混合气体的绝缘特性及其应用

如前所述，由于SF6气体存在诸如放电特性不够理想等问题，近年来已有用SF6混合气体取代SF6气体的应用范例，其中SF6/N2混合气体已在工程实践中获得初步应用。然而对SF6/N2混合气体的放电机理和绝缘特性还需进一步研究。

5.3.1.1 均匀电场

1）稳态汤逊法（SST法）

我们在E/p值为26.3～94.0k V/（mm·MPa）的范围内，用SST法测量了SF6/N2混合气体，求出了α/p、η/p和/p与E/p值的变化规律。N2气体的纯度为99.999%，杂质含量：O2＜5mg/L，H2O≤5mg/L，Ar＜1mg/L。

SF6/N2混合气体的电离系数α/p、吸附系数η/p与E/p的关系如图5-4所示。从图中可知，α/p、η/p随着E/p值近似线性变化，在同一E/p值下，α和η都随着SF6含量的增加而增大。图5-5给出了/p与E/p值的关系曲线。由于N2为中性气体，η=0，则α=。从图中可知，在=0附近，除了纯N2外，其他混合比的/p均呈线性关系。然而其关系曲线斜率随SF6含量的减小而减小，即放电发展随SF6含量的减少而变缓。用SST法测得的不同混合比SF6/N2

图5-4 SF6/N2混合气体α/p、η/p与E/p的关系曲线

图5-5 SF6/N2混合气体的α/p与E/p值的关系曲线

1—100/0；2—90/10；3—75/25；4—50/50；5—25/75；6—10/90；7—0/100

混合气体的临界击穿场强（E/p）lim如表5-2所示。

表5-2 SST法测得不同混合比SF6/N2混合气体的临界击穿场强（E/p）lim[单位：k V/（mm·MPa）]

SF6/N2混合气体的相对耐电强度RES与SF6含量k（%）的关系如下式

RES=0.5827+0.621k-0.208k2（5-18）

从RES的变化趋势可判定SF6/N2为协同效应型混合气体。虽然其耐电强度随SF6气体含量的减小而下降，但在混合比大于50/50时，RES下降不多，如混合比为75/25时，SF6/N2的RES=0.928。可见SF6/N2混合气体在电力工业中具有良好的应用前景。

2）脉冲汤逊法（PT方法）

上文中采用SST方法测量了SF6/N2混合气体的放电过程，得出了SF6/N2是协同效应型混合气体的结论，并说明N2可作为缓冲气体，使SF6的放电发展过程变得相对平缓，从而改变SF6的放电特性。然而，SST法不能对于更复杂的放电过程进行研究，故需要采用PT法对SF6/N2混合气体的电子漂移速度Ve和扩散系数D进行测量，以获得SF6/N2的电子输运特性。

我们运用PT法对SF6/N2在混合比为100/0、90/10、75/25、50/50、25/75、10/90、0/100，E/p值从15.0～97.7k V/（mm·MPa）的范围内进行了实验。

图5-6给出了SF6/N2在不同混合比下的α/p与E/p值的变化曲线。图中的曲线可由下式表示

图5-6 SF6/N2在不同混合比下的α/p与E/p值的变化曲线

式中，C为不同混合比下曲线的斜率。由图5-6可知，随着混合比中SF6气体含量的减小，（E/p）lim也随之减小，说明耐电程度下降；而曲线的斜率C也随之减小，表明N2与SF6混合之后，可使SF6的放电发展变得相对缓慢。而N2可作为SF6的缓冲气体，使SF6的高能电子数减少。

图5-7 不同E/p值下SF6/N2的α/p随SF6含量k(%)的变化曲线

电子漂移速度Ve与E/p值的关系曲线如图5-8所示。此图表明，在SF6中添加了N2之后，电子漂移速度将有所增大，即电子崩发展较为激烈，这也有可能是SF6/N2混合气体随着SF6含量的减小，临界耐电强度值（E/p）lim有所下降的原因之一。

