面向电力装备自供电传感的微纳能源收集技术

数智化电网的建设依赖于海量分布式电力装备状态监测传感器,提升传感器的供电可靠性进而实现自供电感知,对拓展设备状态感知系统的深度和广度具有重要意义。近年来,以纳米发电机为代表的微纳能源收集方法与器件被广泛关注,其能够将多元、分散的机械能、热能、电磁能等转化为电能,搭配微能量存储元件与低功耗微纳传感器实现自供电传感。该文围绕面向电力装备自供电传感的微纳能源收集方法这一主题,首先介绍了电力装备及其运行环境微能量的分布特性;其次,总结了以热电纳米发电机、摩擦纳米发电机、压电纳米发电机、磁场能收集发电机、水伏发电机为代表的微纳能源收集方法原理及特点,分析了其在电力装备场景下的适用性,同时综述了基于微纳能源器件的电力装备微能量收集与自供电传感最新研究进展,并提出了本领域目前发展面临的主要技术难点和潜在解决方案。最后,展望了微纳能源收集方法及器件的发展趋势,有望为电力装备自供电状态监测和数智化发展提供参考与指导。

PFAS及含氟气体管控下环保绝缘气体研究与电力装备应用展望

全球气候变化背景下,SF6的使用将受到更严格的限制。以C_(4)F_(7)N和C_(5)F_(10)O等为代表的低全球变暖潜在值(global warming potential,GWP)、高绝缘强度气体得到了广泛关注,相关高压电气装备已在多个国家推广应用。然而随着2019年《斯德哥尔摩公约》的签署,世界多国逐步出台了针对全氟烷基和多氟烷基物质(polyfluoroalkylsubstances,PFAS)以及含氟气体限制使用的法规和标准,以美国和欧盟为代表的激进PFAS政策也间接导致3M公司计划于2025年底累计停产包括C_(4)F_(7)N、C_(5)F_(10)O在内的58种含氟物质。为此,该文深入剖析PFAS及含氟气体管控背景下环保绝缘气体与装备发展面临的挑战,阐述相关政策对我国气体绝缘装备低碳发展的影响,指出氟碳类环保绝缘气体的全生命周期管控标准的制定及应用监管规范化是目前的重要工作,并对新型绝缘气体分子设计方法、绝缘与放电理论、工程应用技术及产品研发等方面的未来发展进行展望,以期为我国环保电力装备研发及相关政策的制定提供参考。

SF_(6)替代型环保绝缘气体:研究、应用和展望

为应对全球气候变暖趋势,强温室效应SF_(6)气体的使用管控日趋严格,而环保气体绝缘设备的研发和应用是电力系统“双碳”目标实现的重要技术方向。近年来,以全氟异丁腈(C_(4)F_(7)N)气体绝缘420 kV气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)、全氟五碳酮(C_(5)F_(10)O)气体绝缘24 k V环网柜为代表的环保电力装备,已在多个国家实现工程应用,推进电力行业的绿色低碳转型。该文主要围绕C_(4)F_(7)N、C_(5)F_(10)O这两种有推广应用前景的环保替代气体,综述分子设计技术、微观参数、绝缘性能和分解稳定性、灭弧性能、设备材料相容性、工程应用等方面的最新研究进展,并对未来工程应用技术路线选择和技术研究方向进行展望,以期为我国绿色电力装备的研发及应用提供一定的借鉴。

面向高性能摩擦纳米发电机的电介质材料

摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)作为微纳电源或自取能传感器近年来在多领域表现出广阔的应用潜力.TENG的输出性能提升与作为摩擦起电层的电介质材料接触起电特性密切相关.本文首先介绍了TENG及其电介质摩擦起电层的相关基础理论和模型;其次,阐述了TENG电介质材料的选材、改性(表面改性、体改性)和结构设计策略,其中表面改性和体改性涉及表面粗糙度控制、官能团调控、电介质材料介电参数优化,在电介质的结构设计方面,重点介绍了电荷传输层、捕获层、阻挡层的原理及通过多层结构来提高TENG介电性能的典型方法;最后,强调了本领域发展面临的挑战和未来发展趋势,为面向高性能TENG的纳米电介质材料开发提供参考.

