低温下C4F7N/CO_(2)混合气体的绝缘特性与参数配置

为提出低温下满足液化温度和绝缘要求的C4F7N/CO_(2)混合气体的参数配置,研究了C4F7N/CO_(2)混合气体在低温下的绝缘特性。首先采用实验和计算得到了不同气压和混合体积比例下C4F7N/CO_(2)混合气体的液化温度,结果表明计算得到的液化温度与实验数据较为相符。其次开展不同温度下C4F7N/CO_(2)混合气体的工频击穿试验,获得了C4F7N/CO_(2)混合气体的击穿电压随温度的变化。结果表明:气体在液化阶段的击穿电压标准差为液化后的2~7倍,且液化后混合气体的绝缘性能出现显著下降。此时击穿电压只与温度有关,基本不受混合体积比例的影响。考虑混合气体设备的应用需求,分别以–25℃和–30℃为最低使用温度,提出了满足要求的C4F7N/CO_(2)混合气体参数配置方案,可为低温下C4F7N/CO_(2)混合气体的应用提供参考。

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。

环保型C4F7N/CO2混合气体在极不均匀电场下的雷电冲击绝缘特性

C4F7N/CO2混合气体作为最新一代的环保型绝缘气体,具有优良的电气性能和低温室效应潜能值,有极大的替代SF6的应用前景。目前,国内外的相关研究才刚刚起步。使用针–板电极模拟极不均匀电场,实验研究C4F7N/CO2混合气体的雷电冲击击穿特性,分析气压、间距、混合比例等因素对混合气体绝缘特性的影响及其极性效应,并与相同条件下纯SF6进行对比。结果表明:极不均匀电场中,C4F7N混合比5%~10%的C4F7N/CO2混合气体正极性雷电击穿电压随气压的升高呈现明显饱和趋势,存在显著的"驼峰"现象,而负极性时击穿电压在较高气压时才逐渐趋于饱和;混合比为5%的C4F7N/CO2混合气体正极性雷电击穿电压最高能够达到相同条件下SF6的0.8倍,混合比为10%时最高可达相同条件下SF6的0.9倍,负极性时C4F7N/CO2混合气体相对SF6绝缘强度略低于正极性;极不均匀电场中,C4F7N/CO2混合气体雷电击穿电压存在明显的极性效应和极性反转现象,总体上负极性击穿电压显著高于正极性,仅在较低气压时正极性稍高。研究结果表明,C4F7N/CO2混合气体非常有潜力替代SF6。

环保型C_4F_7N/CO_2混合气体试验平台搭建及绝缘特性分析

环保型C_4F_7N/CO_2混合气体是目前最有潜力替代SF6的绝缘介质。基于如何进行C_4F_7N/CO_2混气和工程应用问题,文中结合72.5kV GIS产品中典型隔离断口结构下的试验样机,搭建了混合气体绝缘试验研究平台,研究了雷电冲击电压下,不同充气压力、不同断口开距对气体绝缘性能的影响,并对比分析了20%C4F7N+80%CO2混合气体与相同试验条件下,纯SF6、纯CO2气体的绝缘特性差异。试验及分析结果表明,C_4F_7N/CO_2混合气体的介质恢复需要一定的时间;纯SF6、CO2及C_4F_7N/CO_23种气体的击穿特性与开距、充气压力近似呈线性变化且均呈升高趋势,但C_4F_7N/CO_2混合气体的上升斜率最大;当开距从5 mm增加至15 mm时,0.2 MPa充气压力下,C_4F_7N/CO_2混合气体50%击穿电压值从65.75kV上升至179.88kV;当充气压力为0.15 MPa时,15 mm电极开距下,C_4F_7N/CO_2混合气体50%击穿电压的比纯SF6高35.45kV。

