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压缩与气体混合物在GIS中的特快速暂态过电压
S. Singha and M. Joy Thomas
高压工程系
印度科学院
印度班加罗尔
摘要
本文讨论了-混合气体中不同比例气体中特快速暂态过电压(VFTO)的特性.本文还比较了纯和纯的VFTO特性。使用实验室模型GIS母线槽进行调查，该模型具有用于模拟导致VFTO生成的切换事件的测试间隙。电容式电压传感器用于测量VFTO的峰值幅度和时间特性。在100至500千帕的压力范围内，在两种不同的间隙间距（0.20和0.61mm）下进行测量。从实验中得到的氮气、和-混合物的VFTO特性显示出相似的趋势。当间隙为0.20 mm时，所有情况下的浪涌峰值幅度均小于2.0 pu，但在间隙为0.61 mm时，其最大值达到2.41 pu。在0.20 mm间隙处，在-混合物中，10%和20%混合物（200至400 kpa）以及纯和40%混合物（200至300kpa）的峰值幅度差异不显著。在间隙击穿过程中发生电晕稳定可能是导致这种行为的原因。与上述0.20 mm间隙和0.61 mm间隙的观测不同，纯气体和气体混合物的峰值强度严格随压力增加而增加。在0.20 mm间隙处，发现间隙击穿时间在所有情况下几乎都是恒定的。但在
0.61mm间隙处，击穿时间视混合物、压力和击穿电压而定，这一观察结果符合托普勒火花定律。
1 介绍
几乎是所有气体绝缘高压设备的主要绝缘介质。然而，近年来，尽管具有良好绝缘和灭弧介质的所有理想性能，但它的未来用途仍在世界各地争论。当受到放电时，高毒性且具有腐蚀性的化合物在低浓度下形成[1]。它也是一种高效的红外（IR）吸收器，因此是一种有效的温室气体。《联合国气候变化公约》决定将2010年温室气体排放量减少到低于1990年的水平[2]。根据该议定书，还必须减少气体的排放，因此全球需要采取适当行动，用环保气体或气体混合物替代气体。由于上述原因，研究正在寻找特殊的方法以尽量减少释放到环境中。可能的解决方案是使用其他气体或含有较低含量的气体混合物。在这点上，含不同百分数的-气体混合物是一种良好的介电介质，被广泛认为是最有可能替代[1]的气体。近年来，人们对-混合物作为绝缘介质的基本性质、反应和性能进行了深入的研究。根据世界范围内开展的研究，在实际应用中，-混合物（可代替使用，而无需对现有GIS设备的硬件、操作或额定值进行大幅度更改）的最佳配比被认为是40%至60%的混合物[1，2]。近年来开展的研究也表明，-混合物的浓度低至20%是有优势的。甚至低浓度下，这种混合物显示出了纯[2]的许多理想性能。
陡前瞬变，通常称为特快速暂态过电压（VFTO），出现在GIS中隔离开关和断路器运行期间或在接地故障期间[3,4]。在GIS内部的特性阻抗及其与其他设备的接口的每一个不规则处，这些瞬变都会被反射并施加在稳态电压上。虽然这些瞬变在实际的GIS中有一个频带， 但单频电压形状被用来评估VFTO对GIS中元件介电性能的影响。随着GIS技术的进步，人们越来越重视快速瞬变条件下隔离开关和GIS元件的可靠性。早期的研究[3]描述了发生在隔离开关起弧过程中的物理现象以及发生的瞬变量。此外，Itoh等人还讨论了隔离开关和接地开关的一般要求[5]。为了计算瞬变量，这些作者和其他人在断开开关闭合前假定俘获电荷为1pu。电磁瞬变程序（EMTP）通过对已知集总元件或分布元件的不同参数进行建模，来计算GIS内各个点的瞬变量。由此得到的结果表明，瞬态幅度可高达2.5pu。
在GIS中，纯作为绝缘介质时，与过电压水平（pu）有关的瞬态现象已得到广泛的分析研究，实验研究很少。本文研究了绝缘GIS中VFTO的实验测量，但主要限于现场测试[4,6]。这些实验测量是使用球形电场传感器进行的，该传感器能够对陡前电压瞬变进行非接触性测量[4,7,8]。这些测量的主要目的是确认电容式传感器在GIS系统中测量VFTO的充分性，这些研究更多包含了关于传感器性能的信息，但与VFTO特性相关的数据非常少。据报道，测得的VFTO峰值幅度很少超过2.0 pu，但在某些其他情况下，VFTO峰值幅度也超过2.0 pu[4,8]。VFTO峰值的大小完全取决于进行实验的GIS系统布局，因此各个系统的峰值VFTO水平会有所不同。