活性氧化铝对新型环保绝缘气体C3F7CN/N2及其放电分解产物吸附特性

高压电气设备内部放电会造成气体分解并影响系统安全性,因此有必要测试传统常用吸附剂活性氧化铝（γ-Al2O3）对新型环保绝缘气体分解产物的吸收性能,并为寻找合适吸附剂提供理论基础。为此,首先在气体绝缘性能测试平台开展了C3F7CN/N2混合气体放电试验,检测到以CF4、C2F6、C3F8、CF3CN、C2F4、C3F6和C2F5CN等为主的分解产物;其次采集了不同时期气体样本,并利用气相色谱质谱联用仪对被γ-Al2O3吸附前后的气体进行了对比检测;最终基于密度泛函理论,构建吸附剂和气体分子模型,分析并验证吸附效果。研究发现,γ-Al2O3可以吸附C3F7CN及其主要的放电分解产物,对C3F7CN的吸附效果甚至强于其他产物,难以作为C3F7CN类新型环保绝缘气体吸附剂放置于设备内部,但由于γ-Al2O3成本较低,因此可用于新型环保绝缘气体废气处理。

“碳达峰、碳中和”目标下高压电气设备中强温室绝缘气体SF_(6)控制策略分析

广泛应用在高压电气设备中的绝缘气体六氟化硫(SF_(6))具有极强的温室效应。近些年随着中国输、变、配电网络的高速发展,SF_(6)的使用量和排放量持续增加。通过提取卫星测试数据发现,中国区域内SF_(6)大气含量呈逐年提高的趋势。为实现“碳达峰、碳中和”目标,控制电力行业SF_(6)的使用和排放具有重要意义。该文综合分析SF_(6)的净化回收、降解处理、环保替代3种减排手段的研究现状,并对各类技术的优劣势、互补性和发展前景进行讨论;同时,指出现有SF_(6)减排技术仍处在较为初级的阶段,治理方案亟待提升,建立SF_(6)全寿命周期管理体系是现阶段最为有效的手段。因此,该文对电力行业减排措施研究和策略制定具有理论实施和实际参考价值。

CF_3I及微氧条件下放电分解组分形成机理

CF_3I作为一种性能稳定且安全环保的强电负性气体近年来受到替代气体研究领域的关注,但CF_3I放电分解组分的微观形成机理及微氧对CF_3I放电分解组分的影响鲜有研究。为此首先基于密度泛函理论(DFT)探究了CF_3I分解产生的CF_3·、CF_2:自由基间相互反应生成C_2F_6等物质的能量变化,借助过渡态理论对反应路径中的能量变化进行了分析,获得了各分解组分的反应热及活化能;其次分析了微氧条件下CF_3I放电分解过程中的主要反应及产物;最后基于傅里叶变换红外吸收光谱法(FTIR)对CF_3I气体及CF_3I和O_2混合气体的放电分解组分进行了试验验证。研究结果表明,CF_3I放电分解产生的自由基反应生成CF4、C2F6、C2F4、C2F5I的过程无能量势垒,产生C_3F_6和C_3F_8则需要一定的活化能;微氧条件下CF_3I放电分解产生的自由基及组分分子与O·和O_2可以通过三条反应路径生成COF2;试验结果表明O_2的存在可促进消耗CF_3I,破坏其绝缘自恢复过程,使绝缘强度劣化;高气压条件下的CF_3I气体绝缘性能优于低气压,更为可靠。