环保气体C_4F_7N和C_5F_(10)O与CO_2混合气体的绝缘性能及其应用

近期氟化腈和氟代酮类气体及其混合气体作为潜在的SF_6替代气体受到关注。为此针对C_4F_7N和C_5F_(10)O与CO_2混合气体的绝缘性能及其作为绝缘介质应用时的配比、压力等的选取问题开展了详细的理论研究。首先,基于已报道的C_4F_7N和C_5F_(10)O液化温度数据,通过拟合得到了两种气体的Antoine特性常数;然后,将Antoine蒸汽压方程和汽液平衡基本定律相结合,研究了C_4F_7N和C_5F_(10)O与CO_2混合气体的饱和蒸气压特性,讨论了这两种混合气体在不同温度限制下的应用方案;最后,利用文献报道的实验数据,计算得到了C_4F_7N和C_5F_(10)O与CO_2混合气体的临界击穿场强数据,进而结合饱和蒸气压特性研究了两种环保混合气体的绝缘性能及其应用的可行性。研究结果表明:C_4F_7N-CO_2混合气体在讨论的3种温度(-5℃、-15℃和-25℃)限制下所能达到的绝缘强度明显高于C_5F_(10)O-CO_2混合气体,采取适当混合比的C_4F_7N-CO_2混合气体能满足当前电力设备应用所需的环境温度要求,且绝缘性能较好,全球变暖潜能值(global warming potential,GWP)较低。如在-25℃温度限制下,5%C_4F_7N-95%CO_2混合气体约在0.65 MPa时可达到0.5 MPa下SF_6气体的绝缘强度,C_4F_7N摩尔分数低于20%的C_4F_7N-CO_2混合气体GWP值低于850。

环保绝缘介质C4F7N/CO2/O2混合气体的放电分解特性

近年来,环保绝缘介质C4F7N/CO2混合气体凭借优良的绝缘性能得到了广泛关注。为避免C4F7N/CO2混合气体在高能放电后出现碳析出,需要加入O2作为第二种缓冲气体。然而目前鲜有针对C4F7N/CO2/O2混合气体放电分解特性的相关报道。该文通过一系列工频击穿放电实验,利用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)对含不同体积分数O2的C4F7N/CO2/O2混合气体的放电分解特性进行了分析。研究发现,C4F7N/CO2/O2混合气体多次击穿后分解的主要产物有CF4、C2F6、C3F8、CF3CN、C2F5CN、C3F6、CO、COF2、C2N2等,其中CF4、CO、C2F6的生成量相对较高。当O2的体积分数从0%增加到2%时,上述分解产物的生成量均出现了一定程度的下降;随着O2的体积分数进一步升高,主要分解产物中CF4、CO的生成量会持续下降,相反COF2的生成量会增加,而其他分解产物的含量变化趋势不是很明显。

1100 kV GIL快速接地开关分闸过程C4F7N/CO2混合气体介质绝缘强度计算分析

GIL快速接地开关气室内介质的绝缘强度受介质种类、分合闸速度及气室压强等因素的影响。针对1 100k VGIL超B类快速接地开关空载分闸过程,计算以环保型混合气体C4F7N/CO2为绝缘介质时,气室内气流动态变化过程和电场分布,并依据气体击穿判据,计算不同混合气体配比、分闸速度和气室压强下介质的临界击穿电压,分析介质发生绝缘击穿的情况,结合液化温度,提出满足绝缘要求的混合气体配比、分闸速度和气室压强。研究结果表明：接地开关在分闸过程中,除动、静触头间隙外,动触头和静端屏蔽罩之间同样是介质击穿的薄弱区域;当气室压强为0.45 MPa、分闸速度为2.9 m/s、开距为11 mm时,20%C4F7N/80%CO2的最小相对绝缘强度分别是15%C4F7N/85%CO2的1.12倍和SF6的1.02倍;开关充0.45 MPa的20%C4F7N/80%CO2气体、分闸速度提高至8.7 m/s时,同一时段内的临界击穿电压上升率提高了2.12倍;绝缘介质为20%C4F7N/80%CO2、速度为8.7 m/s时,提升气室压强至0.55MPa后,临界击穿电压始终大于瞬态恢复电压（TRV）,接地开关空载分闸过程有极小可能发生介质绝缘击穿。综合考虑绝缘和液化温度要求,接地开关气室应充0.55 MPa的20%C4F7N/80%CO2,分闸速度选用8.7 m/s。

