1、第 49 卷 第 3 期：1038-1045 高电压技术 Vol.49,No.3:1038-1045 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20220847 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March 环境友好型 HFO-1336mzz(E)混合气体在负荷开关中的灭弧性能仿真研究 王 凯1，周 然1，张博雅1，李兴文1，曹闽川1，邓竣巍1，唐 念2（1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安 710049；2.广东电网有限责任公司电力科学研究院
2、，广州 510080）摘 要：为了减少 SF6在电力设备中使用量，研究了环境友好型 SF6替代气体 HFO-1336mzz(E)气体作为灭弧介质在 12 kV 负荷开关中的应用可行性，建立了 2 维磁流体动力学仿真模型，在压气式负荷开关结构下进行负荷电流开断过程仿真，对比了 0.12 MPa 下 30%HFO-1336mzz(E)/CO2、30%HFO-1336mzz(E)/干燥空气混合气体与 0.1 MPa下SF6气体燃弧过程中的电弧电压、灭弧室内温度场、气流场分布以及弧后热击穿特性。研究表明，HFO-1336mzz(E)混合气体熄弧尖峰略大于 SF6，且电弧在轴向上扩散速率大于 SF6。电
3、流快过零时，混合气体的电弧温度比 SF6低1400 K。通过弧后热击穿评估，30%HFO-1336mzz(E)/CO2、30%HFO-1336mzz(E)/干燥空气混合气体的热开断能力分别可以达到 SF6的 95%和 96%。研究结果可为 HFO-1336mzz(E)混合气体作为灭弧介质在中压开关设备中的应用提供参考。关键词：环保气体；SF6替代气体；负荷开关；灭弧性能；磁流体动力学 Simulation Study on the Arc Extinguishing Performance of Eco-friendly HFO-1336mzz(E)Mixture Gas in a Load
4、Switch WANG Kai1,ZHOU Ran1,ZHANG Boya1,LI Xingwen1,CAO Minchuan1,DENG Junwei1,TANG Nian2(1.State Key Lab.of Electrical Insulation and Power Equipment,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China;2.Electric Power Research Institute of Guangdong Power Grid Co.,Ltd.,Guangzhou 510080,China)Abstract：In ord
5、er to reduce the use of SF6 in power equipment,we investigated the application feasibility of eco-friendly SF6-alternative gas HFO-1336mzz(E)as the arc extinguishing medium in a 12 kV load switch.We established a two-dimensional magnetohydrodynamic simulation model and calculated the current interru
6、ption process in the puff-er-type load switch.Moreover,we studied and compared the arc voltage,temperature field,airflow field distribution in the arc extinguishing chamber during the arcing period and the thermal interruption capability during the post-arc period for the 30%HFO-1336mzz(E)/CO2(0.12
7、MPa),30%HFO-1336mzz(E)/air(0.1 MPa)and SF6(0.1 MPa).The studies show that the arc quenching peak of HFO-1336mzz(E)gas mixtures is slightly greater than that of SF6,and the arc diffusion in the axial direction is greater than that of SF6.When the current nearly exceeds zero,the arc temperature of HFO
8、-1336mzz(E)gas mixtures is 1400 K lower than that of SF6.By analysis,the thermal interruption capability of 30%HFO-1336mzz(E)/CO2 and 30%HFO-1336mzz(E)/air gas mixture can reach 95%and 96%that of SF6,respectively.The results can provide reference for HFO-1336mzz(E)gas mixtures as arc extinguishing m
