第 1 章 緒論

1.1 課題研究背景及意義
氣體是電力系統(tǒng)中最常見的絕緣介質，它具有良好的絕緣自恢復能力等優(yōu)點，尤其是壓縮氣體在各設備絕緣中起到了關鍵作用。氣體絕緣變電站（Gas  Insulated Switchgear，GIS）是超/特高壓電網中的重要組成設備之一，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、隔離開關、接地開關、母線、電纜終端、進出線套管等優(yōu)化設計后分別裝在各自密封間中，最后集中組裝在一個充以 SF6作為絕緣介質的整體外殼中。與傳統(tǒng)的敞開式高壓開關設備相比，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，不產生噪聲和無線電干擾，運行安全、可靠且維護工作量少，抗震性能好的優(yōu)點[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的輸電管道，結構上與 GIS 中的母線相類似。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；過載容量較高；出現(xiàn)內部電弧時不會對外部環(huán)境造成破壞；外部電磁場強度非常低；冷卻費用低；免維護；可靠性高；使用非燃燒性材料，沒有火災危險；不易老化等優(yōu)點。因此 GIL 可以應用在空間有限而無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，如風景區(qū)等[3-4]。目前 GIS 和 GIL 在運行時充入的氣體均為 SF6氣體，極大的提到設備的絕緣能力和電網的輸電能力的同時，還極大的降低了輸電損耗，對特高壓輸電技術的發(fā)展起到了極大的推動作用。 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備當中。SF6是一種合成氣體，1900 年由法國化學家 Moissan 和 Lebeau 第一次由氟和硫反應而產生出六氟化硫氣體（SF6）。純 SF6具有極佳的物理特性，它是無色、無味、無毒和不可燃的鹵素化合物氣體，其化學性質穩(wěn)定，并具有很強的電負性，決定了 SF6氣體具有優(yōu)異的絕緣和滅弧性能。在均勻電場下，SF6氣體的絕緣強度為同等條件下空氣絕緣強度的 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，成為了高壓電器中重要的絕緣介質[6-7]。
............

1.2 國內外研究現(xiàn)狀 
SF6混合氣體的研究起步較早，通過測量氣體的擊穿電壓研究氣體的絕緣能力，采用發(fā)射光譜法測量氣體放電時的光譜信息，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，從微觀和宏觀相結合的角度對SF6及其混合氣體放電的等離子體進行研究。根據(jù)光譜參數(shù)得到氣體放電時形成放電通道的電子溫度和電子密度，進一步分析等離子體通道的電導率等參量信息。針對 SF6氣體性能的缺陷和不足，國際上各大氣體絕緣開關設備生產廠家和電力部門正在合作開發(fā)新型的 SF6混合氣體為絕緣介質的電力設備。德國的達姆斯塔特工業(yè)大學、日本的東京大學、加拿大的曼尼托巴大學等高校近年來也對此方向展開大量的專題研究，并取得了一定的進展[9-12]。 目前對 SF6替代氣體的研究結果表明，在 SF6氣體中添加適當?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、對電場不均勻性敏感的缺陷。國內外關于 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的電力設備也在實際工程得到了部分應用，世界上第一條 SF6/N2混合氣體絕緣傳輸線于本世紀初期在瑞士日內瓦國際機場投入運行[17]，其絕緣氣體中 SF6含量僅為 20%，減少了對環(huán)境的影響并大幅度降低了 GIL 的建設成本。法國電力公司與 ABB 公司合作開發(fā)長距離的 SF6/N2混合氣體 GIL 來替代該國 420kV 架空輸電線路[18]，以消除架空輸電線路對環(huán)境造成的負面影響。 我國開展 SF6混合氣體研究起步比較早[19]，國家自然科學基金委員會也曾有一系列的資助。國內部分高校對 SF6及其混合氣體展開了大量的研究，西安交通大學曾與國內生產廠家合作先后開發(fā)了 SF6混合氣體絕緣變壓器、電容器以及開關柜等電力設備，但 SF6含量在混合氣體中所占的比例至少在 85%以上。上海交通大學在研究混合氣體的基礎上，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致命的缺點是液化溫度更高，并且價格也非常昂貴，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；沈陽工業(yè)大學高電壓與電力系統(tǒng)研究所針對SF6/N2及 SF6/CF4等混合氣體也展開了大量的研究[21-24]。國內的其他一些高等院校也對SF6及混合氣體進行了相關的研究[25-28]。由于 N2具有化學性質穩(wěn)定、液化溫度極低、價格低廉易獲取、清潔無污染等優(yōu)點，并且 SF6/N2混合氣體具有較強的絕緣性能，因此 SF6/N2混合氣體具有較高的研究價值。 
.........