C4F7N/CO2、C5F10O/C6F12O/Air的环保绝缘气体特性研究及应用

研究环保绝缘气体具有深远的社会意义。C4F7N、C5F10O混合气体是最有希望替代高温室效应SF6的环保绝缘气体。对C4F7N/CO2、C5F10O/C6F12O/Air混合气体的GWP值、液化性能和绝缘性能进行了详细研究。C4F7N/CO2(总压7 bar,C4F7N分压0.466 bar)的GWP值503,是SF6的2.13%;C5F10O/C6F12O/Air(总压8 bar,C5F10O分压0.285 bar,C6F12O分压0.100 bar)的GWP值0.33,是SF6的0.001%。C4F7N、C5F10O气体沸点较高,C4F7N气体在-25℃环境,其饱和蒸气压为0.466 bar;C5F10O气体在-5℃环境,其饱和蒸气压为0.285 bar。C4F7N/CO2、C5F10O/Air混合气体属于正协同效应气体,具有冲击特性,对负极性冲击电压更为敏感。420 k V GIS用母线在雷电冲击耐受电压1425 kV下,最大电场强度为20.4 kV/mm;可以选择C4F7N/CO2(C4F7N分压0.466 bar,最低功能充气总压7 bar)作为绝缘介质,满足户外GIS-25℃的低温环境要求;也可以选择C5F10O/C6F12O/Air(C5F10O分压0.285 bar,C6F12O分压0.100 bar,最低功能充气总压8 bar)混合气体作为绝缘介质,满足户内GIS-5℃的低温环境要求。研究结果为进一步研发环保型GIS提供参考。

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。

基于紫外光谱的C_4F_7N/CO_2混合气体混合比检测

C_4F_7N/CO_2混合气体是一种新型环保绝缘介质,具有替代SF_6的潜力,得到了研究人员的广泛关注。C_4F_7N/CO_2混合气体的绝缘性能与其中C_4F_7N占比有着密切关系,因此快速准确地进行混合气体混合比检测具有重要的工程意义。目前尚未有关于混合气体混合比快速检测方法的相关报道。基于紫外光谱技术搭建了C_4F_7N气体分析平台,对C_4F_7N的紫外吸收光谱特性进行了实验分析,获取了C_4F_7N气体在185～210 nm的紫外光谱信息,利用此波段的紫外光谱信息确定了未知混合比气体的反演算法,最终实现了C_4F_7N/CO_2混合气体混合比的快速检测。研究发现C_4F_7N在185～210 nm存在明显的吸收峰;在C_4F_7N/CO_2混合气体常规应用混合比范围内(4%～10%),混合比反演曲线的拟合优度R^2高达0.999 9,混合比反演误差不超过0.88%。相关研究成果为C_4F_7N/CO_2混合气体绝缘设备混合比在线监测提供了优良的解决方案。

C4F7N/N2混合气体在极不均匀电场下的局部放电特性

C4F7N是一种极具应用潜力的SF6替代气体。试验研究了环保型气体绝缘介质C4F7N/N2混合气体的局部放电特性,测试了混合气体的局部放电起始电压并与纯SF6气体进行了对比,探究了混合比、气压对混合气体绝缘性能的影响情况。研究发现含C4F7N2%~12%的C4F7N/N2混合气体的PDIV-、PDIV+随气压的增长而增大,但绝缘性能均弱于相同条件下纯SF6。相同气压下C4F7N/N2混合气体的绝缘性能随混合比的增加而增加;低气压下增加混合比能够显著提升混合气体的绝缘性能,高气压(0.5~0.6 MPa)下混合气体的相对绝缘性能随混合比的增加呈现饱和增长趋势。相关研究成果为C4F7N/N2混合气体的工程应用提供了重要参考。

C4F7N/CO2混合气体在中压负荷开关中的开断性能实验研究

SF6气体因介电强度高、灭弧能力强等特点被广泛应用于中压气体绝缘环网柜中。然而SF6气体具有高的温室效应,为减少SF6气体的使用量,采用环保混合气体来达到与SF6相近的绝缘与灭弧性能,同时满足高压电器在可靠性和小型化等方面的要求是一项非常重要的研究内容。文中采用压气式负荷开关搭建开断实验平台,按照GB/T 3804—2017标准中有功负载开断要求对混合比例20%C4F7N+80%CO2、12%C4F7N+8%O2+80%CO2的混合气体和不同分闸速度的情况在实验平台上进行了开断实验,根据实验结果对这两种混合气体的开断性能进行了分析。开断实验后,发现电弧在C4F7N/CO2混合气体中燃烧产生了黑色固体分解物,并用X射线衍射(X⁃ray diffraction)方法对分解物进行了检测和分析,验证了其成分和导电性。

外电场下C4F7N分子的结构与特性

C4F7N作为优质的SF 6环保型替代气体而备受关注.为了研究外电场对C4F7N分子结构和性能的影响,本文采用密度泛函明尼苏达M06-2X方法分别在6-311g(d,p)基组和aug-cc-pVTZ基组水平上对C4F7 N分子进行优化,分析了不同外电场(0-0.040 a.u.,1a.u.=5.142×1011 V/m)作用下分子的结构和能量变化,外电场对分子红外光谱、ADCH电荷、偶极矩以及极化率的影响.研究结果表明:随着电场的增强,分子各键长均发生变化,其中R(1,4)、R(4,5)、R(1,12)、R(2,7)变化明显,R(1,4)、R(4,5)键长逐渐伸长,R(1,12)、R(2,7)键长逐渐缩短,分子总能量降低,偶极矩和极化率升高,C 4 F 7 N分子稳定性随着电场的增强而降低;分子红外光谱高频区吸收峰较为密集,且既有红移也有蓝移;ADCH原子电荷发生显著变化.

