SF6替代气体热开断能力与物性参数关系研究

安德宝 李涛 冯加坤

摘 要：在我国社会经济迅猛发展的新时期，科学技术发展十分迅速，文中讨论了在探索选择六氟化硫（SF6）替代气体的过程中关于气体开断能力研究的重要性，并对气体开断能力的评估进行了阐述。简要总结了目前工业界对SF6替代气体开断试验的结果。以N2和CO2为例，从理论上分析了其开断性能劣于SF6的原因，初步建立了喷口电弧中气体开断能力与物性参数间的关系，为理解SF6替代气体开断机理及选择判据的建立提供理论依据。

关键词：SF6替代气体;喷口电弧;N2;CO2;湍流模型;开断能力

引 言

SF6气体具有极好绝缘性能和灭弧性能，SF6电气设备是利用SF6气体作为绝缘介质和灭弧介质的。SF6电气设备目前已经广泛应用于高压和超高压领域，它有体积小﹑重量轻﹑容量大﹑成套速装﹑维修量少等优点。某些正在运行的SF6电气设备存在缺陷或故障，影响了设备的正常运行，甚至酿成事故，因此及时发现SF6电气设备内部缺陷或故障，对保证设备和电网的安全运行具有重要意义。SF6气体在电弧、放电和过热作用下存在分解现象，通过检测SF6分解产物的含量诊断设备内部是否存在故障，将成为SF6电气设备在线监测和故障诊断的一种有效方法。开断电弧作用下SF6气体分解物的情况在试验和理论已经有了很多研究成果，但在实际应用方面的研究不多。电弧作用下SF6气体分解产物主要有硫化物和氟化物。硫化物主要有SO2、H2S、SF4、SO2F2、SOF2等;氟化物主要有HF、CF4和金属氟化物。上述的分解物中SF4、SOF2含量较大但不稳定，很快在氧气（O2）和水气（H2O）杂质影响下产生稳定的SO2和HF，HF具有强腐蚀性，会与内部金属发生再反应，通常开断或故障后检测到的氟化氢（HF）含量较小或检测不到;CF4在新气中含量就很大（200ul/l左右），而在电弧作用下增加量却相对较小，故不能作为检测气体。其它气体分解物在设备内部的含量极少。因此，把SO2、H2S作为检测气体研究SF6气体分解物是可行的。检测的SO2浓度是直接分解和水解产物的总量，H2S是固体绝缘材料分解的特征组分。本文从实际应用出发对SF6断路器开断时SF6气体分解物中的SO2和H2S含量进行了详细的研究，试验研究和分析了开断电流、燃弧时间、电弧能量、吸附剂等因素对SF6分解物的影响，为根据SF6分解物含量进行SF6设备状态判断或缺陷、故障判断以及在线检测提供参考。

一、混合断路器开断机理

混合断路器利用气体间隙与真空间隙各自的灭弧优势完成短路电流开断。电流过零后暂态恢复电压（transientrecoveryvoltage，TRV）上升的初始阶段，两间隙均未完全恢复其介质强度，此时间隙间TRV分布关系主要受两间隙各自的电弧电阻影响。根据Cassie&Mayr气体电弧黑盒模型与连续暂态真空电弧黑盒模型可知，此时电弧电阻与燃弧时间、灭弧介质自身特性、灭弧室结构及外部电路条件有关。其中，燃弧时间主要由两间隙操动机构的分闸时刻和分闸速度决定，灭弧介质自身特性及灭弧室结构则影响两间隙的介质强度恢复速度。因此，调整操动机构动作时刻可改变两间隙承担初始TRV时序。真空间隙承担电流过零后陡峭的初始TRV为SF6气体介质强度恢复提供短暂时间。SF6气体间隙可迅速恢复其介质强度，在合适的布置方式及并联分压电容影响下，气体间隙开始承担后续较高的峰值恢复电压。SF6气体间隙优异的耐压特性可保证即使此后真空间隙发生击穿，混合断路器仍能成功开断。

二、SF6替代气体热開断能力与物性参数关系

2.1电弧模型中湍流参数的标定

高压断路器中开断过程中，喷口中的电弧以及周围的气流场可认为处于局部热平衡（LTE）状态，因此其物理过程可用时间平均的Navier-Stokes（RANS）方程组进行描述，并在能量方程中考虑欧姆加热和辐射损失的影响。N2、CO2和SF63种气体的物性参数分别取自Yos，Frost和Liebermann，Matsumura;N2、CO2和SF6的净辐射系数分别取自Shalyer和Fang，Aubrecht和Bartlova和Liebermann和Lowke。N2、CO2和SF6的净辐射系数分别取自文Shalyer和Fang，Aubrecht和Bartlova和Liebermann和Lowke。使用小电流时，特别是电流零区附近，湍流换热的强弱直接决定了电弧电压的大小以及弧后等离子体可承受的最大恢复电压上升率。

2.2电弧能量和SO2和H2S含量的关系

通过前面的分析和比较我们最终停留在电弧能量上。但该线的延长线并不过原点，说明在电弧能量越靠近零的时候越偏离线性关系;同理在电弧能量较大时，分解物含量也将偏离线性关系，因为电弧能量较大时高温电弧周围的SF6气体的量限制了分解物的含量。通过线性关系内的数据可知每千焦分解物大概在15uL/L～20uL/L之间，且随着能量的增大每千焦的分解物含量在降低。

2.3测量点气压

操作机构开始动作后，压气缸内的气体即受到压缩。随压力的不断传播，喷口区域在经过很短的延迟后建立起气流通道。将喷口区域的绝对气压相对于充气压力的增量定义为气压增量Δp。气压变化中含有丰富的物理信息，为便于分析气压特性，抽取了其中反映电弧熄灭前气流场气吹冷却作用的气压增量最大值这一维度的信息。由于气压在灭弧室和毕托管内存在传播和反射及叠加情况，具有一定的波动性，为消除气压脉冲波动的影响，以气压某一半波的中位值而非峰值作为研究对象，这样取得的数据即为Δppeak，较峰值更为可靠。

2.4实验样机及实验电路

样机由气体断路器与真空断路器串联组成。其中气体断路器采用额定开断能力10kV/6.3kA的旋弧式SF6气体断路器，间隙内SF6气体的初始充气压力为0.36MPa，CO2气体充气压力分别为0.6、0.8MPa;真空断路器开断能力为10kV/5kA，真空触头为定制的平板电极结构。气体断路器平均分闸速度约2.56m/s，真空断路器平均分闸速度约为0.83m/s。

结 语

1）喷口电弧中湍流对电弧的冷却起到至关重要的作用，不可忽略。2）湍流对电弧的冷却效果与气体的物性参数密切相关。气体的ρCp参数在4000K到15000K之间存在较大变化时将导致电弧的径向温度分布产生拐点、电弧弧柱变粗。3）在相同di/dt下径向换热效率与电弧半径有紧密的联系。较细的弧柱将使得湍流对电弧的径向冷却占主导地位、电弧时间常数变小、使电弧电压及时上升以增强其热开断能力。4）通过比较SF6和其他气体的ρCp随温度的变化曲线，可作为选择气体或者选择混合气体体积分数比的判据之一。文中对CO2临界RRRV的预测和测量数据相比有一定的偏差。其原因有可能源于物性参数、辐射模型或湍流模型中电弧半径的计算方法上。需要做进一步的分析，但预测的偏差不会影响文中所做的结论。

参考文献

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