不同类型自由金属微粒对SF6绝缘特性的影响

SF_6是气体绝缘设备的最主要绝缘介质,自由金属微粒缺陷极易诱发其发生绝缘故障,不同金属元素微粒对SF_6绝缘性能的影响研究上存在空白,导致设备关键区域金属材料的选择以及微粒类型的识别等方面研究缺乏理论和实验支撑。为此,该文首次结合实验结果、机理分析和仿真计算对不同类型自由金属微粒对SF_6绝缘特性的影响进行了研究。结果表明：自由金属微粒会导致SF_6击穿电压出现明显的下降。随着微粒数的增多,击穿电压的下降程度降低;电极间距越小,自由金属微粒对气隙的影响就越大;相同微粒数下,铜和铝微粒对SF_6绝缘性能的影响相近且明显大于铁微粒。相关结论对SF_6绝缘设备内部不同自由金属微粒诱发绝缘故障的成因以及对金属微粒类型和数目的检测均具有指导作用。

CF_3I/N_2混合气体在不同电场下的工频击穿特性试验研究

CF_3I及其混合气体作为SF_6应用于电气设备的潜在替代物被广泛关注,该文从不同电场下工频击穿性能的角度探讨CF_3I/N_2替代SF_6气体的可行性。通过工频击穿试验探究气压、混合比、电场利用系数3种因素对CF_3I/N_2工频击穿电压的影响,并与相同条件下的SF_6及SF_6/N_2进行对比分析,使用协同效应指数C值判定混合气体协同效应类型并定量分析协同效应强弱。结果表明,CF_3I/N_2在不同电场、不同混合比下的工频击穿电压随气压均呈线性增长,随着电场利用系数的增加,其工频击穿电压随气压增长的线性增长率逐渐提高;纯CF_3I对电场的敏感度尤其高。N_2的加入,改善了CF_3I对电场的敏感度;极不均匀电场下,CF_3I/N_2混合气体在0.15MPa及以上气压呈正协同效应,协同效应明显程度整体优于SF_6/N_2混合气体。稍不均匀电场和准均匀电场下,CF_3I/N_2呈现协同效应,气压越高,协同效应越明显;混合比为30%,气压为0.3MPa的CF_3I/N_2可以替代纯SF_6应用于气体绝缘输电线路和气体绝缘开关柜等电气设备中。

不均匀电场下CF_3I/N_2混合气体工频击穿特性试验

从工频击穿性能的角度探讨CF3I／N2混合气体替代SF6气体用于气体绝缘设备的可能性。通过工频击穿试验探究气压、混合比和电极间距三种因素对CF3I／N2混合气体工频击穿电压的影响，并与相同条件下的SF6／N2混合气体进行对比分析，提出使用协同效应指数C值判定混合气体协同效应类型及协同效应强弱的定量分析方法。结果表明，随着混合比、气压的升高，CF3I／N2混合气体工频击穿性能逐渐接近SF6气体，较高气压下的CF3I／N2混合气体更具有应用潜力。CF31／N2混合气体工频击穿电压呈正协同效应，而且CF3I气体具有优良的自恢复绝缘性能。综合考虑工频击穿性能、液化温度和环境影响三种因素，在特定的场合下，CF3I含量为20％-50％的CF3I／N2混合气体有可能替代SF6气体用于气体绝缘设备。

SF_6替代气体研究现状综述

较高的温室效应使得六氟化硫(SF_6)在气体绝缘设备中的使用受到限制,国内外学者致力于寻找可以替代SF_6的环境友好型气体,并取得了相关的研究成果。常规气体、SF_6混合气体和电负性气体及其混合气体等多种气体作为绝缘或灭弧介质表现出不同的优势,同时也存在一些劣势。总结目前研究的主要替代气体及取得的进展,并从理化性质、绝缘性能、灭弧特性以及机理研究等方面进行详细的归纳总结,分析不同替代气体在工程应用上的适用范围和局限性。在现有研究的基础上分析SF_6替代气体当前的发展趋势和应用前景。

