HTS电力技术应用中低温氮气的绝缘特性研究

张京业 戴少涛 施 飞 赵连岐 朱志芹滕玉平 周微微 王邦柱 许 熙

(1中国科学院电工研究所 北京 100190)

(2江苏中天科技股份有限公司 南通 226463)

1 引言

随着国民经济的快速发展，对电力容量及供电质量的需求不断增加，电网规模越来越大，电网暂态稳定性等问题也越来越突出。针对国民经济和电网的巨大需求，包括超导电缆、变压器、限流器等高温超导电力技术近年来获得了长足发展［1-4］。超导电力装置的电压等级也不断提高，先后经历了380 V实验室原理样机，10 kV和35 kV配电网的并网示范样机，到目前的220 kV甚至500 kV输电网的示范样机［5-7］。

高温超导电力装置的核心部件——超导绕组、电缆导体等大都采用廉价的液氮浸泡以获得运行所必需的低温环境。由于电网运行工况的复杂性，绕组等超导部件要耐受故障短路电流、短时脉冲过电流、瞬时过电压等极端情况，此时由于自身的交流损耗、涡流损耗以及电流急剧过载等因素超导部件瞬间释放大量的焦耳热，导致液氮瞬间汽化，甚至引发密闭低温容器的压力突然增加。这种情况在电阻型超导限流器中表现的尤为突出，因为电阻型超导限流器是采用超导体的状态转变特性，即失超电阻进行故障限流的，在限流过程中伴有大量的焦耳热产生［7-12］。由于氮气的绝缘特性较液氮低的多，大量氮气的形成对超导电力装置的绝缘性能具有致命的影响，甚至会引发绝缘失效。

针对以上情况，本文通过实验系统研究了液面以上低温氮气的绝缘与击穿特性，特别是电极形状和电极间距对低温氮气击穿特性的影响规律;并根据超导电力装置在极端条件下的工况，重点研究了低温氮气压力等因素对击穿特性的影响。

2 实验装置及实验方法

2.1 气体放电理论［13］

气体的放电主要遵循汤逊/J S Townsend气体放电理论和Paschen巴申定律/帕邢定律，气体放电过程中电压与电流的关系如图1所示。

图1 气体放电过程中电压与电流的关系(击穿电压UB，自持放电电压U0)Fig.1 Relationship between current and voltage in discharge process of gases(breakdown voltage UB，self sustained discharge voltage U0)

气体的击穿电压UB计算公式:

把氮气和铜电极参数代入式(1)得到氮气击穿电压:

式(1)、(2)中:UB为击穿电压，V;p为气体压力，托(133 Pa);d为电极之间的距离，cm;T为热力学温度，K;公式适用范围:pd≤200(cm×133 Pa)。

2.2 实验装置及电极设计

如图2所示，实验装置的容器采用非金属材质，筒体具有保温功能;不同形状的电极可以固定在上下电极杆上;下电极杆固定不动，上电极杆可以上下移动，通过容器上方的标尺和联动杆可以精确地调节电极距离;容器上盖板上有增压阀、泄压阀、安全阀和压力表，在确保安全的前提下可以调整容器内气体的压力，压力调节范围(1—5)×105Pa。

如图3所示，下电极与低温容器固定，液氮液面始终在下电极以下;通过上电极的上下移动调节电极间隙的大小;通过液氮的自然蒸发和容器的泄压阀调节低温氮气的压力。

根据相关行业标准，所研制的电极如图4所示，包括4对紫铜球电极，分别为Φ50 mm、Φ100 mm、Φ125 mm和Φ150 mm;不锈钢柱电极1对，Ф75 mm-R3修圆和Ф25 mm-R3修圆;不锈钢针-板电极1对，针电极18度圆锥、板电极Ф300 mm-R5修圆。

图3 低温氮气绝缘特性实验原理图Fig.3 Experimental diagram for dielectric breakdown characteristics of cryogenic nitrogen gas above liquid nitrogen

图4 实验用电极照片及参数Fig.4 Photo and parameters of electrodes for experiment

2.3 实验方法

低温氮气的绝缘特性实验过程中严格按照高电压实验规范和以下步骤进行:

(1)首先选用合适的电极，并把电极固定在上下电极杆上;

(2)装配并密封容器;

(3)容器内注入液氮至没过下电极;

(4)泄压阀打开放置一段时间，通过液氮的挥发排除容器内的杂气，待液面落至下电极以下;

(5)接线:上电极与高压发生器的输出端连接，下电极接地;

(6)调节并固定电极间隙和气体压力;

(7)通过高压测试系统进行实验测试，高压恒定并持续1 min，每个电压值重复测试3次，取平均值。

3 实验结果及分析

利用实验室的200 kV高压试验系统及以上实验装置，系统的研究了电极间距、气体压力、电极形状等对高纯氮气绝缘特性进了系统的实验研究，主要结果如下:

