C_(4)F_(7)N/CO_(2)环保型气体操作冲击绝缘特性研究

SF_(6)是当前在气体绝缘设备中应用最广泛的绝缘气体,其全球增温潜势极大,C_(4)F_(7)/CO_(2)混合气体因为是一种极具发展前景的可代替SF_(6)的环境友好型气体倍受关注。目前针对C_(4)F_(7)/CO_(2)混合气体在实际应用场景中的操作冲击绝缘特性研究较少,文中实验中搭建了操作冲击绝缘试验平台,研究了不同气压下3种C_(4)F_(7)气体摩尔比例的C_(4)F_(7)/CO_(2)中252kV电压等级GIL的操作冲击绝缘特性,并设置0.5MPaSF_(6)作为对照组。分析放电数据发现:在同一C_(4)F_(7)/CO_(2)气体压力下,提升C_(4)F_(7)的摩尔百分占比可以增大GIL的操作冲击绝缘强度;当C_(4)F_(7)/CO_(2)两种成分占比一致时,增大混合气体的气压也可以提高操作冲击耐压水平。0.5 MPa下CLFN占比为5%的C_(4)F_(7)/CO,操作冲击U_(50%)可达到同气压下SF_(6)的72%,0.6 MPa下CFN占比5%的C_(4)F_(7)/CO_(2)与0.5 MPa下C_(4)F_(7)占比9%的C_(4)F_(7)/CO_(2)操作冲击U_(50%)接近,超过0.5 MPa下SF_(6)的80%,对此高气压低C_(4)F_(7)气体比例和低气压高C_(4)F_(7)气体比例是两种可选的替代SF_(6)的绝缘气体选用方案。

不同温度下环保型HFO-1234ze(E)/CO_(2)混合气体分解机理

由于SF6气体的温室效应,以C_(4)F_(7)N、C_(5)F_(10)O、C_(6)F_(12)O和HFO-1234ze(E)等气体为代表的新型环保替代气体得到了广泛的关注,但对于这些气体分子在局部过热或放电状态下导致设备内部温度升高时的分解机理还缺乏研究。为了进一步探究新型环保气体替代SF6气体的可行性,本文以HFO-1234ze(E)分子为例,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HFO-1234ze(E)分子和不同温度下20%HFO-1234ze(E)/80%CO_(2)混合气体的分解现象。结果发现:HFO-1234ze(E)分子存在着7种不同的分解路径,且CO_(2)中的C=O会最先分解;而HFO-1234ze(E)中的C—F键和C=C双键焓值较高,断裂较为困难,随着温度的升高,发生分解的时间也越早。当温度低于2000 K时,HFO-1234ze(E)/CO_(2)混合气体几乎都不会发生分解;当温度为2000 K时,HFO-1234ze(E)分子不会发生分解,CO_(2)分子会迅速发生分解;当温度为2600 K以上时,温度每上升2000 K,HFO-1234ze(E)分子就会多分解5个左右,CO_(2)分子就会多分解35个左右,直到最后基本完全分解。混合气体主要分解产生CO、O_(2)、C_(2)O_(2)、HF、CF_(4)、C_(2)F_(6)、C_(3)F_(6)和C_(3)H_(3)F_(3)等各类自由基,其中:CO为有毒气体、HF为强腐蚀性气体,应采取措施对其含量进行监测;其他分解产物的化学性质均较为稳定且对环境无害,并仍然具有一定的绝缘能力。以上表明20%HFO-1234ze(E)和80%CO_(2)混合气体在一定程度上可以完全替代SF6气体,这也为进一步研究其他新型环保混合气体提供了理论依据和工程指导。