CF_3I/N_2混合气体局部放电特性实验研究

CF3I气体是SF6气体的一种可能替代,然而其较高的液化温度使其难以用在气体绝缘设备中。为此,将CF3I气体和氮气混合,通过实验研究了压强、电负性气体(CF3I或SF6气体)与混合气体的气压比值(混合比)、电极距离3个因素对CF3I/N2混合气体局部放电起始电压的影响,并与相同情况下SF6/N2混合气体的局部放电起始电压进行了对比。实验结果表明:随着混合比和电极距离的增大,CF3I/N2混合气体与SF6/N2混合气体局放起始电压的比值呈现增长趋势;气压的变化对2种混合气体局放起始电压的影响大致相同;N2能较大程度地改善纯CF3I气体对不均匀电场的敏感程度,且N2体积分数为20%的CF3I/N2混合气体液化温度为-22.35～-18.35°C,其局放起始电压为纯SF6气体的0.7倍左右。因此从局放特性角度看,混合比为20%的CF3I/N2混合气体有可能代替SF6气体被用于气体绝缘设备。

CF_3I/CO_2与CF_3I/N_2两种混合气体局部放电绝缘特性的试验研究

近年来，寻找SF6替代气体的研究工作成为各国科学家和电力部门需要解决的迫切问题。从局部放电绝缘特性角度出发，对CF3I／CO2与CF3I／N2两种混合气体在不同气压、混合比和间距下的局部放电起始电压（工频负半周局放起始电压（negativepartialdischargeinceptionvoltage，PDIV-）和正半周局放起始电压（positivepartialdischargeinceptionvoltage，PDIV＋））进行测量和比较，同时对两种混合气体的PDIV-和PDIV＋值随混合比变化的协同效应进行计算和对比分析。试验结果表明：相同试验条件下CF3I／CO2混合气体的PDIV-值和PDIV＋值分别约为CF3I／N2混合气体的1．2倍和1．0～1．4倍，且CF3I／CO2混合气体PDIV-和PDIV＋值随混合比变化的协同效应也均明显优于CF3I／N2混合气体。故综合考虑温室效应潜在值（global warming potential，GWP）、液化温度以及局部放电绝缘特性等因素，在特定环境下，混合比为25～30％的CF3I／CO2混合气体较CF3I／N2混合气体更适合被考虑作为SF6气体的绝缘替代物用于低中压电气设备中。

环保型绝缘介质C3F7CN/CO2的分解机理

目前在电力行业中广泛应用的SF6气体具有严重的温室效应,寻找一种绝缘性能优良的环保型替代气体成为研究热点。近年来,C3F7CN及其混合气体凭借出色的绝缘性能和环保特性得到了国内外学者的广泛关注。目前针对其放电分解机理的研究较少。首先,基于ReaxFF反应分子动力学方法和密度泛函理论,从微观层面模拟研究了C3F7CN/CO2混合气体的分解机理。基于构建的C3F7CN/CO2混合气体模型,研究了温度对C3F7CN分解过程的影响,分析了其可能的分解路径、产物类型及分布等。计算结果表明,C3F7CN在局部过热或放电等故障条件下分解容易产生CF3·、C3F7·、C·、CF3CFCN·、CF2·和F·等各类自由基,上述自由基复合将产生CF4、C2F6、C3F8、CF3CN、CO等产物。其次,利用气体绝缘试验平台和气相色谱质谱联用仪(gas chromatography mass spectrometer,GC-MS),试验分析了其多次击穿后的分解产物。试验结果表明,混合气体多次击穿后的主要分解产物是CF4、C2F6、CF3CN。这些产物分子均具有比较好的绝缘能力,保障了C3F7CN/CO2混合气体的绝缘性能不被破环。相关结论为进一步探究C3F7CN/CO2混合气体的绝缘特性及协同效应等课题提供理论依据和工程指导。

