0 前言

SF₆气体绝缘组合电器(gas insulated switchgears，GIS)自1967年首次在德国投运以来，便以其可靠性高、维护量小、占地面积小、配置灵活等优点迅速发展并广泛应用于电力系统中^[1-6]。随着技术发展，气体绝缘变压器(gas insulated transformer，GIT)、气体绝缘线路(gas insulated line，GIL)、气体绝缘断路器(gas circuit breaker，GCB)和气体绝缘开关柜(cubic type gas insulated switchgears，C-GIS)等SF₆绝缘设备在国内外电力系统中被广泛使用^[7-8]。但SF₆气体被公认为是一种对大气环境具有较大危害的温室气体，其温室效应潜在值是CO₂的23 500倍左右，在大气中的存活寿命约为3 200 a^[9-10]。联合国气候变化公约缔约方在1997年签订的《京都议定书》中，将SF₆气体列为6种限制性使用的温室气体之一，要求限制SF₆气体的使用。

SF₆混合气体绝缘电气设备的推广和使用可以一定程度减少SF₆气体的使用量和排放量。文献[11]研究得出SF₆/N₂混合气体在一定条件下拥有替代纯SF₆的可行性；文献[12]从气体放电理论角度分析了不同混合比下SF₆/N₂混合气体的绝缘性能；文献[13-14]的研究结果表明SF₆/N₂混合气体的击穿电压随气压的增长呈线性变化；文献[15-16]对SF₆与空气、N₂O、N₂、CO₂等的混合气体在不同电场条件下的绝缘特性进行了系统研究，并先后与诸多国内电力设备生产厂家合作研制开发了SF₆混合气体GIT、GIS以及C-GIS等电力设备。SF₆混合气体作为绝缘介质在实际电气设备中得到了应用，全球首条SF₆/N₂绝缘GIL于21世纪初期在瑞士投入运行^[17]。ABB公司在法国境内研制并建设了首条长距离的以SF₆/N₂作为气体绝缘介质的GIL，取代了该地区原有的420 kV架空输电线路^[18]。2016年，由中国研制的SF₆/N₂混合气体的1 100 kV GIL长期考核试验线段于2016年6月在武汉特高压交流试验基地开始带电运行，并顺利通过了近一年的带电考核。江苏帕威尔电气有限公司、上海天灵开关厂有限公司开发的N2X-24 kV充气柜采用的也是SF₆/N₂混合气体，SF₆在混合气体中的比例很少，仅为10%，大大节省了SF₆的使用量^[19]。研究发现，SF₆体积分数为5%~30%的混合气体受到更加广泛的关注^[20]。目前国内已经有220 kV GIS母线采用30%的SF₆/N₂混合气体作为绝缘介质，但是运维的研究处于一个空白状态，并未制定相应的行业标准。

基于以上现状，文中对SF₆/N₂混合气体在气压为0.7 MPa、混合比为30%发生微量变化条件下进行工频交流击穿特性研究，测量混合气体不同气压、混合比条件下的击穿电压值，总结出混合气体的击穿电压特性，为SF₆/N₂混合气体提供运维规程和技术标准，同时为制定混合气体的检测技术标准奠定基础。

1 实验平台、方法与过程 1.1 实验平台

实验平台示意如图 1所示。

主要实验设备及作用：

(1) 感应调压器。输入电压为380 V，输出电压为0~250 V，额定功率为50 kV ·A。

(2) 无晕试验变压器。可以为实验提供最高250 kV的工频试验电压。

(3) 保护电阻。阻值为20 kΩ，保护试验变压器在发生闪络时免遭破坏。

(4) 电容分压器。C₁/C₂=500 pf/1 μf，将幅值较高的实验电压转换成可被电压表直接测量的量程内值。

(5) 气体绝缘性能测试气室。安装电极和充入实验气体，使实验气体发生击穿，进而检测待测气体绝缘性能。

实验采用球球电极模拟实际设备中的准均匀电场，电极的直径为50 mm，材质为铜。将电极物理模型置入放电气室内，如图 2所示。实验时，为排除水分含量对实验结果的影响，实验室温度通过空调控制在20 ℃左右，湿度通过除湿机控制在相对湿度50%左右，所有实验均在该条件下进行，确保实验结果具有可比性。

为了验证球球电极可以模拟GIS设备内的准均匀场，借助于COMSOL计算软件对其进行仿真计算。电场的均匀程度由电场不均匀系数f来衡量：

$ {f = {E_{\max }}/{E_{{\rm{av }}}}} $

(1)

$ {{E_{{\rm{av }}}} = U/d} $

(2)

式中：E_av为平均场强；E_max为最大场强；U为电极间电压；d为电极间距，文中在实验中设置的电极间距为2 mm。通过COMSOL计算软件完成最高场强的计算，电场分布如图 3所示，得到电场不均匀度为1.02，介于1~1.1之间，属于均匀电场。