在某些情况下，如隔离开关操作前负载侧存在1 pu的陷阱电荷，并且在发生接地故障期间，根据GIS系统布局，VFTO水平可能达到2.5到3.0 pu。此外，还进行实验研究了在暂态电压下，纯和-混合气体GIS中的间隙击穿现象[9,10]。在大多数情况下，使用共振测试电路产生快速暂态电压（主要是振荡），并将其应用于模型GIS母线槽中的间隙，测量击穿电压。
据研究，根据磁场不均匀性，GIS中的间隙击穿时间通常在4至20 ns之间，并且在间隙破裂后200 ns内会出现瞬变峰值[1]。出现VFTO最大峰值的时间也主要取决于GIS系统配置。
虽然有一些关于使用纯在GIS中产生的VFTO特性的基本信息，但详细研究实际GIS中以-气体混合物为绝缘气体的间隙距离、气体压力和气体混合物在实际压力范围内的系统变化对VFTO峰值大小和时间特性的影响目前还没有研究。
因此，在本研究中，在不同间隙间距和气体压力下，对-混合气体中混合气体成分从10%到40%的VFTO量值和时间特性进行了实验测量。
图1 测量VFTO特性的实验装置
2 实验技术
采用德国西门子公司提供的145kVGIS母线槽，对不同比例的六氟化硫在氮气中的混合气体进行了测量实验。用电容探针测量VFTO的幅度。
2.1 测试间隙和程序
本研究中使用的实验装置如图1所示。通过将直径为5cm的半球形电极间隙插入模型母线槽，模拟了产生VFTO的隔离开关操作。研究了0.20和0.61mm两种不同间隙的VFTO特性。为了精确测量，也为了确认电极表面的对准，使用填隙规测量间隙，测量精度优于 0.5%。调整间隙后，在不干扰间隙的情况下对所有混合比和压力进行试验。GIS模型母线槽是距离间隙轴2.45m长的单个浮动母线。使用母线槽，在100至500 kpa的压力范围内对上述每个间隙进行了试验。使用预先校准的压力计测量试验室中的压力，该压力计位于模型母线槽的中间，使用该压力计测量的压力精确到plusmn; 2%。从150千伏高压试验变压器中，用50赫兹的正弦电压激励高压母线。在本研究中，假设变压器在电压范围内无放电。模型母线槽最初被抽真空至约10^-3千帕的极低压力，以去除空气、水分和其他存在的污染物。然后在管道中填充适当的气体进行实验。在纯和纯氮气的情况下，在开始试验之前，直接填充气瓶等级气体（纯度99.5%）并保留约1 h。为了制备-混合物，根据气体的分压填充管道。在该方法中，首先让混合物中百分比含量较低的气体（即本例中的）进入，然后让混合物中含量较高的气体（即）进入。然后将混合物至少放置5小时，以便在实验开始前适当混合气体。在连续故障之间，提供10分钟的延时。 气体的处理，即抽空、预浸和回收等，是在德国DILO的气体回收和加压工厂的帮助下完成的。
2.2 测量系统
使用电容式电压传感器测量VFTO，该传感器响应时间迅速，是专门为此目的而开发的[11]。传感器的电压上升时间（从满振幅的10%上升到90%的时间）足以测量隔离开关引起的快速暂态电压上升。由于间隙击穿而产生的快速瞬变记录在示波器（采样率为1 Gsample/s的200 MHz Tektronix数字存储示波器）上，该示波器使用0.6 m长的同轴电缆（RG56/CU）从传感器输出端连接。仿真结果表明，连接电缆不会对VFTO特性产生任何影响。此外，由于测量的目标是VFTO峰值的pu值（即峰值电压与实际50赫兹交流峰值电压之比），而不是实际电压水平，因此可以忽略使用示波器测量VDTO峰值时可能出现的误差。考虑到CRO屏幕上测量绘图参数的准确性,在适当的时间扫描下记录VFTO波形。用于测量的传感器示意图如图2所示。
图2 用于测量的电容式传感器
图3 典型的VFTO波形。时间刻度：2.5ns/Div. tr=故障时间。tp=达到最大峰值的时间。O:在峰值的10%以零（0 V）为基数得到的值（B）。A:从O开始在VFTO波形的上升部分的第一个尖峰。B：VFTO最大峰值
利用上述实验技术，可以测量具有-气体混合物绝缘的GIS模型母线槽中的VFTO特性，其精度可达plusmn;2%。使用实验装置记录的典型VFTO波形如图3所示，其中显示了不同的相关参数。结果和讨论将在以下章节中介绍。