C4F7N/CO2和C4F7N/N2混合气体热力学物性参数计算

环保型绝缘介质C4F7N及其混合气体的热力学物性参数的研究对了解其使用范围及应用前景具有参考价值。因此,采用Riedel蒸气压方程和Raoult定律计算了不同混合配比下C4F7N/CO2和C4F7N/N2混合气体的饱和蒸气压;基于P-R状态方程计算了C4F7N/CO2和C4F7N/N2的压缩因子和密度,根据分子结构特征,采用Joback基团贡献法和Thodos法计算分析了两种混合气体的定压比热容和粘度。计算结果表明:若要气体绝缘开关设备和气体绝缘输电管道在0.5MPa下运行时绝缘介质的液化温度≤253K,混合气体中C4F7N摩尔分数分别应≤8%和≤10%,该摩尔分数下混合气体各自的全球变暖潜能值分别约为SF6的2.45%和3.83%,温室效应较小。上述条件下,两种混合气体均趋于理想气体状态,压缩因子接近于1,两种混合气体中的C4F7N含量虽少,但对其混合气体的定压比热容贡献较大,而对粘度贡献不大。所得结果可为C4F7N/CO2和C4F7N/N2两种环保混合气体熄弧特性及其在GIS和GIL中的应用研究提供基础数据。

C4F7N/N2混合气体的分解机理研究

近年来,C4F7N(2,3,3,3-四氟-2-(三氟甲基)-丙腈)凭借优良的绝缘和环保性能得到了替代气体研究领域的广泛关注。目前针对C4F7N混合气体分解特性的研究较少,为明确其分解特性,文中基于ReaxFF分子动力学方法和量子化学DFT理论对C4F7N/N2混合气体的分解机理进行了研究,同时利用气体绝缘性能测试平台配合气相色谱质谱联用仪对C4F7N/N2混合气体多次工频击穿后的放电分解产物进行了检测。研究发现C4F7N/N2混合气体的主要分解产物有CF4、C2F6、C3F8、CF3CN、C2F4、C3F6和C2F5CN,其中C2F6、CF4及CF3CN的相对含量较高;ReaxFF-MD分子动力学模拟显示CF3,CN,F和C3F7是C4F7N分解形成的4种最为重要的自由基碎片。该研究成果深入揭示了C4F7N/N2混合气体的分解机理,为混合气体的工程应用提供了重要参考。

温度对C4F7N/CO2混合气体工频放电场强的影响规律

C4F7N/CO2混合气体有潜力替代SF6气体应用于气体绝缘全封闭组合电器(GIS)或环保气体绝缘管道(GIL)等电气设备中作为绝缘电介质,掌握其绝缘性能是进行电气设备绝缘设计的基础。电气设备在实际运行中会遇到不同的环境温度,有必要研究温度变化时C4F7N/CO2混合气体的绝缘性能。常温下C4F7N/CO2混合气体的绝缘性能已有较多研究,但鲜见不同温度下的研究。该文研究了-35~20℃温度范围内,温度对C4F7N/CO2混合气体的工频放电场强的影响规律,建立C4F7N/CO2混合气体的放电场强随温度变化的计算模型。为验证计算模型,开展不同温度下的工频放电试验,采用球板电极下的放电试验得到初始充气压力0.7MPa和0.6MPa下,混合比例9%C4F7N/91%CO2混合气体在不同温度下的工频放电电压,得到0.7MPa下混合比例为9%C4F7N/91%CO2混合气体的液化温度约为-19℃,0.6MPa下的液化温度约为-23℃,试验结果验证了计算模型的有效性。同时发现C4F7N/CO2混合气体在发生液化后,其工频放电场强随温度降低而显著降低。利用该文的计算模型研究0.6MPa和0.7MPa下不同混合比例的C4F7N/CO2混合气体的工频放电场强随温度的变化,获得了不同混合比例不同温度下C4F7N/CO2混合气体的工频放电场强。

