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图8不同混合比CF3I/N2和纯SF6击穿电压对比
对比发现:混合比为30%,气压为0.3MPa的CF3I/N2在极不均匀电场、稍不均匀电场、准均匀电场下的工频击穿强度分别达到0.15~0.2MPaSF6的击穿电压水平;混合比为50%,气压为0.3MPa的CF3I/N23种电场下的工频击穿强度值分别达到0.15、0.2和0.25MPaSF6的击穿电压水平,在该混合比条件下不同电场CF3I/N2替代性差别较大,这是由于前文分析得出的CF3I对电场的敏感度较高的缘故,随着CF3I含量的增加,在电场均匀度越高的环境绝缘性能提升越大。气体绝缘电气设备内部在不存在毛刺、微粒等绝缘缺陷前提下主要为稍不均匀电场[18],混合比为30%、气压为0.3MPaCF3I/N2在稍不均匀电场中击穿电压可以超过0.15MPa的纯SF6气体,现阶段广泛使用的气体绝缘环网开关柜(C-GIS)部分使用纯SF6或SF6与N2或CO2的混合气体作为内部绝缘气体,以ABB生产的SafeRing系列绝缘环网柜为例,其使用1.4MPa的纯SF6作为绝缘介质,本文提出的30%以上CF3I/N2完全在可以替代纯SF6应用于GIL[19]和C-GIS等绝缘要求相对较低的电气设备中,对于GIS和H-GIS等需要更高绝缘要求的设备,需要进一步提升CF3I/N2的气压或者CF3I含量[20],后续研究将围绕高气压CF3I/N2混合气体绝缘特性展开,提出适合用于更高电压等级的环保型混合气体方案。
总体来说,使用CF3I/N2混合气体替代SF6气体有巨大的推广前景。CF3I气体的主要优点表现在环保价值方面,且CF3I某些绝缘性能优于SF6。
3 结论
1)CF3I/N2混合气体在不同电场、不同混合比下的工频击穿电压随气压均呈线性增长,相比SF6/N2混合气体,CF3I/N2混合气体的工频击穿电压受气压的影响较小。随着电场利用系数的增加,其工频击穿电压随气压增长的线性增长率逐渐提高,也说明了电场越均匀,气压越高,CF3I/N2混合气体的工频击穿特性越优异。
2)纯CF3I对电场的敏感度尤其高。N2的加入,改善了CF3I对电场的敏感度,相比于纯气,CF3I/N2混合气体对电场不均匀度的敏感程度虽然有所降低,但仍然略高于同条件下的SF6/N2混合气体。
3)极不均匀电场下,CF3I/N2混合气体在0.15MPa及以上气压呈正协同效应,协同效应明显程度整体优于SF6/N2混合气体。稍不均匀电场和准均匀电场下,SF6/N2和CF3I/N2两种混合气体呈现协同效应。两类混合气体的成分在击穿特性方面协同性相近。3种电场下,随着气压的升高,SF6/N2和CF3I/N2混合气体的Cp值总体都呈下降趋势,气压越高,Cp值越小,协同效应越明显。
4)混合比为30%,气压为0.3MPa的CF3I/N2可以替代纯SF6应用于GIL和C-GIS等绝缘要求较低的电气设备中,对于GIS和H-GIS等需要更高绝缘要求的设备,需要进一步提升CF3I/N2的气压或者CF3I含量。
5)综合考虑工频击穿特性、液化温度、温室效应等因素,在GIL和C-GIS等绝缘要求相对较低的电气设备中,气压为0.1~0.3MPa、混合比k为20%~50%的CF3I/N2混合气体具有替代SF6或SF6/N2气体用于气体绝缘设备的潜力。
团队介绍
作者 肖淞,张晓星,戴琦伟,韩晔飞
在国家973计划首席科学家唐炬教授的带领下,本团队现有教授2人,副教授1人,讲师2人,博士后研究人员3名,博士生14名,硕士研究生35名。本课题组隶属武汉大学电气工程学院雷电防护与接地技术教育部工程中心和高电压与绝缘技术国家电网公司重点实验室,长期围绕电力设备在线监测与故障诊断及材料绝缘特性展开研究。
张晓星教授:1972年7月生,男,工学博士,武汉大学电气工程学院教授,博士生导师,教育部新世纪优秀人才,973项目首席科学家助理,武汉大学珞珈学者,国际大电网B3.24、B3.40和B3.45工作组中方委员。现任武汉大学电气工程学院院长助理,高电压与绝缘技术系主任,主要研究方向为电气设备在线监测及故障诊断。获国家技术发明二等奖1项、省部级科技成果一、二等奖5项,在国际会议和国内外组织做特邀及大会报告十余次,在国内外学术刊物与会议上发表论文237篇,其中SCI检索83篇,EI检索133篇,出版中文专著3部、英文专著1部,授权发明专利39项。
肖淞博士(后):法国图卢兹大学等离子体工程和重庆大学电气工程双博士学位,现任国际大电网B3.24工作组委员,曾任图卢兹市学生学者联合会学术部理事。现在武汉大学电气工程学院任教,并以重点资助博士后身份从事研究工作,主要从事高压电气设备在线监测与故障诊断、SF6替代气体研发和等离子体热力学特性研究。在国内外专业权威期刊上发表学术论文20余篇,其中SCI检索源论文7篇,EI检索源论文10余篇,出版中英文专著各1部,授权发明专利6项。
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