图5-8 SF6/N2混合气体的Ve与E/p值的关系曲线

1—SF6；2—50%SF6/50%N2；3—N2

电子扩散系数D对抑制放电的发展较为重要。为了避免阴极的二次电子发射，故PT实验一般都在较低气压下进行，因此扩散对电子崩发展的影响就显得较为突出。探讨混合气体的扩散机理，对认识缓冲气体的作用是有帮助的。图5-9给出了Dp与E/p值的关系曲线。从图中可知，N2的扩散系数比SF6气体大，即在电子崩放电过程中，N2的扩散作用比SF6强。混合比为50/50的SF6/N2的Dp曲线介于N2和SF6之间，但比SF6气体的曲线稍高，特别是在E/p大于60k V/（mm·MPa）后，曲线2和曲线3增长更快，说明扩散作用增强。因此，从扩散的观点来看，添加了N2后，可使SF6气体的放电特性得到改善。

图5-9 SF6/N2的Dp与E/p的关系曲线

1—SF6；2—50%SF6/50%N2；3—N2

由图5-6的曲线和式（5-19），令=0可得到SF6/N2在不同混合比下的临界耐电强度值（E/p）lim，如表5-3所示。

表5-3 PT法测得不同混合比SF6/N2混合气体的临界击穿场强（E/p）lim[单位：k V/（mm·MPa）]

5.3.1.2 不均匀电场

1）由光滑电极形成的稍不均匀电场

根据流注放电判据可知，在不均匀电场中，Emax/p＞（E/p）lim，其中Emax为最大击穿场强。且Emax/p和（E/p）lim两者的比值与电极曲率半径有关，因此引入曲率系数h为两者的比值。

纯SF6气体和混合比为50/50的SF6/N2混合气体在同轴圆柱电极中的击

穿场强公式为

式中，p为气体压力，r为内电极的曲率半径，pr的单位是MPa·mm，Emax/p的单位为k V/（mm·MPa）。

同理，对于同心球电极，纯SF6气体和混合比为50/50的SF6/N2混合气体的击穿场强公式为

则可知混合比为50/50的SF6/N2混合气体的曲率系数大于纯SF6气体的情况。这说明SF6/N2混合气体在稍不均匀电场中的相对耐电强度略高于均匀电场中的相应值。

2）极不均匀电场

在SF6气体中添加某些气体，可使极不均匀电场中正极性击穿电压提高。图5-10为极不均匀电场间隙中SF6和混合比为75/25的SF6/N2混合气体的交流电晕起始电压及击穿电压的比较，由图可见，混合气体的击穿电压驼峰比纯SF6气体高，且其临界气压也比纯SF6时大。

对于这一现象，通常都用电晕稳定化作用来解释，即在SF6中添加低耐电强度气体，使混合气体的电晕起始电压降低，因而混合气体中电晕稳定化作用得到加强。

图5-10 极不均匀电场间隙中SF6和混合比为75/25的SF6/N2混合气体的交流电晕起始电压及击穿电压的比较

1—SF6；2—混合比为75/25的SF6/N2混合气体

5.3.1.3 实际应用

采用低含量SF6/N2混合气体，不但能够降低气体介质的成本，减小SF6气体对局部电场畸变的敏感程度，解决SF6气体的液化问题，而且更重要的是可以减少SF6气体的使用量和排放量，减小温室效应对环境的影响。

鉴于环保和经济性的要求，国内外各大制造厂家已纷纷采取措施，开发采用SF6/N2混合气体绝缘的电气设备。2001年，世界第一条SF6/N2混合气体绝缘高压线路（GIL）在日内瓦建成，其采用混合比为20/80的SF6/N2混合气体作为气体绝缘介质，额定电压为220k V，额定电流为2000A，混合气体额定压力为0.7MPa；2004年投运的英国Hams Hall工程的GIL，也采用混合比为20/80的SF6/N2混合气体绝缘。同时，ABB公司开发了LTB72.5～145k V气体绝缘断路器（GCB）和HPL72.5300E1型GCB，既可以采用纯净的SF6气体，也可以采用SF6/N2混合气体。当采用SF6/N2混合气体时，在20℃、绝对额定气压0.7MPa下，可以用于-50℃的环境中，而在纯净的SF6气体、绝对气压0.5MPa时，只能用于-40℃的环境。东芝公司也对SF6/N2混合气体断路器进行了研究。