外电场作用下环保型绝缘气体C5F10O分子的结构与激发态

在设备安装过程中,划痕、金属微粒等原因会导致设备内局部微观外电场增强,为了探索外电场对环保型绝缘气体C 5F 10 O分子的结构与激发态规律的影响,采用B3LYP密度泛函方法,在三重zeta极化(triple-zeta polarization,TZP)的基组水平上对C 5F 10 O分子在不同外电场强度下的特性进行了分析,计算了基态的分子结构、原子电荷布居、偶极矩、分子总能量,利用含时密度泛函理论(time dependent density functional theory,TD-DFT)方法研究了不同外电场强度下C 5F 10 O分子的前线轨道能量、激发态能、激发态波长、振子强度。结果表明分子的基态和激发态性质与外电场呈依赖关系,外电场增强会致使C 5F 10 O气体分子更加容易电离,为放电的发展提供了极为有利的条件,C 5F 10 O气体分子击穿电压会不断降低。

基于多场耦合的环保型GIS热特性分析

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)是电力行业中重要的开关设备,由于体积小,散热面积变小,局部发热问题不容忽视。传统的GIS采用SF6气体作为绝缘与灭弧介质,由于SF6气体会带来严重的温室效应,近年来充环保型气体的GIS的研究受到广泛关注,因此对环保型GIS热特性的研究刻不容缓。该文针对已开发的以CO2为绝缘灭弧气体的126kV环保型GIS隔离开关部分的热特性开展研究,通过电-热-气流场的耦合对GIS隔离开关进行稳态热分析,得到其温度场分布,并通过与温升实验的对比,验证了热分析模型的正确性。随后,利用该模型计算了充不同气体的GIS隔离开关部分的温度场,并对不同气压的SF6、CO2、N2以及N2与C5F10O混合气体的散热特性进行对比分析。结果表明,同一气压下充SF6气体比充CO2和N2的GIS最高温升低10K左右,在N2中混合10%的C5F10O可使GIS的温升降低4.21K。该研究可为环保型气体在GIS中的应用提供参考依据。

C_(4)F_(7)N气体电弧的辐射输运特性研究

辐射作为电弧能量输运的主要方式,在灭弧过程中起着关键作用。该文以环保型气体C_(4)F_(7)N及其与CO_(2)和N_(2)的混合气体为对象,建立了耦合净辐射模型的气体电弧二维磁流体动力学模型,分析了触头运动过程中C_(4)F_(7)N电弧的辐射输运特性,探究了电流大小和混合气体配比对电弧形态、温度及辐射能量的影响。进一步地,搭建电弧光学诊断实验平台,分别利用高速相机和光谱仪捕获电弧形态并采集电弧光谱信息,验证了仿真模型的有效性。研究发现,受电弧辐射能量沿轴线分布影响,C_(4)F_(7)N气体电弧形态呈葫芦状。随着电流增大,电弧辐射能量增强,葫芦状形态逐渐明显。随着C_(4)F_(7)N气体含量增加,电弧在径向洛伦兹力的作用下逐渐收缩。

欧盟含氟气体法规对C_(4)F_(7)N气体应用的影响

2022年底美国3M公司宣布将于2025年底停产氟化物气体(其中包括C_(4)F_(7)N、C_(5)F_(10O)和C_(6)F_(12O)),同时欧盟也提出更加严格的含氟温室气体法规提案,引发了国内外环保绝缘气体研究机构、设备制造商和电网企业的广泛关注,对C_(4)F_(7)N气体未来的研究和应用前景产生了困惑。为分析欧美含氟气体法规对C_(4)F_(7)N气体未来应用发展趋势的影响,首先回顾了C_(4)F_(7)N气体的提出、技术研究和应用现状,指出目前在应用层面C_(4)F_(7)N气体更加适合用于110 kV及以上至特高压等级设备,目前以欧洲和我国应用为主,在研究层面国内学者占主导。接着从3M公司的C_(4)F_(7)N气体生产成本、技术指标、市场前景等方面分析了其停产C_(4)F_(7)N气体的原因。最后对比了C_(4)F_(7)N气体、其他环保绝缘气体、洁净空气、真空等几条主要的SF_(6)替代技术路线的优缺点和应用场景,对不同电压等级条件下现有环保绝缘气体的适用性进行了界定;结合国内电力设备电压等级更高且国内已能自主可控生产C_(4)F_(7)N气体的实际情况,提出在我国110 kV及以上输变电电压等级设备中仍然需要继续研究并应用C_(4)F_(7)N气体。