1.2 实验方法与过程

工频击穿实验对象为SF₆/N₂混合气体，其中SF₆纯度为99.995%，N₂纯度为99.999%，两者的微水含量均小于5 μL/L。混合气体压力取为0.682 0~0.700 0 MPa(绝对压力)，混合比k取0%，10%，20%，25%，27%，28%，29%，30%，31%，35%，100%，电极间距为2 mm，环境温度为室温(25 ℃)，主要探究气压、混合比对SF₆/N₂混合气体工频击穿电压的影响。运用控制变量法，保持混合比不变，利用排气阀每次控制降低2 kPa的气压，每降低一次气压进行5次击穿实验。

SF₆/N₂混合气体的实验过程基本步骤为：先后进行实验准备、充气、排气等操作。在实验中保证混合比不变的条件，从高气压至低气压依次进行工频击穿实验。0.700 0 MPa的实验完成后，打开放气阀门，使精密气压表示数显示的气压达到预期的实验气压条件下，再进行工频击穿实验。待固定混合比条件下完成实验后，更换混合比，重复上述操作过程。

2 实验结果分析 2.1 气压对SF₆/N₂工频击穿电压的影响

根据实验结果，整理数据，取每次实验击穿电压的平均值，得到SF₆/N₂混合气体工频击穿电压与气压的关系，如图 4所示。

观察图 4可知，击穿电压与气压的变化呈非线性关系。希尔(Hill)方程常用于非线性的情况，而Hill1是带偏移量的修正希尔函数，根据式(3)将工频击穿电压与压强进行拟合。

$ U = A + (B - A)\frac{{{P^n}}}{{{m^n} + {P^n}}} $

(3)

式中：U为击穿电压；P为压强；A，B，m，n为拟合参数。

运用Hill1对实验数据进行拟合，R为拟合系数，其值越接近1，说明拟合度越高。由图 4可见，R的值均在0.99以上，说明拟合程度及效果非常好，同时也表明在维持混合比不变的条件下，通过改变压强的值，SF₆/N₂混合气体的击穿电压增长缓慢，体现了SF₆浓度越高，SF₆/N₂混合气体的非线性程度越大，符合理论效果。拟合方程的主要参数见表 1。

分子的游离会产生大量正负空间电荷，使电场产生畸变，而大量的空间电荷以及畸变的电场会导致光游离，对击穿过程产生影响。均匀电场中气体的击穿过程与气体的相对密度δ和极间距离d相关，δd值较小时可以用汤逊理论，δd值较大时可以用流注理论来解释电子崩。电子崩在产生大量电子的同时，也会产生大量的离子，离子在电场力的作用下与电极撞击，而当离子在电极表面发生自持放电时就意味着气隙被击穿。当气室处在一个较小气压时，气室内各气体分子密度相对较小，分子间平均距离较大，电子平均自由行程较大。随着气压逐渐升高，电子平均自由行程逐渐减小，电子碰撞前积累的平均动能下降，使电子发生有效碰撞的几率降低。随着气压继续升高至0.7 MPa，此时即使气压增大，电子平均自由行程减少，其降低电子有效碰撞的作用已十分有限。因此随着气压的增大，击穿电压的非线性也越大。

2.2 混合比对SF₆/N₂工频击穿电压的影响

在保持压强不变的情况下，变量混合比k也保持相同的增幅，对数据进行详尽分析，主要针对混合比k为0.25，0.27，0.28，0.29，0.30，0.31进行拟合，得到如图 5所示的SF₆/N₂混合气体的工频击穿电压与混合比的关系。

根据式(4)，将工频击穿电压与混合比进行拟合。

$ U = {V_{\max }}\frac{{{k^N}}}{{{M^N} + {k^N}}} $

(4)

式中：V_max，M，N为拟合参数。其主要参数如表 2所示。

由图 5可见，0.682 0~0.700 0 MPa的SF₆/N₂混合气体的击穿电压均随混合比k的增大而非线性增大。其次，同一气压值下，提高气压能显著改善SF₆/N₂混合气体绝缘性能。理论上，随着混合比的增加，非线性逐渐增大。

上述规律可以用流注理论的分子电离过程来解释。由于N₂的电离能约为15.5 eV，而SF₆的电离能约为15.6 eV，所以在SF₆/N₂混合气中，N₂相较于SF₆更加容易发生电离。电离出的电子被SF₆分子俘获(SF₆的电子亲和能仅约为3.4 eV)，形成离子半径较大的负离子团，导致气体中自由电子浓度减小并抑制了流注的发展，使击穿电压较纯N₂有明显提高。但随着混合比增大(SF₆含量相对增大、N₂含量相对减小)，SF₆绝缘性能的非线性影响更加明显，SF₆/N₂混合气体击穿电压的增长趋势随之变缓。

