SF6/N2混合气体微观电弧特性研究

李 静　郑 浩　曹云东　于龙滨



SF6/N2混合气体微观电弧特性研究

李 静1郑 浩1曹云东1于龙滨2

（1. 沈阳工业大学电气工程学院，沈阳 110870；2. 国网东北电力科学研究院有限公司，沈阳 110003）

氮气（N2）易获取、无污染、在不均匀电场下有很高的稳定性等特点，采用SF6/N2混合气体替代有强温室效应的六氟化硫（SF6）气体逐渐成为研究的热点，并且在部分电气设备中已经有所应用。本文以气体动力学方程为基础，考虑了带电粒子的碰撞，仿真得到SF6/N2混合气体电弧形成过程及其中微观电子密度的时变规律，并分析了混合气体组分对电弧形成过程的影响，从微观上加深了对SF6/N2混合气体特性的认识。

SF6替代气体；微观电弧；鞘层；动态过程

在高压领域内，SF6气体作为最理想的绝缘和灭弧介质，被广泛应用于电力设备中[1-2]。然而，由于SF6具有极高的温室效应，已被列为6种受限制使用气体之一[3-4]。因此，寻找绝缘性能与SF6相当而温室效应指数低的新气体具有重要意义[5-7]。N2由于具有低成本、无温室效应、液化温度低、不均匀电场下稳定性强等特点，所以成为实验和研究的焦点[8-9]。以SF6/N2混合气体作为绝缘介质的电气设备也逐渐应用于实际中[10]。

目前对于混合气体的研究大多数学者采用实验的方法来分析其绝缘特性，直接利用实验测量混合气体的击穿电压等参数，虽然能够直观的反应气体的耐电强度，但缺少一定的理论依据，不能从根本上解决混合气体的击穿问题。同时实验受外界影响较多，且不能保证每次实验的影响因素相同，因此结果的随机性较大。气体被击穿后，电离通道由于带电粒子的撞击温度上升，电击穿转化为稳定的热击穿，最终形成稳态电弧。在这一过程中，击穿通道在热电离开始前，温度较低，等离子体为冷态，被称为弧前过程。弧前过程是电弧产生的基础，弧前过程中形成的微观粒子空间分布对稳态电弧能量起决定性作用，从本质上决定了气体的绝缘特性，也是研究气体击穿的根本所在。本文建立简化开关平板电极模型，通过仿真得到SF6/N2混合气体的弧前动态过程，分析了SF6含量对于SF6/N2混合气体电弧形成的影响。

1 仿真模型

1.1 数学模型及假设条件

本文基于如下假设建立数学模型：①开关断开后，气体均匀分布于平板电极；②忽略空间光电离；③忽略重离子及电子等微观粒子的扩散运动，仅考虑迁移运动；④气体混合后原气体碰撞截面及碰撞特性不发生改变。

数学模型基于气体动力学的Boltzmann方程，考虑带电粒子的碰撞后，近似将其描述为以时间和空间维度为基础的电子数密度及平均能量的漂移扩散方程，如式（1）至式（4）所示。

混合气体内部的电场强度通过泊松方程式（5）和式（6）求解，即

1.2 计算模型及参数设置

将开关简化为二维轴对称的平板电极，建立如图1所示的模型，其中表示高电位阳极，表示零电位阴极（两电极均为金属电极），触头长度= 20mm，间距=5mm。

仿真分析了SF6/N2混合气体电弧弧前动态过程，并假设开关断开前触头间气体已处于热力学平衡状态。仿真过程中主要用到了阴极表面发射边界和阴阳两个电极的导体边界。仿真主要参数见表1。

图1 简化开关平板电极模型

表1 弧前动态过程主要仿真参数

1.3 气体碰撞方程与碰撞截面

弧前过程从微观上解释是气体电离的过程，这一过程的时间极短，带电粒子与中性粒子的碰撞频率很高，影响粒子在空间的概率分布。SF6与N2的碰撞方程及对应截面如图2和图3所示。

图2 SF6气体碰撞截面

图3 N2气体碰撞截面

其中SF6+、SF5-、SF6-、N2+代表重离子；SF6s代表SF6激发态分子；N2s代表N2激发态分子；SF6气体发生起始有效碰撞所需的能量比N2低，随着能量增加，当N2也达到可发生有效碰撞的能量时，发生有效碰撞的几率大于SF6。