环保型空气绝缘高压开关柜研究

电气绝缘领域要求所应用的绝缘气体具有优异的绝缘和灭弧性质,化学和物理性质稳定的SF6气体便得到了广泛的运用。但SF6有着促进温室效应的缺点,而近些年随着温室效应不断加剧,环保型气体绝缘开关的研制迫在眉睫。本文对比分析了三种气体的主要物理特性,提出了一种环新型保型空气绝缘开关柜,并在丽江市开展了试点应用,发现该类型开关柜不仅能够减少绝缘气体对环境的污染,而且还可以降低设备的运行检修工作的复杂程度也使得供电变得更加可靠。

高压电气设备绝缘气体分解产物光学检测技术研究综述

SF_(6)及其替代气体分解组分的检测是评估高压电气设备绝缘状态的重要手段。以SF_(6)分解组分为例进行文献调研,总结了不同工况下SF_(6)及其替代气体特征分解组分的浓度分布,据此提出组分检测量程、检测下限等方面的建议;综述了基于光学的各类SF_(6)及其替代气体分解产物的检测手段,包括发射光谱法、直接吸收光谱法和间接吸收光谱法。相较于传统检测方法,基于光学原理的检测手段往往能兼顾检测速度、检测精度和灵敏度要求,检测下限通常低至体积分数10−6量级,具备高压电气设备在线监测的潜力。目前看来,单一检测方法难以实现SF_(6)及其替代气体分解产物的全组分检测,未来可考虑按照不同检测场景和需求形成光学检测为主、非光学检测为辅的在线集成检测系统。

c-C4F8和C5F10O应用于气体绝缘输电线路的温升特性分析

利用有限元方法建立气体绝缘输电管道电-热-流体数值计算模型,模拟采用c-C4F8/CO2和C5F10O/空气混合气体的管道温度分布,分析c-C4F8、C5F10O含量和气体压力对管道传热的影响。结果表明:主绝缘气体含量相同时,c-C4F8/CO2混合气体的传热性能优于C5F10O/空气混合气体。提升主绝缘气体含量、升高气体压力均有利于提高混合气体的传热性能。当c-C4F8的体积分数为20%时,c-C4F8/CO2混合气体的传热性能与SF6最接近,可在较大载流容量气体绝缘输电设备上作为替代气体。

C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)与三元乙丙橡胶的相容性及相互作用机理研究

C_(4)F_(7)N混合气体凭借良好的电气性能以及较低的温室效应潜在值近年来备受关注。然而,在C_(4)F_(7)N及其混合气体投入实际使用以前,其与气体绝缘设备内部密封材料的相容性仍需检验。目前虽然已有关于该气体与三元乙丙橡胶的相容性研究,但对于不同第三单体的三元乙丙橡胶与C_(4)F_(7)N混合气体的相容性对比以及气固相互作用机理的相关报道较少。该文选取ENB、DCPD两种第三单体的三元乙丙橡胶开展了其与C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体的相容性实验,发现三元乙丙橡胶中的某些活性结构与C_(4)F_(7)N的CN基团之间存在反应,而通过涂覆硅脂能够有效阻隔气体与橡胶表面的接触,减少C_(4)F_(7)N的分解。此外,在对比两种橡胶的实验结果后发现,ENB-三元乙丙橡胶相较于DCPD-三元乙丙橡胶更适合用作C_(4)F_(7)N混合气体的密封材料,其差异来自两种第三单体所能提供的交联效率不同。