来源 |《高电压技术》2017年第12期
标题 | 基于SF6替代气体的高压混合断路器开断特性
作者 | 程 显，陈占清，葛国伟，焦连曜，廖敏夫
SF6断路器在高压输电领域占据主导地位，由于SF6气体温室效应、高寒地区液化和分解气体有毒等缺点，急需寻求环保型SF6替代气体。国内外研究表明，在诸多SF6替代气体中，CO2气体具有相对优异的灭弧性能，且其物理化学性能较为稳定，液化温度低，GWP远低于SF6气体。CO2气体的燃弧特性优于压缩空气更接近于SF6气体，目前已有的CO2气体断路器最高电压等级已达到145kV，CO2气体作为SF6替代气体展现出极大的发展潜力。但受CO2气体自身有限的绝缘和灭弧性能限制，单纯依赖CO2气体发展更大开断容量的环保型高压断路器较为困难。其向高压领域发展，一方面可以通过优化气体灭弧室内部结构来进一步提升，另一方面可以采用真空间隙与CO2气体间隙串联构成混合断路器，控制两间隙协同配合动作，实现真空间隙辅助CO2气体间隙完成短路电流开断，提升基于CO2气体的高压混合断路器开断能力。
实验对比分析基于SF6气体的混合断路器与基于CO2气体的混合断路器中气体间隙与真空间隙的协同配合开断特性的差异；讨论影响基于CO2气体的混合断路器开断能力的主要因素，并根据实验结果对环保型混合断路器的设计提出建议。
通过理论与实验研究，得到串联真空间隙与CO2气体间隙的动态电压分布协同效果，即真空间隙承受初始TRV，CO2气体间隙承担后期TRV。通过协同配合控制，真空间隙可以为气体间隙提供100 ms的介质强度恢复时间。
CO2气体的灭弧性能与SF6气体差距较大。即使在真空间隙辅助提供100 ms介质恢复时间的情况下，旋弧灭弧室方式的CO2气体介质强度仍未恢复到较高水平。因此建议结合CO2气体自身特性，综合考虑增大CO2气体充气压力、优化CO2气体灭弧室内喷口及压气室结构等措施，提升CO2气体断路器的开断能力，然后再辅以真空间隙协同配合，实现更高电压等级的环保型断路器。
后续将进一步研究提升CO2气体断路器动态介质恢复速度的优化调控方法，主要包括气体灭弧室结构优化、基于电流转移的CO2气体断路器动态介质强度调控、气吹、磁控等优化研究。
DOI: 10.13336/j.1003-6520.hve.20171127006
程 显，陈占清，葛国伟，等.基于SF6替代气体的高压混合断路器开断特性[J].高电压技术，2017,43(12)：3862-3868.
程显，郑州大学电气工程学院副教授、硕士生导师、河南省输配电装备与电气绝缘工程技术研究中心主任。于2012年8月获得大连理工大学工学博士学位；于2012-2013年在英国曼彻斯特大学从事博士后研究工作。中国电工学会等离子体及应用专委会委员、河南省电机工程学会高电压与输变电专委会委员、河南省优秀博士后科研人员、河南省电机工程优秀青年工程师、郑州市智能电器及系统工程技术研究中心学术委员会主任委员。主要从事混合式断路器及新型电力开关装备智能化与高可靠性方面研究。近5年主持国家自然科学基金项目、中国博士后特别资助项目、河南省国际科技合作项目、河南省产学研合作项目、河南省高等院校重点科研项目、国网公司科技项目十余项。
郑州大学河南省输配电装备与电气绝缘工程技术研究中心开关设备与绝缘技术课题组现有教师4人，研究生20余人。课题组长期从事真空间隙与气体间隙串联开断高压大电流机理、多断口真空开关协同效应机理与调控措施、复合绝缘子绝缘特性、高性能混合式直流开关开断特性、高压多间隙真空触发特性、环境友好型中压开关设备研制及可靠性试验等方面研究。近年来课题组先后获得国家自然科学基金、中国博士后基金、国家重点实验室基金、河南省科技项目、国网系统科研项目资助30余项。发表SCI、EI检索论文50余篇，获得专利授权8项，研究成果获省、厅级科研奖励多次。