3 结果
图4、5和6显示了使用上述实验装置在500 kpa压力下记录的纯、纯和浓度为10%、20%和40%的-混合物的典型VFTO特性。只有在500kpa的压力下才显示出特性，因为它位于纯气体绝缘开关设备的实际压力范围内。其他气体压力下的特性与所示相似。图4和图5分别显示了0.20 mm和0.61 mm间隙处获得的特性，图6中的特性与0.61 mm间隙处记录的特性相对应，但时间尺度较短。此外，对于0.20和0.61mm间隙，表1给出了纯气体以及所有压力下气体混合物的VFTO上升时间和过电压系数（单位：pu）的结果。这些数据如图7所示为气体/混合物压力下的过电压系数变化，与图8所示氮气中浓度的函数数据相同。
从图7可以看出，对于所研究的两个间隙，过电压系数随着气体/混合物压力的增加而增加。从图8可以明显看出，过电压系数在氮气中最低，并且随着浓度的增加而增加。特性早期呈现非线性趋势，在较高气压（400和500千帕）下更为明显。在300和500 kpa之间，过电压系数迅速增加到氮气中小于40%的含量（间隙为0.61 mm），但仅增加到10%的（间隙为0.20 mm）。在0.20 mm间隙处，200和300 kpa的压力之间，纯和40%在混合物中的过电压系数没有显著差异。对于中含20%和10%的混合物，也观察到类似的观察结果，但现在介于200和400千帕之间。另一方面，在0.61mm间隙处，无法进行此类观察。
从图4、5和6以及表1可以看出，在0.20 mm间隙下，纯及其混合物在所有压力下的击穿时间几乎为5.5 ns，而至400 kpa压力下的击穿时间为6.0 ns。相反，在间隙为0.61mm的情况下，间隙的击穿时间随压力和击穿电压的增大而减小。从图6可以清楚地看到，在500kpa下的最低火花时间为3.4ns。这些数据中的大部分是第一次获得的，并且尽可能与已公布的数据进行了比较。
4 讨论
为了清楚起见，在适当的章节中分析和讨论了气体/气体混合物压力在100至500kpa范围内以及不同气体混合物比下在两个间隙间隔处获得的结果。
4.1 波形
从图4、5和6所示的典型VFTO波形可以看出，VFTO波形与之前使用快速响应电容传感器对GIS系统进行研究时获得的波形相似[4]。它有一个陡峭的初始上升（3到6 ns），一个不会出现在波形最陡部分的峰值，以及一个逐渐衰减的振荡成分。可以进一步观察到，无论间隙间距、混合物浓度和气体压力有何变化，波形都是相似的。这种观察是由于VFTO波形的性质取决于GIS配置，在本研究中，所有情况下都使用相同的GIS母线槽配置进行了VFTO测量。
4.2 VFTO特性-过电压系数
从图7和图8可以看出，随着气体/气体混合物压力的增加和中的浓度的增加，VFTO的幅度增加。在500 kpa间隙为0.61 mm处，记录的最大值为2.41 pu。在0.20 mm间隙处，在所研究的整个压力范围内，过电压系数的增加几乎是线性的，而对于0.61 mm间隙，仅在小于300 kpa观察到线性（图7）。对于给定的系统配置，VFTO的大小取决于间隙的击穿电压。随着气体压力和混合气体中浓度的增加，气隙击穿电压增大，VFTO值也相应增大。在所研究的所有气体压力和两个间隙条件下，与纯和气体混合物相比，中的VFTO峰值幅度较低，这是因为与纯和-混合物相比，氮气的击穿电压值相对较低。
观察到，在所有压力下，当混合物中的百分比从0%增加到10%时，VFTO量迅速增加（图8）。然而，随着中的进一步加入，在所有压力下，VFTO幅度的上升率都会降低。在所研究的两个间隙处，过电压因素随混合成分的变化趋势有明显的不同。在0.20 mm间隙处，在所有压力下，VFTO量值迅速增加至le;10%的浓度，但在更高压力下明显。浓度的进一步增加似乎对过电压因素没有显著影响，特别是在较低的压力下。另一方面，在间隙距离为0.61mm时，过电压系数随浓度线性增加至le;20%（100和200kpa），随混合气体中浓度的增加（尤其是200kpa）而增加得更快。当压力大于300kpa时，当浓度从0%增加
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