發(fā)布時(shí)間：2016-06-29 22:08

第 1 章 緒論

1.1 課題研究背景及意義
氣體是電力系統(tǒng)中最常見(jiàn)的絕緣介質(zhì)，它具有良好的絕緣自恢復(fù)能力等優(yōu)點(diǎn)，尤其是壓縮氣體在各設(shè)備絕緣中起到了關(guān)鍵作用。氣體絕緣變電站（Gas  Insulated Switchgear，GIS）是超/特高壓電網(wǎng)中的重要組成設(shè)備之一，它將一座變電站中的斷路器、電流互感器、電壓互感器、避雷器、隔離開(kāi)關(guān)、接地開(kāi)關(guān)、母線、電纜終端、進(jìn)出線套管等優(yōu)化設(shè)計(jì)后分別裝在各自密封間中，最后集中組裝在一個(gè)充以 SF6作為絕緣介質(zhì)的整體外殼中。與傳統(tǒng)的敞開(kāi)式高壓開(kāi)關(guān)設(shè)備相比，GIS 具有占地面積小、占用空間小，不受外界環(huán)境條件的影響，不產(chǎn)生噪聲和無(wú)線電干擾，運(yùn)行安全、可靠且維護(hù)工作量少，抗震性能好的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。氣體絕緣傳輸線（Gas-insulated transmission line，GIL）是一種使用氣體作為絕緣介質(zhì)的輸電管道，結(jié)構(gòu)上與 GIS 中的母線相類(lèi)似。與高壓電纜和架空線路相比，有著載流量高，允許大容量傳輸；電容比電纜��；電阻和電容損耗低；過(guò)載容量較高；出現(xiàn)內(nèi)部電弧時(shí)不會(huì)對(duì)外部環(huán)境造成破壞；外部電磁場(chǎng)強(qiáng)度非常低；冷卻費(fèi)用低；免維護(hù)；可靠性高；使用非燃燒性材料，沒(méi)有火災(zāi)危險(xiǎn)；不易老化等優(yōu)點(diǎn)。因此 GIL 可以應(yīng)用在空間有限而無(wú)法采用架空輸電線路的地方，如城市人口稠密區(qū)；還可以用在由于環(huán)境等原因不允許使用架空輸電線路的地方，如風(fēng)景區(qū)等[3-4]。目前 GIS 和 GIL 在運(yùn)行時(shí)充入的氣體均為 SF6氣體，極大的提到設(shè)備的絕緣能力和電網(wǎng)的輸電能力的同時(shí)，還極大的降低了輸電損耗，對(duì)特高壓輸電技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。 SF6氣體因具有優(yōu)異的絕緣和滅弧性能被廣泛的使用在高壓絕緣及斷路設(shè)備當(dāng)中。SF6是一種合成氣體，1900 年由法國(guó)化學(xué)家 Moissan 和 Lebeau 第一次由氟和硫反應(yīng)而產(chǎn)生出六氟化硫氣體（SF6）。純 SF6具有極佳的物理特性，它是無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒和不可燃的鹵素化合物氣體，其化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并具有很強(qiáng)的電負(fù)性，決定了 SF6氣體具有優(yōu)異的絕緣和滅弧性能。在均勻電場(chǎng)下，SF6氣體的絕緣強(qiáng)度為同等條件下空氣絕緣強(qiáng)度的 2.5-3 倍，滅弧性能是空氣的 100 倍[5]。SF6氣體作為最理想的絕緣和滅弧介質(zhì)，成為了高壓電器中重要的絕緣介質(zhì)[6-7]。
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1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 