2.3 混合比和压强对SF₆/N₂工频击穿电压的影响

为研究混合比和压强2个变量因素同时对SF₆/N₂混合气体工频击穿电压的影响，构建式(5)所示的拟合函数，将工频击穿电压与混合比以及压强进行拟合。

$ F(k, P) = a + b\sin (h{\rm{ \mathsf{ π} }}kP) + c{{\rm{e}}^{ - {{(wP)}^2}}} $

(5)

式中：P为压强；a，b，c，h，w为拟合系数。

以混合气体的总气压值P以及混合比k作为变量，对其与击穿电压的进行数据拟合，最后得到SF₆/N₂混合气体工频击穿电压与混合比及压强的关系，如图 6所示。其中，拟合参数R=0.983 1。

曲线回归是建立不同变量间相关关系的非线性数学模型数量关系式的统计方法。为了进一步提高击穿电压U对双变量压强P和混合比k的拟合度，拟采用曲线回归对实验数据进行非线性二次回归平滑曲线拟合，得到SF₆/N₂混合气体工频击穿电压与混合比及压强的关系，如图 7所示。其中，R=0.999 7。采用二次回归函数可以使SF₆/N₂混合气体工频击穿电压与混合比及压强的拟合效果更好。

由图 7可以看出，随着压强和混合比的提高，击穿电压均非线性程度越来越大，与图 4和图 5结果一致，且与拟合结果吻合。

3 SF₆混合气体绝缘设备补气策略

SF₆气体和N₂气体的绝缘强度不同，气体的分子量不同，如若运行过程中，气体的体积比发生变化，会导致绝缘强度发生变化。

根据国内外的文献资料及研究成果总结得出，以纯SF₆气体作为绝缘介质的间隙工频击穿电压的经验公式^[21]为：

$ U = \frac{1}{f}65{(10P)^{0.73}}d $

(6)

其中，P为气体绝对压力。工程中纯SF₆气体绝缘GIS母线的充气压力^[12]一般为0.5 MPa，并且文中的实验电极距离d为0.2 cm，将以上2个数据带入式(6)可得以纯SF₆气体作为绝缘介质的间隙工频击穿电压。

DL/T 596-1996《电力设备预防性试验规程》及GB 50150-2006《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》条文^[22-23]中指出，SF₆组合电器设备年漏气率不大于1.0%，控制在0.5%方才合格。通过式(6)按照最大泄漏量计算，得出纯SF₆气体作为绝缘介质应用在GIS母线中应进行补气的临界击穿电压，由临界击穿电压与原始击穿电压的比值，最终发现泄漏后纯SF₆气体GIS母线的绝缘性能只能达到之前的98%。

以此为标准，当SF₆混合气体绝缘强度下降2%，绝缘性能只能达到初始的98%时，则须对SF₆混合气体设备进行维护。绝缘性能通过击穿电压值来衡量，因此只需将实验中测量所获得的击穿电压乘以98%，得到一个临界击穿电压，而这个临界电压分别对应混合比和气压值，最后绘制的绝缘性能临界状态如图 8所示。

文中的研究以220 kV GIS母线为例，气室内的标准压强P₀为0.700 0 MPa，SF₆混合比k₀为30%。当现场检测设备内的气压值P和混合比k数值处于图 8中阴影部分时，则须对设备进行补气操作，以防设备绝缘性能下降导致电力事故发生。具体补气方法如下。

(1) 计算补气的总压强：

$ P_{i}=P_{0}-P $

(7)

式中：P₀为原配气压强；P_i为补气压强。

(2) 根据道尔顿分压定律计算需要补充的SF₆分压：

$ {P_{i\left( {{\rm{S}}{{\rm{F}}_6}} \right)}} = {P_0}{k_0} - Pk $

(8)

(3) 确定需要补充的N₂的分压：

$ {P_{i\left( {{{\rm{N}}_2}} \right)}} = {P_i} - {P_{i\left( {{\rm{S}}{{\rm{F}}_2}} \right)}} = {P_0}\left( {1 - {k_0}} \right) - P(1 - k) $

(9)

根据计算所得的SF₆和N₂分压采用专用的充气装置对设备进行补气。

4 结论

(1) 在标准气压值不变的情况下，混合气体的击穿电压随着混合比的减少而降低。由此说明，保证设备内混合气体的气压值不变，增大混合比是提高其绝缘性能的有效措施。

(2) 在保证混合比不变的条件下，混合气体的击穿电压随着气压值的增大而增大，其非线性程度也越来越大，因此同一混合比条件下，提高气压能显著改善SF₆/N₂混合气体的绝缘性能。

(3) 当引入双变量，即混合比和压强2种因素同时作用时，击穿电压呈现出随着压强和混合比的提高，非线性程度增大的特点。同时确定了绝缘临界值，为后续研究SF₆/N₂混合气体绝缘设备的运维规程和制定技术标准提供一定的技术支持和参考。