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，對外表現(xiàn)為電中性，被稱為物質的“第四態(tài)”。當氣體間電場強度達到臨界擊穿場強后氣體會發(fā)生擊穿，產生電弧等離子體，采用發(fā)射光譜法對電弧等離子體進行診斷，通過分析光譜的波長、光強和半高寬度等，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 
原子的發(fā)射光譜是組成物質的原子結構及其特征的反映，對其譜線的波長與強度的關注是光譜分析的基礎，按其特征譜線的波長可以對該原子的存在進行鑒定和分析。在原子光譜分析中[59]，通常是根據(jù)元素靈敏線進行元素的檢出和測定，元素的靈敏線一般均是強度較大的一些譜線，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分布，同樣與原子或離子的能級結構存在著規(guī)律性聯(lián)系，靈敏線的波長取決于參加輻射躍遷的高低能級的能量差，越容易激發(fā)的元素，其靈敏線越長，越難激發(fā)的元素，其靈敏線的波長越短，對于多數(shù)易激發(fā)元素，其靈敏線多發(fā)分布于近紅外及可見區(qū)，難激發(fā)非金屬元素靈敏線多分布在遠紫外區(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)。 通過對發(fā)射光譜譜線波長分析可以判斷它由哪個元素所發(fā)射的，光譜的定性分析便是通過對發(fā)射譜線的波長進行確定，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、波長測得法和“全譜”拍照法等。光譜比較法是將測得的光譜線與標準波長表進行比較，從而確定是否為某元素的譜線；波長測定法是依據(jù)位置譜線處兩條已知元素的譜線中間，這些譜線波長十分接近，因此譜線波長可由線間距用比長儀準確測量來確定，再根據(jù)波長的數(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測定的功能，在儀器上預先引入單元素的標準，計算機鎖定每個元素的譜線的精確位置與含量，并儲存工作曲線，當記錄下所含元素發(fā)出的譜線后，通過計算機軟件的譜線識別功能，對所含元素進行識別[59]。
...........

2.2SF6/N2混合氣體放電的電子溫度測量
電子溫度是表征等離子體性質的一個重要參數(shù)，等離子體的電子溫度是影響譜線強度的最重要的因素，對于局部熱力學平衡或熱力學平衡的等離子體，測量電子溫度對于研究等離子體的基本特性具有十分重要的意義[63]。測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，當氣體在強電場下發(fā)生電離時，電離出的電子在電場的作用下沿著電場線方向運動，進一步的發(fā)生碰撞和電離，最終形成電子崩。計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]。 在局部熱力學平衡條件下，等離子體通道內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、各能級服從 Boltzmann統(tǒng)計分布，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系。在局部熱力學平衡體系中，等離子體內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部的粒子數(shù)分布，這一分布可以通過 Saha 方程來描述，從而得到電子密度的表達式[67]。 
........

第 3 章 SF6/N2混合氣體實驗裝置與測量回路 ........... 14 
3.1 SF6/N2混合氣體實驗裝置 ....... 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  實驗電極........... 17 
3.1.5  電壓和光譜的檢測裝置........... 17 
3.2 SF6及 SF6/N2混合氣體實驗數(shù)據(jù)測量 .... 19 
3.2.1  光譜實驗測量回路........... 19 
3.2.2  極性實驗測量回路........... 20 
3.3  本章小結 .... 21 
第 4 章 均勻電場下實驗結果與分析 .......... 22 
4.1  均勻場下?lián)舸╇妷簻y量與分析 ....... 22 
4.2 SF6及 SF6/N2混合氣體放電的光譜測量與計算 ..... 25 
4.3  光譜實驗結果與分析........29 
4.4  本章小結....41 
第 5 章 不均勻場下?lián)舸╇妷簻y量與分析 ..........43 
5.1 不均勻電場的電氣特性....43
5.2  實驗結果與分析........44
5.3  本章小結....50 