2 SF6/N2混合气体弧前动态过程

在电弧形成初期，触头间粒子碰撞电离形成局部等离子体，初始电子浓度为1013/m3，图4至图6显示了80%～20% SF6/N2混合气体电弧通道形成过程中电子密度动态的变化过程。

图4 t=0.5ns时SF6/N2混合气体电子数密度分布

图5 t=0.4ms时SF6/N2混合气体电子数密度分布

图6 t=0.7ms时SF6/N2混合气体电子数密度分布

触头断开后，电极间电子、离子均匀分布，净空间电荷为零。随着电极间电压逐渐升高，电子在电场作用下从阴极加速向阳极运动，期间不断与中性分子碰撞并发生电离，使空间电子数量倍增，如图4所示。

伴随碰撞电离的发生，一部分电子在阳极附近不断被吸收，而SF6+、N2+运动速度较慢未到达阴极，因此空间电荷密度越来越大，SF6+、N2+距离阳极位置较近，阳极区电场的畸变程度大于阴极，空间电荷积累形成的内电场逐渐增大，最后使近阳极区的电场强度改变方向，在反向电场作用下，大规模电子被隔离，形成阳极鞘层，如图5所示。

阳极鞘层外的中性粒子与大量电子发生碰撞电离，高电荷密度中心由阳极向阴极发展，碰撞发生到一定程度时，电子能量下降，电子沿电场方向被加速，无法停留在阴极，使该区域正离子数远大于电子数，形成阴极鞘层，如图6所示。

3 SF6含量对电弧形成的影响

在电弧形成过程中，鞘层区是电子能量最高的区域，鞘层边缘是电子发生碰撞最频繁的位置，也是新生离子最多的位置，而新生离子的增加大大加强了电弧的场强，是电子能量提升的源泉[11]，对于电弧的形成至关重要，鞘层形成时间越长，电弧形成得越困难，越不容易击穿，绝缘性就越强，即可以通过鞘层形成时间得快慢来反映气体绝缘性得强弱。本文对相同条件下不同SF6含量的混合气体进行仿真，得出电弧阳极鞘层形成的时间，如图7所示。

图7 SF6/N2混合气体阳极鞘层产生时间随SF6含量变化曲线

由图可以看出，相同条件下，SF6含量越高，其弧前鞘层形成时间越长，当SF6含量超80%时，时间增加已不明显，接近饱和值（纯SF6气体电弧鞘层产生时间），即SF6含量超过80%时，气体绝缘性能已趋近饱和。这与前人实验所得结论一致[12]。

产生这一现象的原因一方面是N2电离能力较强，另一方面是SF6具有吸附性，N2电离产生的电子被SF6气体分子吸附，使电离后的正、负离子再次复合，从而抑制放电过程的发展。随着混合气体中SF6含量的增加，电离出的可吸附电子数量逐渐减少，鞘层形成的时间增长趋势逐渐减缓，混合气体绝缘强度也趋于饱和。

4 结论

本文通过建立平板电极模型，从微观角度对SF6/N2混合气体弧前动态过程进行了详细分析，并得出仿真结果。对比不同SF6含量下电弧鞘层产生的时间，SF6含量逐渐增加时，气体绝缘能力的增长也显现出饱和趋势，当SF6含量超过80%时，绝缘性能增加已不再明显。为寻找SF6替代气体提供了理论依据，从气体本质上证明了使用SF6/N2混合气体来代替纯SF6气体的可行性，为进一步研究SF6替代气体打下了良好的基础。

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Research on the Microscopic Arc Characteristics of SF6/N2Gas Mixtures

Li Jing1Zheng Hao1Cao Yundong1Yu Longbin2

(1. Shenyang University of Technology, Shenyang110870;2. Northeast China Electric Power Research Institute, Shenyang110003)

Due to the characteristics of easy access, non-pollution, high stability under the non-uniform electric field in N2gases, using SF6/N2mixed gas instead of SF6which has strong greenhouse effecthas gradually become a research hotspot, and it has been applied in some electrical equipment. This paper is based onthe gas dynamics equation, considering the collision of charged particles. According to simulation, the formation process of the arc of SF6/N2mixed gas and dynamic variation of microscopic electron density are obtained. The influences of components in mixed gases are also analyzed. Besides, from the micro perspective, the discharge process of SF6/N2gas mixtures can be studied deeply.

SF6substitute gases; microscopic arc; sheath; dynamic progress

李 静（1977-），女，博士，讲师，主要从事电器电弧理论与气体放电仿真的研究工作。

国家自然科学基金（51407120）

辽宁省教育厅一般项目（LGD2016029）