摘要：本文针对六氟化硫（SF6）气体在高压电器设备实际形状电极间的击穿特性，搭建126 kV SF。断路器触头间动态击穿特性试验回路，分别测量断路器在不同电压极性和灭弧室充气压强下分、合闸过程中触头间击穿电压，统计试验击穿点电压值和对应的开距，分别采用幂函数、四次多项式对分、合闸过程触头间击穿点电压值进行拟合，得到不同开距下击穿电压拟合曲线，并给出触头间击穿电压与开距之间的数学表达式。试验结果表明：S凡断路器分、合闸过程中，当触头间开距达到一定值后，SF6气体表现出“反极性”效应；同一开距下，分闸过程（平均速度9. 6 m/s）击穿电压小于合闸过程（平均速度4. 7 m/s） 。

    0 引言
    六氟化硫（S F6）气体因其出色的热化学性能和极强的电负性，以及高强度绝缘和高介质恢复速度特性，广泛应用在252 kV及以上电压等级电力系统中。电场的不均匀程度对S凡气体的击穿电压影响很大，在均匀场中，SF6气体击穿电压要比空气高出很多，有时可达3倍，而在极不均匀场中，SF6气体击穿电压大幅下降，有时甚至和空气十分接近。在实际电器设备中，电场不可能完全均匀，因此开展SF6电器实际形状电极的击穿特性试验，积累试验数据，完善SF6气体击穿理论显得十分重要。
    近年来，电力系统电压等级提高，给高压SF6设备绝缘性能提出了更高的要求。国内外学者对S F6气体击穿特性进行了大量的理论计算与实验研究。以往关于S F6气体击穿特性的研究大都针对气压0. 4 MPa以下典型电极展开，总结出的相关经验公式只能在一定范围内与实验现象相符。基于FEM-FCT法求解均匀电场下S F6气体的临界击穿场强，并与已有的实验结果进行对比，当气压在0.1～0. 4MPa时，数值计算结果与实验值基本相符。采用两项近似法求解Boltzmann方程，得到SF6气体在压强0. 4 MPa和0. 8 MPa下且温度300～3 000 K范围内的折合临界击穿场强。计算了SF6气体的击穿场强，但是缺少部分SF6气体分解物的碰撞截面，求解过程中做了一定程度的假设与简化，这势必会影响结果的准确性。
    针对高气压下SF6气体在高压电气设备中的击穿特性，搭建了特高压工程电容器组投切用SF6断路器触头间击穿电压动态特性试验回路，测量不同压强（P=0.7、0. 5 MPa）、电压极性下，断路器分、合闸过程中触头间的动态击穿电压。统计试验击穿点电压值和对应的开距，分别采用幂函数、四次多项式拟合方法对分、合闸过程触头间击穿点电压值进行拟合，得到不同开距下击穿电压拟合曲线，并给出了触头间击穿电压与开距之间的数学表达式。

    1 试验对象
    特高压工程电容器组投切用SF6断路器额定开断电压为126 kV、额定负荷电流为1600 A，额定短路电流为40 k A。图1为断路器灭弧室结构示意图和弧触头结构图。

    断路器操动结构采用双动技术，开断过程中触头刚分后10ms内动、静弧触头间相对平均运动速度为9. 6 m/s，关合过程中，触头刚合前10 ms内动、静弧触头间相对平均运动速度为4. 7m/s，弧触头间超行程为50 mm，开距为150 mm。分、合闸过程触头间速度一行程曲线如图2所示。

    2 断路器动态击穿特性试验
    搭建如图3所示的断路器触头间隙动态击穿特性试验回路，完成触头间击穿电压的测量。

    由G B 1984-2003《高压交流断路器》中对额定电压126 kV电容器组断路器的规定可知，试验断路器开断过程中触头间的恢复电压在8. 7 m s内达到峰值281 kV。因此，试验过程中民上电压应该大于281 kV。考虑试验过程中氏上电荷不断释放，电压不断降低，取电压降低系数为0.8，则氏上的起始电压应该大于281 kV/0. 8=351 kV，电容氏=0. 5μF、民=200 PF、G=4μF。据此，选择高压试验变压器T的额定输出电压100 kV （AC），构成直流倍压回路的电容C1、C2、C3、C4额定工作电压为200 kV （DC），高压硅堆D1、 D2、 D3、 D4的反向耐受电压300 kV （DC），高压电容几和氏的额定电压为400 kV。
    通过示波器采集到电压信号，结合C6与C7之间的分压比，得到断路器触头间的行程与击穿电压值。断路器分闸过程中：断路器触头分离后，C6开路，C5通过充电电阻R对C6充电，C6电压迅速上升；当C6电压超过触头间隙的击穿电压时，触头间隙击穿；击穿后，C6开始放电，电压消失，断路器触头间隙的电弧熄灭；触头间隙熄弧后，C5再次通过充电电阻R对C6充电，C6电压迅速上升并再次导致击穿；上述充电、击穿、放电、熄弧、再充电过程的重复，形成分闸操作过程中的重复击穿过程；随着开距不断增大，击穿电压增大，直至触头间隙足够大，不再能够被击穿；测量触头间隙击穿电压随时间的变化，得到断路器开断过程的触头间隙动态击穿特性。同理，完成合闸过程触头间隙击穿电压随时间的变化特性试验。
    图4为压强0. 7MPa、正极性第1次试验分闸与合闸过程击穿点的电压一行程曲线。

    试验过程中，调整D1、 D2、 D3、 D4方向使试验回路中产生正电压为试验正极性，反之，为试验负极性。分别完成以下4组试验，每组试验过程测量12次分、合闸触头间动态击穿电压：（1）压强0. 7 MPa、正极性；（2）压强0. 7 MPa、负极性；（3）压强0. 5 MPa、正极性；（4）压强0. 5 MPa、负极性。

    3 试验结果与分析
    统计试验测量击穿点的电压值及对应开距，分别采用幂函数形式、四次多项式对分、合闸过程触头间击穿点电压值进行拟合，得到不同开距下击穿电压拟合曲线，并给出触头间击穿电压Ub与开距k之间的数学表达式。
    分闸、压强0. 7 MPa、正极性：

    3.1分、合闸过程击穿电压结果分析
    S F6断路器分闸过程中，活塞的快速运动使得灭弧室压气缸压强上升，触头上、下游区产生较大的压强差，当触头分离后，触头间S F6气体由于压强差而高速流动，形成一个低压区域，造成触头间S F6气体击穿电压降低。合闸过程中，触头间没有气吹作用，SF6气体压强比较稳定．这就使得断路器在同一开距下，分闸过程触头间击穿电压要低于合闸过程。
    图5给出了灭弧室压强P=0. 7MPa时分、合闸过程触头间击穿电压对比曲线。

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