SF6混合氣體的研究起步較早，通過(guò)測(cè)量氣體的擊穿電壓研究氣體的絕緣能力，采用發(fā)射光譜法測(cè)量氣體放電時(shí)的光譜信息，分析電弧等離子的光譜信息，從而獲得氣體放電過(guò)程中的電子溫度和電子密度等微觀參量信息，從微觀和宏觀相結(jié)合的角度對(duì)SF6及其混合氣體放電的等離子體進(jìn)行研究。根據(jù)光譜參數(shù)得到氣體放電時(shí)形成放電通道的電子溫度和電子密度，進(jìn)一步分析等離子體通道的電導(dǎo)率等參量信息。針對(duì) SF6氣體性能的缺陷和不足，國(guó)際上各大氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備生產(chǎn)廠家和電力部門(mén)正在合作開(kāi)發(fā)新型的 SF6混合氣體為絕緣介質(zhì)的電力設(shè)備。德國(guó)的達(dá)姆斯塔特工業(yè)大學(xué)、日本的東京大學(xué)、加拿大的曼尼托巴大學(xué)等高校近年來(lái)也對(duì)此方向展開(kāi)大量的專(zhuān)題研究，并取得了一定的進(jìn)展[9-12]。 目前對(duì) SF6替代氣體的研究結(jié)果表明，在 SF6氣體中添加適當(dāng)?shù)钠渌麣怏w，可以保持較好的絕緣性能，減少 SF6氣體使用量，改善 SF6氣體的液化溫度高、對(duì)電場(chǎng)不均勻性敏感的缺陷。國(guó)內(nèi)外關(guān)于 SF6混合氣體研究較多的是 SF6/N2、SF6/CO2、SF6/空氣以及 SF6/CF4混合氣體[13-16]。隨著理論研究的深入，SF6/N2混合氣體作為絕緣介質(zhì)的電力設(shè)備也在實(shí)際工程得到了部分應(yīng)用，世界上第一條 SF6/N2混合氣體絕緣傳輸線于本世紀(jì)初期在瑞士日內(nèi)瓦國(guó)際機(jī)場(chǎng)投入運(yùn)行[17]，其絕緣氣體中 SF6含量?jī)H為 20%，減少了對(duì)環(huán)境的影響并大幅度降低了 GIL 的建設(shè)成本。法國(guó)電力公司與 ABB 公司合作開(kāi)發(fā)長(zhǎng)距離的 SF6/N2混合氣體 GIL 來(lái)替代該國(guó) 420kV 架空輸電線路[18]，以消除架空輸電線路對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響。 我國(guó)開(kāi)展 SF6混合氣體研究起步比較早[19]，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)也曾有一系列的資助。國(guó)內(nèi)部分高校對(duì) SF6及其混合氣體展開(kāi)了大量的研究，西安交通大學(xué)曾與國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家合作先后開(kāi)發(fā)了 SF6混合氣體絕緣變壓器、電容器以及開(kāi)關(guān)柜等電力設(shè)備，但 SF6含量在混合氣體中所占的比例至少在 85%以上。上海交通大學(xué)在研究混合氣體的基礎(chǔ)上，研究了 SF6氣體替代氣體的八氟環(huán)丁烷（c-C4F8）的絕緣性能，但 c-C4F8致命的缺點(diǎn)是液化溫度更高，并且價(jià)格也非常昂貴，張劉春[20]在論文中研究了 SF6替代氣體 c-C4F8 及其混合氣體的絕緣性能；沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)高電壓與電力系統(tǒng)研究所針對(duì)SF6/N2及 SF6/CF4等混合氣體也展開(kāi)了大量的研究[21-24]。國(guó)內(nèi)的其他一些高等院校也對(duì)SF6及混合氣體進(jìn)行了相關(guān)的研究[25-28]。由于 N2具有化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、液化溫度極低、價(jià)格低廉易獲取、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，并且 SF6/N2混合氣體具有較強(qiáng)的絕緣性能，因此 SF6/N2混合氣體具有較高的研究?jī)r(jià)值。 
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第 2 章 SF6/N2混合氣體放電的發(fā)射光譜分析原理 

