环保型高压断路器中SF6替代气体熄弧与绝缘特性研究

Nowadays, looking for a kind of eco-friendly dielectric that has both perfect insulating and arc extincting performance to substitute SF6, which has serious greenhouse effect, has been a reseach hotspot. Two of the most potential gases are g3(C4F7N/CO2) and C5(C5F10O/CO2). Relative reaseaches will be focused on parameters analysis, insulationg analysis and arc-extinction analyais. First of all, the component and content of arc plasma will be analyzed to achieve the relaxation and transport parameters under different pressure and temperature. The final purpose of this step is to build a multi-fields coupled mathematical model of arc plasma, through connecting the macro-parameters and the micro-parameters with a poper mechanism. Then, the effect of high-speed flow and residual charge in the chamber on the insulating performance will be studied for the thermal substitute gas exists after arc extincting.The next step is to achieve their arc time constants and dissipation factors through the research on the energy dissipation processes.All above research results can contribute to the built of a comprehensive evaluation model for SF6 substitute gases. This model can optimize the substitute gases project and provide theoretical foundation for application of substitute gases to high voltage breaker.

SF6气体温室效应问题严重，寻找一种绝缘和熄弧性能优异的环保介质替代高压开关设备中的SF6气体已成为当今电力行业研究热点。以g3(C4F7N/CO2)、C5(C5F10O/CO2)为主要潜在环保型SF6替代气体，研究替代气体电弧等离子体中组分及含量，获取不同压强、不同温度下弛豫、输运等微观参数，寻求替代气体电弧宏观、微观参数间的关系，建立替代气体多物理场耦合电弧数学模型，完成环保型高压断路器开断过程多物理场分析研究。考虑灭弧室内高速流动的气体和弧后残留电荷对介质绝缘强度的影响，得到灭弧室中弧后热态替代气体的绝缘强度。研究环保型SF6替代气体电弧能量耗散过程，得到替代气体电弧时间常数和能量耗散系数，开展SF6替代气体熄弧特性研究。在理化性能、绝缘性能、熄弧性能研究基础上，形成一套SF6替代气体综合性能评估模型，优化高压断路器SF6气体替代方案，为SF6替代气体在高压断路器中的应用提供参考。

SF6断路器在110kV及以上电压等级的电力系统中占有绝对主导地位。但SF6全球变暖潜能值（GWP）达到CO2的23500倍，是一种严重的温室效应气体。而且SF6液化温度高，一般工作压强0.6MPa~0.7MPa下液化温度约为-26℃，在我国东北等极寒地区，冬季温度可到-35℃~-40℃，SF6开关设备在这种温度下容易液化，严重影响设备的安全可靠运行。寻找环境友好、液化温度低、绝缘强度高、灭弧能力强的环保气体成为亟需解决的问题。本项目突破以往环保气体仅关注绝缘特性的局限性，自2017年1月开展工作以来，从理化特性、绝缘和熄弧性能等方面开展环保气体研究，取得以下主要成果：.（1）应用密度泛函理论，采用量子化学计算方法研究环保气体分解过程，确定混合气体热分解过程产生的粒子组分，计算得到了环保气体电弧等离子体的输运系数和热力学参数。在此基础上，考虑气体饱和蒸气压特性，确定不同压力和环境适用范围内混合气体混合比。建立了环保气体电弧等离子体物性参数数据库。.（2）建立高压C4F7N/CO2混合气体断路器短路大电流开断多物理场耦合电弧数学模型，获得断路器开断过程电弧电压、电导、灭弧室气体状态变化情况。搭建高压断路器短路开断电弧特性试验平台，测量燃弧阶段SF6、C4F7N/CO2混合气体电弧电压、电弧电流等参量，验证数值计算结果准确性。结合数值计算与试验数据，分析在不同混合比例、不同压强下SF6替代气体的熄弧性能。.（3）搭建C4F7N/CO2混合气体断路器触头间隙击穿特性试验回路，测量断路器关合和开断过程中触头间隙的击穿电压，得到不同开距下触头间隙动态击穿电压，研究影响高压断路器中C4F7N/CO2混合气体绝缘介质恢复特性的影响因素，为C4F7N/CO2混合气体断路器的灭弧结构设计、混合配比选择以及工程应用提供基础参考依据。.本项目形成了一套环保气体综合性能评估方法，为环保气体断路器的灭弧结构设计、混合配比选择以及工程应用提供了基础参考数据，对国内首台126kV无氟环保型气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）和1000kV环保型GIL样机的研发具有重要指导意义。