环保型绝缘介质C5F10O放电分解特性

近期,CnF2nO类物质得到了替代气体研究领域的关注,尤其是C5F10O和C6F12O,两者均具有极低的温室效应潜能指数（global warming potential,GWP）且绝缘特性优异。由于其出色的绝缘表现,国内外科研机构和公司开始关注该物质及其混合气体,目前针对其放电分解特性的研究较少。该文基于密度泛函理论从微观层面对C5F10O的稳定性及可能的分解路径展开分析,首先计算得到C5F10O的电离能等参数,并基于前线分子轨道理论确定分子结构中可能发生反应的位置。其次,分析C5F10O可能的分解途径、分解产物的形成机制并计算得到相应的能量变化。最后,利用气体绝缘试验平台对C5F10O/N2混合气体进行击穿测试,基于气相色谱质谱联用仪对击穿前后气室内气体组分进行分析,探讨分解产物的绝缘性能及放电过程中各类粒子的动态平衡过程。研究结果表明,C5F10O放电分解形成CF3CO·、C3F7·或C3F7CO·、CF3·自由基的过程最容易发生,各类自由基进一步反应将生成CF4、C2F6、C3F8、C3F6、C4F10、C5F12、C6F14,上述产物均具有较强的绝缘性能,且C5F10O分子与自由基间存在动态平衡过程,两者共同保障了体系的绝缘性能。试验发现随着击穿次数的增加,C5F10O各分解产物含量增加,其中CF4、C2F6、C4F10的增长率高于C3F8、C6F14,自由基更易于复合形成小分子产物。相关结论对进一步探究C5F10O混合气体的绝缘特性及协同效应等课题提供一定理论依据,同时为CnF2nO类新型环保型介质研究提供一些借鉴。

工频交流电压下C6F12O与N2混合气体的击穿特性和分解特性

探索了新型环保绝缘气体C6F12O与N2混合气体在交流电压下的击穿特性和分解特性。讨论了C6F120与N2在设备中使用的混合比，并在工频交流平台下进行击穿实验，探究C6F12O与N2混合气体在准均匀场下的击穿性能并与SF6混合气体进行比较。对3％C6F120与N2混合气体进行100次击穿实验后采用GC．MS定性检测混合气体击穿后的分解产物，最后采用密度泛函理论计算分解产物的生成过程，分析温度对生成能量的影响并计算分解产物分子轨道间隙。实验结果表明：在0．10MPa下3％C6F120与N2混合气体的击穿电压约为纯N2的1．7倍，与10％SF6与N2混合气体的击穿电压相当。击穿后检测到的分解产物主要为cF4、C2F6、c3F6、C3F8、C4F10和C5F12。计算表明：生成主要分解产物的反应能量随着温度升高呈现不同的变化趋势，且分解产物的分子轨道间隙值由大到小的排序依次为CF4，C2F6，C3F8，C4F10，C5F12，C3F6。CF4分子的轨道间隙值最大，约为12．590eV。

高气压下环保型C4F7N/CO2混合气体工频击穿特性

全氟异丁腈(C4F7N)及其混合气体是近年来被广泛关注的可能替代六氟化硫(SF6)的新型环保绝缘气体。为了探究C4F7N/CO2 混合气体应用于高气压电气设备的潜力,利用气体绝缘特性实验平台对C4F7N/CO2 混合气体在不同混合比、不同气压下的工频击穿特性进行了实验研究,并与相同条件下的SF6 进行了对比,同时结合饱和蒸气压特性探讨了C4F7N/CO2混合气体应用于工程实际时的混合比选取范围。研究发现,C4F7N/CO2 混合气体的击穿电压随气压和混合比的升高呈饱和增长趋势,C4F7N 体积分数分别为10%和20%的C4F7N/CO2 混合气体可以达到相同条件下SF6 绝缘水平的80%和95%以上,C4F7N 与CO2 气体之间存在协同效应。综合工频击穿强度、液化温度等因素,体积分数4%~12%的混合气体具备应用于高气压(0.4~0.6 MPa)气体绝缘设备的潜力。