3.1 电极间隙对低温氮气击穿特性的影响

首先利用一对Φ150 mm的球电极并固定球间距为3 mm，测试1 min工频耐压，3次击穿电压的平均值为36.2 kV。然后逐渐增大电极间距，重复测试，获得实验结果如图5所示。可见，随着电极间隙的增加，由于球间隙的电场均匀性变差，氮气击穿电压并非线性增加;如图6所示，这种现象在柱电极的测试结果中表现的更为突出。

图5 低温常压氮气在Φ150 mm紫铜球电极下的击穿电压随电极间距的变化规律Fig.5 Testing results of breakdown voltage with electrode gap for cryogenic nitrogen gas at atmospheric pressure with Ф150 mm ball electrodes

图6 常压低温氮气在柱电极下的击穿电压随电极间距的变化规律Fig.6 Testing results of breakdown voltage with electrode gap for cryogenic nitrogen gas at atmospheric pressure with column electrodes

实验结果说明，电极间隙的大小对低温常压氮气的击穿电压影响显著，距离越大击穿电压越高。

3.2 压力对低温氮气击穿性能的影响

电极间隙固定为10 mm，用柱电极和针板电极分别实验，逐渐增加氮气的压力，氮气的击穿强度随压力的变化规律如图7所示。可见，在电极距离固定不变的情况下，随着气体压力的增加，氮气的击穿强度呈线性增加。

图7 在电极间隙固定为10 mm情况下，柱电极和针-板电极的低温氮气击穿电压随气体压力的变化规律Fig.7 Breakdown voltage of cryogenic nitrogen gas as a function of pressure for column electrode and needle-plate electrodes with gap of 10 mm

图8为不同电极情况下，低温氮气的击穿电场强度随气体压力的变化情况。由实验结果可以看出:气体压力相同时，针-板电极的击穿电场强度最小，柱电极次之，球电极的最大击穿电压差别很小;相较于球电极，针-板电极的击穿电场强度随气体压力的变化斜率最小，柱电极的次之。随着气体压力的增加，不同形状的电极具有相同的变化规律:击穿电场强度随气体压力的增加不断增大。

图8 低温氮气在不同电极情况下，击穿电场强度随气体压力的变化规律Fig.8 Breakdown strength of cryogenic nitrogen gas as a function of pressure with different electrodes

以上实验结果说明，气体压力对低温氮气的击穿电压影响明显，击穿电压随气体压力线性增加。

3.3 电极形状对低温氮气击穿性能的影响

图9给出了低温氮气在Φ150 mm球电极和柱电极情况下，击穿电压随电极间距的变化情况的实验结果。由图可以看出:相同电极间距情况下，球电极的击穿电压较针-板电极高很多;球电极随电极间距增加的斜率较针-板电极的斜率大的多。

图9 低温氮气在Φ150 mm球电极和柱电极情况下，击穿电压随电极间隙的变化规律Fig.9 Breakdown voltage of cryogenic nitrogen gas as a function of electrode gap for Φ150 mm ball electrodes and column electrodes

图10给出了不同电极击穿电场强度的实验结果。通过实验结果可以看出，在电极距离相同的前提下，不同电极形状的击穿电压差别很大，针-板电极最小，柱电极次之，而球电极的击穿电压近似。

图10 电极形状对低温氮气击穿电场强度的影响Fig.10 Breakdown strength of cryogenic nitrogen with different electrodes

以上实验结果说明:电极形状对低温氮气的击穿电压影响显著，电极间隙的电场越均匀，击穿电压越高，如图10所示，4×105Pa压力下电极距离同为10 mm，冷氮气在针-板电极的击穿电场强度仅为5.08 kV/mm，柱电极的高达14.58 kV/mm;电极间隙的增大引发电场均匀性变差的，单位长度的耐压强度随长度的增加而降低，不改变电极间隙电场均匀性的，单位长度的耐压强度随长度的增加保持不变，如图9所示;气体压力改变的情况下，电极间隙电场越均匀，击穿电压越高的规律同样成立。

4 结论

液氮广泛用作超导电力装置制冷剂的同时，还肩负着高电压绝缘介质的作用。本文通过实验系统研究了低温氮气的高电压击穿特性及影响因素，得出气体击穿电压随电极间距的变化规律、气体压力对氮气击穿特性的影响及变化规律、电极形状以及电场均匀性对氮气击穿电压的影响规律等。本文可为高温超导电力装置，特别是电阻型超导限流器在短路故障、短时脉冲过电流等导致液氮瞬间汽化、气体快速升温情况下，电力装置的绝缘设计提供理论与实验依据。

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