等離子體是指含有大量電子和帶電粒子的電離氣體，對(duì)外表現(xiàn)為電中性，被稱(chēng)為物質(zhì)的“第四態(tài)”。當(dāng)氣體間電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)后氣體會(huì)發(fā)生擊穿，產(chǎn)生電弧等離子體，采用發(fā)射光譜法對(duì)電弧等離子體進(jìn)行診斷，通過(guò)分析光譜的波長(zhǎng)、光強(qiáng)和半高寬度等，得到電弧等離子體的電子溫度和電子密度等微觀參量。 

2.1 光譜分析基礎(chǔ) 
原子的發(fā)射光譜是組成物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)及其特征的反映，對(duì)其譜線的波長(zhǎng)與強(qiáng)度的關(guān)注是光譜分析的基礎(chǔ)，按其特征譜線的波長(zhǎng)可以對(duì)該原子的存在進(jìn)行鑒定和分析。在原子光譜分析中[59]，通常是根據(jù)元素靈敏線進(jìn)行元素的檢出和測(cè)定，元素的靈敏線一般均是強(qiáng)度較大的一些譜線，通常具有較低的激發(fā)能和較大的躍遷幾率。元素靈敏線及其波長(zhǎng)分布，同樣與原子或離子的能級(jí)結(jié)構(gòu)存在著規(guī)律性聯(lián)系，靈敏線的波長(zhǎng)取決于參加輻射躍遷的高低能級(jí)的能量差，越容易激發(fā)的元素，其靈敏線越長(zhǎng)，越難激發(fā)的元素，其靈敏線的波長(zhǎng)越短，對(duì)于多數(shù)易激發(fā)元素，其靈敏線多發(fā)分布于近紅外及可見(jiàn)區(qū)，難激發(fā)非金屬元素靈敏線多分布在遠(yuǎn)紫外區(qū)，而絕大部分具有中等激發(fā)能的元素，其靈敏線則分布于近紫外區(qū)。 通過(guò)對(duì)發(fā)射光譜譜線波長(zhǎng)分析可以判斷它由哪個(gè)元素所發(fā)射的，光譜的定性分析便是通過(guò)對(duì)發(fā)射譜線的波長(zhǎng)進(jìn)行確定，以判斷等離子體中含有哪些元素。常用的方法有光譜比較法、波長(zhǎng)測(cè)得法和“全譜”拍照法等。光譜比較法是將測(cè)得的光譜線與標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)表進(jìn)行比較，從而確定是否為某元素的譜線；波長(zhǎng)測(cè)定法是依據(jù)位置譜線處兩條已知元素的譜線中間，這些譜線波長(zhǎng)十分接近，因此譜線波長(zhǎng)可由線間距用比長(zhǎng)儀準(zhǔn)確測(cè)量來(lái)確定，再根據(jù)波長(zhǎng)的數(shù)值由譜線表中查出該譜線所屬元素；“全譜”拍照法是以中階梯光柵及棱鏡雙色散系統(tǒng)的光電直讀儀上，由于具有多條譜線同時(shí)測(cè)定的功能，在儀器上預(yù)先引入單元素的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算機(jī)鎖定每個(gè)元素的譜線的精確位置與含量，并儲(chǔ)存工作曲線，當(dāng)記錄下所含元素發(fā)出的譜線后，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件的譜線識(shí)別功能，對(duì)所含元素進(jìn)行識(shí)別[59]。
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2.2SF6/N2混合氣體放電的電子溫度測(cè)量
電子溫度是表征等離子體性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)，等離子體的電子溫度是影響譜線強(qiáng)度的最重要的因素，對(duì)于局部熱力學(xué)平衡或熱力學(xué)平衡的等離子體，測(cè)量電子溫度對(duì)于研究等離子體的基本特性具有十分重要的意義[63]。測(cè)量等離子體的電子溫度通常采用雙譜線法或多譜線斜率法。 電子密度是表征等離子體放電的又一重要參數(shù)，根據(jù)流注理論，當(dāng)氣體在強(qiáng)電場(chǎng)下發(fā)生電離時(shí)，電離出的電子在電場(chǎng)的作用下沿著電場(chǎng)線方向運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步的發(fā)生碰撞和電離，最終形成電子崩。計(jì)算電子密度的方法主要有 Saha 方程法和譜線加寬方法等[64-66]。 在局部熱力學(xué)平衡條件下，等離子體通道內(nèi)部粒子的速度分布滿足 Maxwell 分布、各帶電離子和原子之間滿足 Saha 分布、各能級(jí)服從 Boltzmann統(tǒng)計(jì)分布，這樣就建立起輻射量和等離子體各參量之間具有明確物理意義的定量關(guān)系。在局部熱力學(xué)平衡體系中，等離子體內(nèi)部同種元素離子和原子的濃度由電離度決定，即電離度決定了等離子體內(nèi)部的粒子數(shù)分布，這一分布可以通過(guò) Saha 方程來(lái)描述，從而得到電子密度的表達(dá)式[67]。 
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第 3 章 SF6/N2混合氣體實(shí)驗(yàn)裝置與測(cè)量回路 ........... 14 
3.1 SF6/N2混合氣體實(shí)驗(yàn)裝置 ....... 14 
3.1.1  高壓電源........... 14 
3.1.2  密封氣室........... 14 
3.1.3  氣體混合與回收裝置....... 15 
3.1.4  實(shí)驗(yàn)電極........... 17 
3.1.5  電壓和光譜的檢測(cè)裝置........... 17 
3.2 SF6及 SF6/N2混合氣體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量 .... 19 
3.2.1  光譜實(shí)驗(yàn)測(cè)量回路........... 19 
3.2.2  極性實(shí)驗(yàn)測(cè)量回路........... 20 
3.3  本章小結(jié) .... 21 
第 4 章 均勻電場(chǎng)下實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 .......... 22 
4.1  均勻場(chǎng)下?lián)舸╇妷簻y(cè)量與分析 ....... 22 
4.2 SF6及 SF6/N2混合氣體放電的光譜測(cè)量與計(jì)算 ..... 25 
4.3  光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析........29 
4.4  本章小結(jié)....41 
第 5 章 不均勻場(chǎng)下?lián)舸╇妷簻y(cè)量與分析 ..........43 
5.1 不均勻電場(chǎng)的電氣特性....43
5.2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析........44
5.3  本章小結(jié)....50 

