1、第 49 卷 第 3 期：971-981 高电压技术 Vol.49,No.3:971-981 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20221508 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 高压断路器中 C4F7N/CO2混合气体的开断性能 宋 宇，林 莘，徐建源，张 佳（沈阳工业大学电气工程学院，沈阳 110870）摘 要：C4F7N/CO2混合气体是一种潜在的 SF6替代气体，开展其在高压断路器中开断性能的研究，对推动环保输电方式发展、支撑双碳目
2、标实现具有重要的工程意义。基于磁流体动力学(magnetohydrodynamics，MHD)理论，仿真计算了充有 0.6 MPa 5%C4F7N/CO2、10%C4F7N/CO2、15%C4F7N/CO2混合气体和纯 SF6的 40.5 kV 断路器20 kA 短路电流开断过程，分析 C4F7N 混合比例对电弧温度特性、灭弧室气压与喷口气流特性的影响规律，并与纯 SF6进行比较。研究结果表明：与混合气体相比，SF6气体电弧具有更高的弧芯温度和更小的电弧半径，随着C4F7N 比例的增加，混合气体弧芯温度升高、电弧半径减小。断路器短路开断过程中，SF6气体建立起更高的吹弧气压，气吹速度明显高于混
3、合气体，可以形成更好的气吹效果来冷却电弧。最后，基于 Mary 电弧数学模型计算得到电流零区不同气体的电弧时间常数与电弧功率耗散系数，并以临界恢复电压上升率(rate of rise of TRV，RRRV)定量评判气体开断性能，0.6 MPa 的 5%C4F7N/CO2、10%C4F7N/CO2、15%C4F7N/CO2混合气体临界 RRRV 分别为 1.54、2.22 和 2.28 kV/s，远低于 SF6的 4.98 kV/s。关键词：高压断路器；SF6替代气体；C4F7N/CO2；电弧温度；气压特性；气吹速度；开断性能 Interruption Performance of C4F7N
4、/CO2 Gas in High-voltage Circuit Breaker SONG Yu,LIN Xin,XU Jianyuan,ZHANG Jia(School of Electric Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)Abstract：The C4F7N/CO2 mixed gas is a potential alternative gas for SF6.It is of great significance to further study its interruption
5、performance in high-voltage circuit breaker for the development of new environmentally friendly power transmission methods and realization of the carbon peaking and carbon neutrality goals.Based on the magnetohydrody-namics theory,the 20 kA short-circuit current interrupting process of 40.5 kV circu
6、it breaker filled with 0.6 MPa 5%C4F7N/CO2,10%C4F7N/CO2,15%C4F7N/CO2 and pure SF6 was calculated.The influences of C4F7N content on the arc temperature,arc chamber pressure and nozzle airflow characteristics were analyzed,and compared with pure SF6.The re-search results show that,compared with mixed
7、 gas,SF6 gas arc has higher arc core temperature and smaller arc radius.With the increase of C4F7N content,the mixed gas arc core temperature increases and the arc radius decreases.During the short-circuit interrupting process of the circuit breaker,the SF6 gas establishes a higher gas pressure,and
8、the airflow ve-locity is significantly higher than that of the mixed gas,which can form a better blowing effect to cool the arc.Finally,the arc time constant and arc power loss coefficient of different gases were calculated based on the Mary arc mathematical model,and the gas interrupting performanc
9、e was quantitatively evaluated by the rate of rise of TRV(RRRV).The critical RRRV of 5%C4F7N/CO2,10%C4F7N/CO2 and 15%C4F7N/CO2 at 0.6 MPa are 1.54 kV/s,2.22 kV/s and 2.28 kV/s,respectively,which are much lower than 4.98 kV/s of SF6.Key words：high-voltage circuit breaker;SF6 alternative gas;C4F7N/CO2