9、edium in medium voltage switchgears.Key words：eco-friendly gas;SF6-alternative gas;load switch;arc extinguishing performance;magnetohydrodynamic 0 引言1 自 20 世纪 70 年代以来，六氟化硫(SF6)气体因 基金资助项目：国家自然科学基金(51825702；51907154)；南方电网公司科技项目(GDKJXM20220361)。Project supported by National Natural Science Foundation o
10、f China(51825702,51907154),Science&Technology Project of China Southern Power Grid Co.(GDKJXM20220361).其高绝缘强度和良好的灭弧性能，成为电力开关中应用最广泛的绝缘和灭弧介质1-2。然而，SF6是一种强温室效应气体，其全球变暖潜能值(global warming potential,GWP)约为 CO2的 25 200 倍，在大气中的寿命长达 3200 年3-5。1997 年签订的京都议定书和 2016 年签署的巴黎协议明确规定王 凯，周 然，张博雅，等：环境友好型 HFO-1336mzz(E
11、)混合气体在负荷开关中的灭弧性能仿真研究 1039 SF6是限制排放的温室效应气体之一。2020 年，我国提出了“碳达峰、碳中和”的目标。因此，减少SF6的使用和排放是绿色发展的必然需求6-7。目前，电力领域采取了一系列针对 SF6气体的减排措施，如气体回收、气体检漏等。但这些措施无法从根本上避免 SF6气体在电力设备中的应用。所以，寻找在电气性能上接近 SF6且安全环保的气体介质成为近些年研究的热点。国内外对 SF6替代气体的研究一直没有中断，已经提出的替代气体包括常规气体(干燥空气、CO2、N2等)及其与 SF6混合气体8、碳氟化合物及其卤代物(c-C4F8、CF3I等)9-10、其 它
12、含 氟 化 合 物(C4F7N、C5F10O、HFO-1234ze(E)、HFO-1336mzz(Z)等)11-15。但是这些替代气体都有各自的优缺点，例如，常规气体电气性能较差，无法适应于高压领域电力设备小型化的发展需求；碳氟化合物及其卤代物存在碳析出或碘析出的问题；含氟化合物具有良好的绝缘和灭弧性能，但是它们的液化温度也较高，无法在电力开关中单独使用，需要加入缓冲气体混合才能应用。所以国内外研究者仍在不断地通过各类方法探索新型环保气体。本文提出高绝缘性能气体 HFO-1336mzz(E)作为SF6替 代 气 体，HFO-1336mzz(E)为 反 式-1,1,1,4,4,4六氟2丁烯，分子
13、式为 C4H2F6(CF3CH=CHCF3)16。HFO-1336mzz(E)是一种无色、不易燃、不爆炸、热稳定性高的气体，目前主要作为新型热泵工质和制冷剂进行研究17。该气体的GWP 值仅为 18、臭氧消耗潜能值(ozone depletion potential，ODP)值为 0，毒性很低18。同时，其大气寿命约为几天到几周，环保性能好。最重要的是，这种气体绝缘性能约为 SF6的 1.8 倍19-20。但是HFO-1336mzz(E)的液化温度较高，约为 7.58，在实际应用中需要加入缓冲气体21。然而，加入缓冲气体后，需要考虑混合气体的液化温度和绝缘性能。初步研究表明，HFO-1336m
14、zz(E)混合气体可以达到与 SF6相当的绝缘水平，且满足最低运行温度的要求，适用于中压开关设备。中压负荷开关作为一种结构简单、安装维护方便、安全可靠、经济技术指标比较合理的开关设备，在 1035 kV 供电系统，尤其在城市配网中已得到广泛的应用。负荷开关是带有简单灭弧装置的一种开关电器，能够关合、开断、承载线路正常负荷或规定的过负荷电流，并具有一定短路关合能力。按照灭弧介质或方式的不同，负荷开关主要分产气式、压气式、真空式和 SF6式，4 种负荷开关的结构各不相同，性能也有差别22-23。本文选择灭弧性能较强的压气式负荷开关(吹弧气体为 HFO-1336mzz(E)混合气体)作为研究对象，此
15、类负荷开关有明显断开点，其工作原理是在触头分开时通过气室内的气缸与活塞之间的相对运动来压缩灭弧腔内的气体，使得气体的压力逐渐增加，利用气体在喷口中进行流动的过程吹动电弧来实现气吹灭弧，开断小电流性能较好，灭弧效果比较稳定24-25。目前，已有研究者针对 HFO-1336mzz(E)混合气体的绝缘性能开展了初步研究，表明其具有替代SF6作为绝缘介质的潜力。但是，HFO-1336mzz(E)气体及其混合气体的灭弧性能还有待进一步验证。因此，本文对 SF6、HFO-1336mzz(E)混合气体在 12 kV 负荷开关中的灭弧性能开展了系统的仿真研究。首先根据饱和蒸气压特性和绝缘性能确定了HFO-13
16、36mzz(E)混合气体的配比方案和充气压力，然后建立了电流开断过程的二维磁流体动力学(magnetohydrodynamics,MHD)电弧模型，分析了开断负荷电流过程中电弧压力、温度、速度矢量的变化规律。同时，通过 Mayr 电弧模型对电弧能量耗散系数与电弧时间常数进行计算，得到了 SF6和HFO-1336mzz(E)混合气体弧后临界恢复电压上升率(rising rate of recovery voltage,RRRV)的关系，定量分析了 HFO-1336mzz(E)混合气体的热开断性能。1 仿真方法 磁流体动力学电弧模型自 20 世纪 90 年代起一直得到广泛的应用，尤其在开关电器的辅助设计和研究方面卓有成效。二维轴对称电弧磁流体动力学模型能够很好地结合高压开关的结构特点，节省大量计算时间，因此在工程应用中常作为电弧仿真及开断特性研究的首选模型。通过 MHD 仿真，可以提取灭弧室内丰富的物理信息，对气体灭弧性能的研究具有重要意义。1.1 混合气体配比方案 本文采用饱和蒸气压特性结合绝缘特性选泽了混合气体的配比方案。首先，根据文献18，当气压为 0.12 MPa 时，30%HFO