第 5 章 不均勻場(chǎng)下?lián)舸╇妷簻y(cè)量與分析 

工程中各電氣設(shè)備中廣泛的存在不均勻電場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，氣體在不均勻電場(chǎng)下存在著極性效應(yīng)，極大的削弱了設(shè)備的絕緣能力。中壓開(kāi)關(guān)領(lǐng)域的氣體絕緣設(shè)備面臨著向小型化的方向發(fā)展的挑戰(zhàn)，由于 SF6/N2混合氣體具有較好的絕緣能力，具有較好的工程實(shí)用價(jià)值，對(duì) SF6/N2的棒-板電極下產(chǎn)生不均勻電場(chǎng)時(shí)正負(fù)極性的擊穿電壓進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，研究其極性效應(yīng)，并對(duì)工程實(shí)踐提出指導(dǎo)意義。 

5.1 不均勻電場(chǎng)的電氣特性 

不同的電極形狀對(duì)極間電場(chǎng)分布會(huì)產(chǎn)生很大的影響，本文對(duì)所使用的棒-板電極，進(jìn)行靜電場(chǎng)仿真計(jì)算，得到本實(shí)驗(yàn)電極間距與電場(chǎng)不均勻系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而分析SF6及 SF6/N2混合氣體極性效應(yīng)與電場(chǎng)不均勻度的關(guān)系。從圖 5.3 中可以看出，棒-板電極下，當(dāng)氣體不發(fā)生游離時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度最大的區(qū)域分布在棒電極的端部，靠近平板電極時(shí)電場(chǎng)分布趨向均勻。經(jīng)仿真計(jì)算得到在不發(fā)生游離時(shí)正負(fù)極性的電場(chǎng)分布與棒電極的極性無(wú)關(guān)，且隨著電極間隙距離的增加，電場(chǎng)分布越不均勻。 對(duì)于電極形狀不對(duì)稱(chēng)的棒-板間隙，擊穿電壓與棒的極性有著很大的關(guān)系，這就是極性效應(yīng)[74]。當(dāng)棒-板電極加上電壓后，曲率半徑小的棒電極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度最大，如果此處的場(chǎng)強(qiáng)超過(guò)氣體電離所需的電場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)，氣體開(kāi)始電離產(chǎn)生電子和正離子，由于正空間電荷的出現(xiàn)會(huì)對(duì)外電場(chǎng)的分布產(chǎn)生畸變作用，導(dǎo)致棒-板電極下正極性的擊穿電壓與負(fù)極性的擊穿電壓不同[75]。目前理論上分析氣體的極性效應(yīng)僅考慮正空間電荷對(duì)外電場(chǎng)的畸變，沒(méi)有將電負(fù)性氣體電離會(huì)產(chǎn)生負(fù)離子的情況考慮進(jìn)去，對(duì)于電負(fù)性氣體較強(qiáng)的 SF6氣體不完全適用。因此本文將結(jié)合所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)比不同混合比氣體的極性效應(yīng)，分析研究 SF6/N2混合氣體的極性效應(yīng)。