C_4F_7N/CO_2混合气体在均匀和极不均匀电场下的工频绝缘性能

因C_4F_7N/CO_2混合气体的绝缘强度高,全球变暖潜力值小,作为SF_6的潜在替代气体备受关注。在均匀电场与极不均匀电场下通过工频击穿试验研究气压、混合比例对C_4F_7N/CO_2混合气体工频击穿电压的影响。结果表明:0.1～0.4 MPa气压范围内,C_4F_7N/CO_2混合气体在均匀电场下击穿电压随气压线性增加,在极不均匀电场下出现明显"驼峰"。均匀电场下7%C_4F_7N/93%CO_2混合气体的绝缘强度约为SF_6的0.8倍。C_4F_7N占比为9%～13%的C_4F_7N/CO_2混合气体具有与SF_6相当的工频绝缘强度。在极不均匀电场下,C_4F_7N占比为7%～13%的C_4F_7N/CO_2混合气体工频击穿电压依然可达到SF_6的0.79～0.86倍。通过与SF_6对比工频耐压,得出C_4F_7N占比为7%～13%的C_4F_7N/CO_2混合气体具有替代SF_6气体的潜力。

C4F7N/CO2混合气体中尖端缺陷的流注放电仿真研究

为了探究新型环保气体中流注的产生机理和发展过程,为局部放电的光学检测和可靠诊断提供理论基础,通过COMSOL仿真直流电压下C4F7N/CO2混合气体中针板模型一次流注到二次流注的放电过程,将电子和离子的产生与运动通过连续性方程进行表示,获得流注发展过程中电场的变化规律和光通量的密度分布。仿真结果表明,当一次流注头部靠近阴极时,光通量将呈指数增长;随后空间电荷将迅速地重新分配,阴极处的电子将通过流注通道进入阳极,一次流注的等离子体鞘层被破坏,流注体内部的电场上升;随着通道的导电性降低,电荷重新分配结束,二次流注开始向阴极发展。二次流注与一次流注相比,流注体内的电场分布与光通量分布更加均匀,传播速度也相对较慢。

C4F7N/CO2和C4F7N/N2混合气体工频击穿实验与协同效应分析

为获得C4F7N混合气体最优缓冲气体类型,测量了均匀电场0.1~0.7 MPa下,5%~20%C4F7N/CO2和C4F7N/N2混合气体的工频击穿强度,并分析了2种混合气体的协同特性。基于密度泛函理论的M06-2X-D3/6-311G(d,p)方法建立并优化C4F7N、CO2、N2分子及C4F7N与CO2、C4F7N与N2的双分子复合物构型,并由M06-2X-D3/6-311+G(d,p)方法获得分子/复合物总能量、相互作用能和键能等。实验和理论计算结果表明,C4F7N/CO2和C4F7N/N22种混合气体绝缘强度随混合比例变化时均表现出协同效应,且2种混合气体的协同效应随C4F7N占比的增大而增强,同时C4F7N/CO2混合气体协同效应和绝缘强度都强于C4F7N/N2混合气体;C4F7N与CO2双分子间的相互作用强于C4F7N与N2双分子结构。研究发现,C4F7N混合气体协同效应与分子间相互作用存在一定的关联性,可通过计算C4F7N与缓冲气体分子的相互作用定性分析C4F7N混合气体协同效应的强弱。

工频电压下电场不均匀度对C4F7N/CO2混合气体绝缘性能的影响

近年来,环保气体C4F7N被人们广泛研究来取代SF6在气体绝缘设备中的地位。为较为全面地揭示不同电场分布、气压、混合比例条件下C4F7N/CO2混合气体的工频击穿特性及其工程应用配置方案,计算了不同C4F7N混合比例、气压下C4F7N/CO2混合气体的液化温度,通过不同电极形式下该气体的工频击穿试验,得到不同条件下C4F7N/CO2混合气体和SF6的击穿特性。试验发现,在电场不均匀度增大过程中,C4F7N/CO2混合气体出现了击穿电压突变的N型曲线特征,SF6也表现出类似的现象。此外,根据C4F7N/CO2混合气体液化温度为–10℃的限制,当气压范围在0.3 MPa及以上且电场不均匀度为1.05、1.58、9.6、13.8和22.5时,其C4F7N体积分数需要分别达到9%、5%、7%、5%、5%,才能使得C4F7N/CO2混合气体绝缘强度可达到SF6绝缘强度的0.8倍;若要求C4F7N/CO2混合气体绝缘强度达到SF6的0.9,则需提高C4F7N体积分数至13%及以上。