing.In addition,according to experimental research and theoretical,the relationship between nitrogen and gas absolute pressure is derived in the slightly non-uniform electric field.This study can provide experiment basis in the medium voltage switchgear for nitrogen instead of pure sulfur hexafluoride.The research can provide experiment basis for the application of nitrogen instead of sulfur hexafluoride in the field of medium voltage switchgear.

nitrogen insulated medium; field of medium voltage; environment protection; dielectric strength; breakdown characteristics

TM 21

A

10.16443/j.cnki.31-1420.2015.04.010

孙鹏程（1976-），男，高级工程师，从事环保型气体绝缘开关设备技术、地面自动过分相技术的开发与应用研究造。