准均匀电场下C5F10O/干燥空气与C5F10O/N2的绝缘特性

卓然,柯锟,张跃,傅明利,王邸博,向吉祥,张晓星

(1. 湖北工业大学电气与电子工程学院,湖北 武汉 430068；2. 南方电网科学研究院有限责任公司,广东 广州 510000；3. 武汉大学电气与自动化学院,湖北 武汉 430072)

0 引言

SF6因其优异的绝缘特性及灭弧特性,广泛应用于各类电气绝缘设备中[1—4]。然而,SF6具有很强的温室效应,其温室效应潜在值(global warming potential,GWP)高达CO2的23 500倍,在大气中的寿命超过3 000 a[5—6]。虽然《京都协议书》明确限制SF6的排放[7—8],但大气中SF6的含量仍以每年8.7%的速度增长,其中电力工业领域所使用的SF6气体占全球SF6总产量的80%[9]。为减少其使用量和排出量,国内外的科研工作者们不断寻找可替代SF6的绝缘气体。

替代气体的研究首先是将缓冲气体与SF6进行混合[10—12],但这无法从根本上解决SF6的温室效应。近期,C5F10O因良好的绝缘特性备受研究者关注。C5F10O的分子结构式为CF3C(O)CF(CF3)2,化学性质稳定,GWP值为1,大气寿命仅为15 d[13—15],对环境的影响远远小于SF6。不过由于在常压条件下,C5F10O的液化温度为26.9 ℃[13,16],为满足工程应用环境中不同的液化温度要求,需将其与CO2、N2、干燥空气等液化温度较低的大气成分混合之后再投入使用[17]。

国内外针对C5F10O及其混合气体作绝缘介质的研究已取得了一些成果。文献[17]通过比较准均匀电场下低压C5F10O、C5F10O/干燥空气与SF6直流击穿电压,得知在一定条件下C5F10O/干燥空气能够与SF6的绝缘强度相当,说明C5F10O混合气体有潜力替代中低压电气绝缘设备中的SF6；文献[18]证明了应用液化温度为-25 ℃的C5F10O/干燥空气混合气体可将空气开关柜的额定电压从12 kV提升至24 kV。文献[19]指出C5F10O与O2、CO2的混合物的绝缘强度接近SF6,但其灭弧能力低于SF6至少30% ;文献[20]分析不均匀电场下C5F10O/CO2混合气体的工频击穿特性,得知提高C5F10O体积浓度能够有效提升该气体的绝缘性能；文献[21]分析计算了C5F10O等离子体成分、热力学参数及传输特性,对其灭弧特性进行评估,并在分析C5F10O、SF6、CF4、CO2和N2的分子表面静电势和电气强度的基础上,得知分子表面的正电位面积同绝缘强度具有强相关性；文献[22]利用改进的Deutsch-Märk公式计算了C5F10O的电子碰撞电离截面,对C5F10O气体混合物的绝缘强度进行了进一步研究。

目前国内外关于C5F10O混合气体的气体绝缘性能的研究还有待进一步深入。为更系统地探究C5F10O作为SF6替代气体应用于电气绝缘设备的可行性,文中利用气体绝缘性能测试平台,分析了分别以N2和干燥空气作为缓冲气体形成的C5F10O混合气体的绝缘特性,并同SF6对比,分析了缓冲气体类型、C5F10O分压及气压3个因素对C5F10O混合气体绝缘特性的影响,相关研究成果可为C5F10O混合气体的工程应用提供重要参考。

1 试验平台和条件及方法

1.1 试验平台

试验所用气体绝缘性能测试平台的原理如图1所示。工频变压器副边额定电压为100 kV,副边额定电流为0.5 A,可为试验提供所需的工频电压；保护电阻的阻值为10 kΩ,用于限制绝缘气隙击穿时产生的短路电流,以防损害试验设备；分压电容用于测量反应气室两端的实际电压。

图1 气体绝缘性能测试平台原理Fig.1 Schematic diagram of gas insulation testing platform

反应气室内部采用图2所示的球-球电极模拟准均匀电场,电极材质为黄铜,半径为25 mm,球间隙取2 mm,此时放电间隙为准均匀场,不均匀系数为1.02[23],与设备内电场均匀度一致,因此文中研究结果适用于分析环保气体在设备内运行的绝缘强度。反应气室所能承受的最高气压为0.8 MPa。

图2 球-球电极Fig.2 Ball-ball electrode

1.2 试验条件

实验采用N2和干燥空气来研究不同缓冲气体对C5F10O混合气体绝缘特性的影响。

由于我国南方地区温度一般在-10 ℃以上,而且电力设备应用要求的最低温度为-15 ℃[16],因此C5F10O混合气体若要投入工程应用,必须满足以上2个温度限制。由文献[15]可以得到C5F10O在不同饱和蒸汽压下的液化温度,具体如图3所示。