10、;arc temperature;pressure characteristic;airflow velocity;interruption performance 0 引言1 2020 年，习近平总书记在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布：“中国将提高国家自主贡献力 基金资助项目：国家自然科学基金(51637006；51777130)。Project supported by National Natural Science Foundation of China(51637006,51777130).度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 20
11、60 年前实现碳中和”。实现双碳目标的核心是控制碳排放，而能源活动中所产生的二氧化碳排放占总碳排放量的80%以上，电力行业作为能源活动最重要的部分，必须承担起实现双碳目标的重任1-3。开关设备是电力行业使用最多的设备，SF6以972 高电压技术 2023,49(3)其优异的绝缘和灭弧性能被广泛应用于高压开关设备中。然而 SF6气体温室效应严重，全球变暖潜能值(global warming potential，GWP)是 CO2的 23 500倍，大气存活寿命为 3200 年。1997 年签订的京都议定书将 SF6列为了 6 种限制排放的温室气体之一，相关行业被要求对 SF6的使用需采取相应的管
12、制措施4-6。在当前新形势下，电力行业要实现双碳目标，寻找能够完全替代 SF6的新型环保介质成为最重要和紧迫的任务之一。C4F7N 气体绝缘强度是 SF6的 2 倍以上，GWP值低至 SF6的 8.8%，液化温度为4.7，需与 CO2、干燥空气等混合以降低其液化温度，满足寒冷环境下的工程应用7-10。大量研究结果表明 C4F7N/CO2是一种极具潜力的 SF6替代气体11-14。绝缘性能方面，C4F7N 体积分数为 10%的 C4F7N/CO2混合气体可达到相同条件下 SF6绝缘水平的 80%，体积分数20%的混合气体可达到相同条件下 SF6绝缘水平的95%以上15。现已成功开发出以 C4F7
13、N/CO2为绝缘介质的 420 kV 气体绝缘输电线路(GIL)、245 kV 电流互感器(TA)和 145 kV 气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)产品16。国内，依托国家重点研发计划“环保型管道输电关键技术”项目，中国电力科学研究院牵头，联合武汉大学、西安交通大学、沈阳工业大学、平高集团有限公司等多家高校、科研院所和制造企业，研制的 1100 kV 环保型(填充 C4F7N/CO2)GIL 也已顺利通过全套型式试验，并在武汉特高压交流试验基地带电考核17-18。开断性能方面，GE 公司针对一台填充C4F7N/CO2混合气体的隔离开关19，进行了母线转移电流开断实验，研究结果表明：0.55
14、MPa 下混合气体的平均燃弧时间为 12 ms，低于 SF6气体的 15 ms。文献20开展了 C4F7N/CO2混合气体在拉弧以及喷口限制吹弧条件下的燃弧特性实验研究，并通过 Mayr 模型对热开断能力进行了定量评估。结果表明：在拉弧作用下 C4F7N/CO2混合气体小电流热开断(约 2 kA)能力与 SF6相当，而在吹弧作用下约为 SF6的 91%。文献21进行了填充 0.55 MPa SF6和 0.8 MPa 5%C4F7N/CO2气体的 145 kV 断路器近区故障开断试验，测量了电弧电压、电弧电流等参数，对比分析不同气体的开断性能。研究结果表明：接近 C4F7N/CO2开断极限时，其
15、电流过零前 200 ns的电弧电导值(G200)为 0.9 mS，高于 SF6的 0.7 mS，5%C4F7N/CO2开断性能弱于 SF6气体。文献22-23 分别对 SF6、5%C4F7N/CO2以及 6%与 20%O2体积分数下 5%C4F7N/CO2混合气体在 40.5 kV 自能式断路器中的灭弧性能开展仿真与实验研究，结果表明：5%C4F7N/CO2混合气体断路器的热开断能力约为纯 SF6气体断路器的 31.3%，提高混合气体中 O2含量可以提升气体开断性能 10%左右，但相比 SF6仍有一定差距。建议在使用温度较高的场合，可适当提高 C4F7N 气体的比例，从而提升灭弧性能。因此，在
16、该系列文献研究基础上，本文提出对 C4F7N 体积分数为 5%、10%与 15%的 C4F7N/CO2混合气体开断性能开展仿真与试验研究。工程应用方面，2021年 6 月，韩国现代电子集团研究人员宣布成功研制出一台电压等级为 170 kV 的 5%C4F7N/CO2混合气体 GIS，该 GIS 断路器部分充气压力 0.9 MPa，其他部分充气压力 0.8 MPa，短路电流开断能力为 50 kA/60 Hz24。此外，截止 2021 年底，填充 0.85 MPa C4F7N/O2/CO2(体积分数分别为 6%/5%/89%)混合气体的 145 kV GIS 在欧洲 7 个国家的 16 个变电站带电运行，其中大部分设备在低于其额定电压的工作电压下运行25。综上，C4F7N/CO2混合气体作为绝缘介质在高压开关设备中得到了广泛应用，其大电流开断性能研究仍处于理论与试验探索阶段，国外已开发多种以 C4F7N/CO2混合气体为灭弧介质的高压开关设备，国内相关产品仍处于空白。因此，有必要针对C4F7N/CO2断路器短路电流开断过程中的燃弧特性、能量耗散机理以及弧后介质恢复过程进行进一步深入研究，为