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結(jié)論 

本文通過(guò)設(shè)計(jì)和搭建實(shí)驗(yàn)回路，采用實(shí)驗(yàn)的手段，對(duì) SF6及 SF6/N2混合氣體的絕緣性能和放電時(shí)等離子體通道的光譜特性開(kāi)展研究，得到以下結(jié)論： 
（1）SF6與 N2混合后具有良好的絕緣性能，SF6及 SF6/N2混合氣體的擊穿電壓與氣體壓強(qiáng)和極板間隙距離成線性增長(zhǎng)關(guān)系，0.3MPa 時(shí)當(dāng)混合氣體中 SF6混合比僅為20%時(shí)，其擊穿電壓可達(dá)到相同條件下純 SF6氣體的 72%  ，若繼續(xù)提高 SF6混合比，混合氣體的絕緣性能提高不明顯；混合氣體中 SF6混合比為 20%時(shí)具有較高的工程實(shí)用價(jià)值，可極大地減少 SF6的用氣量并降低了其液化溫度，增強(qiáng)氣體絕緣設(shè)備在高寒地區(qū)的適用性。 
（2）保持電極間距不變，氣體壓強(qiáng)為 0.1MPa-0.4MPa 時(shí)，SF6、N2及 SF6/N2混合氣體放電時(shí)測(cè)得電弧等離子體的光強(qiáng)均隨著氣體壓強(qiáng)的升高逐漸增大，電子溫度逐漸減小，電子數(shù)密度增大，等離子體通道內(nèi)的電導(dǎo)率逐漸增大。保持壓強(qiáng)不變，SF6及SF6/N2混合氣體完全擊穿時(shí)的光強(qiáng)隨著間隙距離的增大逐漸增大，等離子體通道的電子溫度、電子密度及電導(dǎo)率基本保持不變。保持電極間距和氣體壓強(qiáng)不變，隨著混合氣體中 SF6混合比的升高等離子通道內(nèi)的光強(qiáng)逐漸增強(qiáng)，電子溫度逐漸升高，電子數(shù)密度和電導(dǎo)率逐漸下降。 
（3）SF6及 SF6/N2混合氣體在極不均勻電場(chǎng)中存在極性效應(yīng)，相同實(shí)驗(yàn)條件下的正極性的擊穿電壓大于負(fù)極性的擊穿電壓，與 N2的極性效應(yīng)完全相反，稱(chēng)之為反極性；當(dāng) N2中加入少量的 SF6氣體后，明顯的削弱了 N2的極性效應(yīng)，，使得混合氣體的極性效應(yīng)不明顯，隨著氣壓的升高，SF6/N2混合氣體的正極性擊穿電壓曲線出現(xiàn)飽和趨勢(shì)，在 0.3MPa-0.4MPa 間出現(xiàn)“鞍馬效應(yīng)”，極性效應(yīng)減弱，當(dāng) SF6:N2為 20:80 時(shí)，隨著氣壓的升高在 0.25MPa 時(shí)出現(xiàn)了極性反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。 
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參考文獻(xiàn)(略)  

本文編號(hào)：63479