气体绝缘介质C_4F_7N的急性吸入毒性试验

目前针对新型气体绝缘介质C_4F_7N毒性的报道较少,为科研及工程应用的安全带来了隐患。利用气体绝缘介质毒性测试平台,研究了不同C_4F_7N体积分数下C_4F_7N和空气作为混合气体的急性吸入毒性,分析了大鼠在接触C_4F_7N气体后的生命体征变化情况,结合测试结果给出了科研及工程运维中C_4F_7N气体的防护建议。研究发现,大鼠在接触体积分数为1.5%的C_4F_7N气体后表现出由平静到活跃,再到亢奋、不安等症状,在该环境中暴露1h左右后丧失运动能力,眼睛微闭且无法自主活动,同时呼吸减慢、伴有抽搐等症状。大鼠在C_4F_7N体积分数为1%～1.5%的气体环境中暴露4 h后转入饲养环境观察,96 h后所有样本呼吸及运动系统恢复正常;大鼠在C_4F_7N体积分数为2%的气体环境中暴露4 h后转入饲养环境观察,14 d内有死亡个体出现。基于该研究得出的实验数据,C_4F_7N气体的LC50值(4 h,大鼠)在1.5%～2%之间。基于4 h的LC50值结果,C_4F_7N气体的急性毒性被归类为全球化学品统一分类和标签制度(GHS)中毒性最低的第4类。另外,目前在电力工业系统中对于SF6分解产物的工业卫生操作同样适用于C_4F_7N混合气体的分解产物。

O2对C4F7N-N2-O2混合气体绝缘和放电分解特性的影响

由于C4F7N兼具优异的绝缘性能和环保特性,因此得到了国内外替代气体领域研究者的广泛关注。为了探究加入O2后对C4F7N二元混合气体绝缘及分解特性的影响情况,在稍不均匀场条件下对含不同含量(即体积分数)O2的C4F7N-N2-O2混合气体的工频击穿特性和绝缘自恢复性能进行了测试,同时基于气相色谱质谱联用仪(GC-MS)分析了击穿后混合气体的分解产物组成及含量。研究发现,在C4F7N-N2混合气体中加入一定含量的O2能够提高混合气体的工频击穿电压且有效改善混合气体自恢复性能;不含O2的C4F7N-N2混合气体在多次放电击穿后电极表面有黑色物质(碳)析出,而少量O2的加入能够抑制固体物质碳析出;另外,O2的加入促进了混合气体的分解,产生了CO2、COF2等特征产物。随着O2含量的进一步提高,混合气体分解产生的CF4含量显著升高,而C2F6、C3F8等产物含量降低。综合来看,实际工程应用中建议在C4F7N-N2-O2混合气体中加入4%~6%的O2,以达到有效抑制固体物质碳析出的同时提升混合气体的绝缘性能。

环保绝缘气体C4F7N研究及应用进展Ⅰ:绝缘及电、热分解特性

目前在中、高压气体绝缘输配电设备中大量使用的SF_(6)是一种极强的温室气体。为实现“2030年碳达峰,2060年碳中和”的减排目标,推进输配电装备制造业清洁低碳转型和绿色发展,开发环保型气体绝缘介质及设备以逐步减少SF_(6)的使用已成为研究热点。近年来,全氟异丁腈(C_(4)F_(7)N)及其混合气体凭借优良的绝缘及环保性能被广泛关注,被认为是极具潜力的SF_(6)替代气体。该系列文章综述了近五年来国内外有关环保绝缘气体C_(4)F_(7)N的主要研究成果。本文综述Ⅰ首先介绍了常见环保绝缘气体基础参数;其次对C_(4)F_(7)N混合气体的绝缘和灭弧特性研究进展进行了总结;最后介绍了C_(4)F_(7)N的电、热分解机理及分解特性,并展望了未来针对绝缘性能及电、热分解特性的研究趋势。