图3 C5F10O的饱和蒸汽压特性Fig.3 Saturated vapor pressure characteristics of C5F10O

因为C5F10O、N2和干燥空气三者的液化温度相差很大,所以在混合气体中可将这3种气体看作理想气体进行分析[24]。由道尔顿分压定律可知,在理想气体条件下,混合气体中某一成分气体的分压等于该成分气体填充相同体积容器时产生的气压,即混合气体的总气压等于各成分气体的分压之和。因此,C5F10O混合气体的液化温度可看作与C5F10O在相应分压下的液化温度相等。

考虑到电气绝缘设备内部气压要求,本次试验中C5F10O/干燥空气和C5F10O/N2的气压分别设置为0.1 MPa,0.2 MPa,0.3 MPa,0.4 MPa,0.5 MPa,其中C5F10O分压依次设置为15 kPa,25 kPa,35 kPa,45 kPa,测试不同条件下2种混合气体的绝缘特性,并设置N2、干燥空气以及SF6作为对照组。

1.3 试验方法

试验前先用无水乙醇擦拭反应气室内壁,保证内部清洁干燥。安装好球形电极并设置间隙距离后,抽空反应气室,直至内部气压为-101.3 kPa,再充入对应缓冲气体至气室内部为正压,再次将内部抽成真空,如此重复3次,保证气室内部无杂质气体存在。由于C5F10O液化温度远高于N2和干燥空气,充气时应首先通入C5F10O使其分压达到试验设定值,再通入对应缓冲气体,直到反应气室总填充压达到试验设定值。充气完毕后,需将反应气室静置24 h,确保内部混合气体充分混合均匀。

为保证试验的规范性,每隔1 min按动感应调压器,从0 kV逐步升高施加在球-球电极两端的工频电压,升压步长不得超过0.5 kV,直至气隙被击穿。每次记录击穿电压后,需等待5 min使气室内混合气体恢复绝缘强度后再重新加压,保证数据的准确性。为减少偶然误差,每组工频击穿电压数据取10次击穿电压的平均值进行计算分析。

2 C5F10O混合气体绝缘性能分析

2.1 气压对C5F10O混合气体击穿电压的影响

如图4所示,C5F10O混合气体、SF6、N2以及干燥空气的击穿电压均随着气压的增大而增大,且近似呈线性趋势。这是因为反应气室内部总填充压增大后,单位体积内气体分子数目增多,虽然发生碰撞的几率增大,但电子的平均自由行程减少,其在电场中所获动能减少,降低了碰撞电离的概率。增大气压会削弱气隙的气体电离过程,最终导致气隙击穿电压升高。

图4 不同分压下C5F10O混合 气体击穿电压与气压的关系Fig.4 Relation between breakdown voltage and pressure of C5F10O mixture under different pressure

但击穿电压并非随着气压的增大而无限制提升。当气压增大到0.4 MPa以上时,C5F10O/N2的击穿电压随气压增大所呈现的增长趋势出现饱和现象,而同一条件下C5F10O/干燥空气与SF6饱和现象并没有C5F10O/N2明显。

由实验数据可知,C5F10O的加入极大地提高了干燥空气与N2的绝缘强度,例如0.3 MPa气压时,分压为25 kPa C5F10O/N2混合气体的击穿电压是0.3 MPa N2的1.75倍,相同条件下C5F10O/干燥空气的击穿电压是干燥空气的1.78倍。虽然相同气压条件下C5F10O混合气体的绝缘强度弱于SF6,但气压较高的C5F10O混合气体绝缘强度可以与气压较低的SF6绝缘强度相当。例如,0.2 MPa气压,35 kPa的C5F10O/N2击穿电压只有气压为0.2 MPa的SF6的0.75倍,而气压为0.3 MPa的C5F10O/N2是气压为0.2 MPa的SF6的0.96倍。

2.2 C5F10O分压对C5F10O混合气体击穿电压的影响

图5为不同C5F10O分压对混合气体击穿电压的影响。由图5可以看出,随着C5F10O分压的增大,C5F10O/N2与C5F10O/干燥空气的击穿电压逐渐增大。原因为：C5F10O作为一种全氟酮类气体,具有很强的电负性,在电场中运动时易吸附自由运动的电子形成负离子,导致气隙间的电子数目减少。且C5F10O的分子量为266.03,其他条件相同的情况下,分子量越大,其在电场内的运动速度就越慢,吸附了电子的C5F10O负离子越容易与气隙间的正离子发生复合,导致气隙间的正离子数目减少。所以,增大C5F10O分压会减小气隙间的带电粒子数目,从而导致气隙击穿电压升高。

图5 C5F10O混合气体击穿电压与C5F10O分压的关系Fig.5 Relation between breakdown voltage of C5F10O mixture and C5F10O partial pressure

为定量分析C5F10O分别对N2与干燥空气绝缘强度的影响情况,定义绝缘强度提升相对值p为同一气压下缓冲气体加入C5F10O前后击穿电压之差与缓冲气体原击穿电压的比值,即:

p=(Up-U0)/U0

(1)

式中：Up为一定分压下C5F10O混合气体的击穿电压；U0为同一气压下缓冲气体的击穿电压。p值越大,C5F10O对缓冲气体绝缘强度的提升效果越好。不同条件下C5F10O对2种缓冲气体绝缘强度提升相对值如表1和表2所示。