第 5 章 不均勻場下?lián)舸╇妷簻y量與分析 

工程中各電氣設備中廣泛的存在不均勻電場的結構，氣體在不均勻電場下存在著極性效應，極大的削弱了設備的絕緣能力。中壓開關領域的氣體絕緣設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，具有較好的工程實用價值，對 SF6/N2的棒-板電極下產生不均勻電場時正負極性的擊穿電壓進行實驗測量，研究其極性效應，并對工程實踐提出指導意義。 

5.1 不均勻電場的電氣特性 

不同的電極形狀對極間電場分布會產生很大的影響，本文對所使用的棒-板電極，進行靜電場仿真計算，得到本實驗電極間距與電場不均勻系數(shù)的對應關系，進而分析SF6及 SF6/N2混合氣體極性效應與電場不均勻度的關系。從圖 5.3 中可以看出，棒-板電極下，當氣體不發(fā)生游離時電場強度最大的區(qū)域分布在棒電極的端部，靠近平板電極時電場分布趨向均勻。經仿真計算得到在不發(fā)生游離時正負極性的電場分布與棒電極的極性無關，且隨著電極間隙距離的增加，電場分布越不均勻。 對于電極形狀不對稱的棒-板間隙，擊穿電壓與棒的極性有著很大的關系，這就是極性效應[74]。當棒-板電極加上電壓后，曲率半徑小的棒電極附近的電場強度最大，如果此處的場強超過氣體電離所需的電場強度時，氣體開始電離產生電子和正離子，由于正空間電荷的出現(xiàn)會對外電場的分布產生畸變作用，導致棒-板電極下正極性的擊穿電壓與負極性的擊穿電壓不同[75]。目前理論上分析氣體的極性效應僅考慮正空間電荷對外電場的畸變，沒有將電負性氣體電離會產生負離子的情況考慮進去，對于電負性氣體較強的 SF6氣體不完全適用。因此本文將結合所得實驗結果，對比不同混合比氣體的極性效應，分析研究 SF6/N2混合氣體的極性效應。

........

結論 

本文通過設計和搭建實驗回路，采用實驗的手段，對 SF6及 SF6/N2混合氣體的絕緣性能和放電時等離子體通道的光譜特性開展研究，得到以下結論： 
（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和極板間隙距離成線性增長關系，0.3MPa 時當混合氣體中 SF6混合比僅為20%時，其擊穿電壓可達到相同條件下純 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%時具有較高的工程實用價值，可極大地減少 SF6的用氣量并降低了其液化溫度，增強氣體絕緣設備在高寒地區(qū)的適用性。 
（2）保持電極間距不變，氣體壓強為 0.1MPa-0.4MPa 時，SF6、N2及 SF6/N2混合氣體放電時測得電弧等離子體的光強均隨著氣體壓強的升高逐漸增大，電子溫度逐漸減小，電子數(shù)密度增大，等離子體通道內的電導率逐漸增大。保持壓強不變，SF6及SF6/N2混合氣體完全擊穿時的光強隨著間隙距離的增大逐漸增大，等離子體通道的電子溫度、電子密度及電導率基本保持不變。保持電極間距和氣體壓強不變，隨著混合氣體中 SF6混合比的升高等離子通道內的光強逐漸增強，電子溫度逐漸升高，電子數(shù)密度和電導率逐漸下降。 
（3）SF6及 SF6/N2混合氣體在極不均勻電場中存在極性效應，相同實驗條件下的正極性的擊穿電壓大于負極性的擊穿電壓，與 N2的極性效應完全相反，稱之為反極性；當 N2中加入少量的 SF6氣體后，明顯的削弱了 N2的極性效應，，使得混合氣體的極性效應不明顯，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，在 0.3MPa-0.4MPa 間出現(xiàn)“鞍馬效應”，極性效應減弱，當 SF6:N2為 20:80 時，隨著氣壓的升高在 0.25MPa 時出現(xiàn)了極性反轉的現(xiàn)象。 
.........
參考文獻(略)  

本文編號：63479