表1 C5F10O对N2绝缘强度提升的相对值Table 1 The relative value of different partial pressure C5F10O for improving the insulation strength of N2

表2 C5F10O对干燥空气绝缘强度提升的相对值Table 2 The relative value of different partial pressure C5F10O for improving the insulation strength of dry air

可以看出,当气压较低(≤0.4 MPa)时,C5F10O对N2绝缘强度的提升效果更显著；当气压达到0.5 MPa时,C5F10O对两者提升强度相当。因为在低气压下,干燥空气的击穿电压本就高于N2的击穿电压(0.1 MPa时干燥空气绝缘强度约为N2的1.4倍),不过随着气压逐渐增大,N2的绝缘强度逐渐接近于干燥空气(0.1 MPa时干燥空气绝缘强度约为N2的1.07倍)。这与图5中2种缓冲气体绝缘强度先增长后饱和的趋势相符合。

然而,混合气体的击穿电压随着C5F10O分压增大直到存在饱和现象,且C5F10O/干燥空气的饱和现象比C5F10O/N2更加显著。由于气隙内带电粒子的数目有限,当C5F10O分压增大到一定值时,对带电粒子的吸附作用并不明显,反而有可能因为过高的C5F10O分压提高C5F10O混合气体的液化温度。

3 C5F10O混合气体替代SF6的可能性

由试验数据可以看出,可以从增大C5F10O混合气体气压以及增大C5F10O分压2种方法着手探讨C5F10O混合气体替代SF6的可能性。

如图6所示,以0.2 MPa下SF6的击穿电压值为例进行分析,气压为0.2 MPa,C5F10O分压为35 kPa的C5F10O/干燥空气击穿电压是0.2 MPa下SF6击穿电压值的0.92倍,相同条件下C5F10O/N2为0.75倍；而当混合气体气压升为0.3 MPa时,分压为35 kPa的C5F10O/干燥空气击穿电压是0.2 MPa下SF6击穿电压值的1.04倍,相同条件下C5F10O/N2为0.96倍。这说明高气压的C5F10O混合气体可以替代较低压气压的SF6。不过,总填充压升高必将对电气设备的气密性以及承受压强提出更高的要求,增加工程成本。出于经济性考虑,C5F10O混合气体更适用于替代室内中低压电气设备内的SF6。

图6 C5F10O混合气体与不同电压下的击穿电压Fig.6 Breakdown voltage of C5F10O mixture under different pressure

如图7所示,气压为0.3 MPa,C5F10O分压为15 kPa(液化温度为-17.78 ℃)的C5F10O/干燥空气的绝缘强度仅为同气压下SF6的0.60倍,相同条件下C5F10O/N2为0.56倍；若将C5F10O分压提升为45 kPa(液化温度为5.56 ℃),其他条件不变,C5F10O/干燥空气的绝缘强度为SF6的0.90倍,相同条件下C5F10O/N2为0.85倍。通过提高C5F10O分压来提高C5F10O混合气体绝缘强度时,应考虑C5F10O混合气体的液化温度是否满足应用环境的温度要求。若C5F10O分压过高,反而可能降低气体绝缘强度,无法满足实际工程需求。此时需在室内气体绝缘设备的工作环境中加装气体调温设备,人为提高环境温度。

图7 C5F10O混合气体相对SF6的绝缘强度Fig.7 Insulation strength of C5F10O mixture relative to SF6

综合考虑工程应用的经济性与实际性,通过增大气压和C5F10O分压2种途径,C5F10O混合气体可以达到与SF6相当的绝缘强度。例如,气压为0.3 MPa,C5F10O分压为25 kPa(液化温度为-8.22 ℃)的C5F10O/干燥空气绝缘强度为0.2 MPa下SF6的0.98倍,相同条件下C5F10O/N2的绝缘强度为0.84倍。因此可用该条件下的这两类气体替代SF6,应用于设备工作环境温度较高的室内中低压电气设备中。

4 结论

文中利用气体绝缘性能测试平台,从缓冲气体类型、混合气体气压以及C5F10O分压3个方面,探究了准均匀电场下C5F10O/N2和C5F10O/干燥空气的绝缘特性,并得出以下结论：

(1) 在试验气压范围内,C5F10O分压不变时,2种C5F10O混合气体的绝缘强度与混合气体气压呈正相关。

(2) 低气压(≤0.4 MPa)条件下,相比于干燥空气,N2的绝缘强度受C5F10O提升的效果更显著,高气压时C5F10O对两者的提升效果接近。混合气体气压一定时,2种C5F10O混合气体的绝缘强度在试验范围内随着C5F10O分压的增大而增大,并且在C5F10O分压达到0.4 MPa后出现饱和现象,其中,C5F10O/干燥空气的饱和现象较C5F10O/N2更为显著。

(3) 气压为0.3 MPa,C5F10O分压为25 kPa的C5F10O/干燥空气和C5F10O/N2的绝缘强度分别为0.2 MPa下SF6的0.98倍和0.84倍。从绝缘强度考虑,C5F10O/干燥空气比C5F10O/N2混合气体更具有替代室内中低压设备中SF6的潜力。