高气压CF3I-N2混合气体雷电冲击耐受特性及其在GIL中的应用

作为应用广泛的绝缘气体,六氟化硫（SF6）会产生温室效应,环保特性不佳,因此寻找环保型替代气体成为高电压领域的研究热点。针对高压力下三氟碘甲烷（CF3I）和氮气的混合气体（CF3I-N2）开展了基础电极间隙的雷电冲击耐受特性研究,并与纯SF6、SF6-N2混合气体进行特性对比。在此基础上,采用气体绝缘管道母线（GIL）样机开展了CF3I-N2混合气体绝缘特性的验证试验。结果表明,高气压CF3I-N2混合气体具有较好的绝缘能力,但安全裕度相比纯SF6气体较低,为此针对样机进行了相应的电场优化改进,使最大电场强度降低了30%,提高了产品安全裕度。

基于电子输运参数的CF3I及CF3I-N2混合气体绝缘性能分析

三氟碘甲烷(CF3I)因其优异的电气和物化性能被认为是最有可能替代六氟化硫(SF_6)的气体之一。采用玻耳兹曼方程计算纯CF3I及CF3I-N2混合气体的电子输运参数,分析这些参数随约化电场强度E/N和CF3I混合比例的变化规律,从微观角度研究CF3I及CF3I-N2混合气体的绝缘性能。结果表明,纯CF3I气体在均匀场中的绝缘强度约为SF_6的1.19倍;且当CF3I所占比例达到70%时,CF3I-N2混合气体能够达到与纯SF_6相当的绝缘性能。此外,CF3I混合气体在电场敏感性方面优于SF_6,但协同效应不如SF_6-N2混合气体显著。

CF_3I-N_2混合气体在稍不均匀和极不均匀电场中的工频击穿特性

三氟碘甲烷(CF3I)是近年来被认为最有可能替代六氟化硫(SF_6)的环保型绝缘气体之一。通过建立CF3I混合气体绝缘性能试验平台,对CF3I-N_2二元混合气体在不同体积分数(20%和30%)、气压(0.1~0.3 MPa)、放电间隙(5~30 mm)以及电场不均匀系数(针–板模型和球–板模型)下的工频击穿特性进行了研究,揭示了CF3I-N_2混合气体工频击穿电压受CF3I体积分数、间隙距离、气压以及电场不均匀度等因素的影响规律。结果表明,在稍不均匀电场中,CF3I-N_2混合气体的工频击穿电压随放电间距的增大而增大,同时随气压的升高线性增加。在极不均匀电场中,CF3I-N_2混合气体的工频击穿电压近似于随间隙的增大线性增加,但击穿电压随气压的变化出现了不同程度的饱和现象。与SF_6气体相比,CF3I体积分数为20%和30%的CF3I-N_2混合气体能够分别达到纯SF_6气体50%和55%以上的工频耐压水平。

CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的电离特性试验研究

为评估CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的绝缘性能,研究了其在电场中的电离特性。通过稳态汤逊实验(SST)测量获得了CF3SO2F摩尔分数分别为10%、20%、30%、40%、100%的CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的有效电离系数和临界约化场强,研究了混合比例、约化场强和电极距离对其电离特性的影响,并比较了CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体相对于SF6的绝缘强度。结果表明:CF_(3)SO_(2)F摩尔分数为10%时,CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的电离特性与N_(2)类似;随着CF_(3)SO_(2)F占比增大至20%以上后,CF3SO2F/N2混合气体的电离特性逐步由CF_(3)SO_(2)F主导;CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体相对于SF6的理论绝缘强度随着CF_(3)SO_(2)F摩尔分数的增大而增大,40%CF_(3)SO_(2)F/60%N_(2)混合气体的临界约化场强约为SF_(6)的1.01倍,但其对电场变化的敏感程度不如SF6。研究结果可为CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的绝缘强度评估提供理论基础。

300K下不同比例CF_3I-N_2和CF_3I-CO_2混合气体绝缘特性的计算分析

为研究不同比例CF3I-N2和CF3I-CO2混合气体的绝缘特性,进而分析其代替SF6作为绝缘介质应用于高压电力设备的可行性,首先,通过计算所得的纯CF3I气体折合电离反应系数α/N、折合吸附反应系数η/N和折合有效电离反应系数(α-η)/N(其中,α为电离反应系数,η为吸附反应系数,N为粒子数密度)与其他文献实验结果的对比,验证了该计算方法与参数的有效性;其次计算出了CF3I-N2和CF3I-CO2不同比例下混合气体的α/N、η/N和(α-η)/N;最后取(α-η)/N=0得到了不同比例两种混合气体的折合临界击穿电场强度(E/N)cr。结果表明,纯CF3I气体的(E/N)cr为439×10-17 V.cm2,远高于纯SF6气体的366×10-17 V.cm2;当CF3I的摩尔分数x(CF3I)>65%时,CF3I-N2的(E/N)cr高于SF6-N2;当x(CF3I)>70%时,CF3I-N2混合气体的(E/N)cr已经超过纯SF6气体的(E/N)cr;当x(CF3I)>40%时,CF3I-CO2也高于SF6-CO2。

基于Boltzmann方程对C_(3)F_(8)/CF_(3)I/CO_(2)三元环保型混合气体的绝缘性能研究

为研究一种新型SF_(6)替代环保绝缘气体介质,采用密度泛函理论(DFT)从微观结构层面上深入地分析C_(3)F_(8)作为一种SF_(6)替代环保绝缘气体的可行性,利用两项近似的Boltzmann方程对300 K下C_(3)F_(8)/CF_(3)I/CO_(2)三元环保混合绝缘气体介质的绝缘特性进行了分析,计算三元环保混合气体的电子能量分布函数、电子群参数和协同效应系数等多种微观参数,分析了这些参数随C_(3)F_(8)混合气体比例的变化情况,并与同比例下的c-C_(4)F_(8)/CF_(3)I/CO_(2)三元混合气体的微观参数进行了对比和分析。在约化电场强度E/N低于418 Td时,从扩散系数、电子漂移速度的角度上来看,C_(3)F_(8)三元混合气体的性能优于c-C_(4)F_(8)三元混合气体,在C_(3)F_(8)比例低于7%时,C_(3)F_(8)三元混合气体的绝缘强度高于30%SF_(6)/70%CO_(2)的混合气体,此时的三元混合气体在中低压设备中具有一定的应用潜力。此外,当C_(3)F_(8)气体体积分数为10%时,三元混合气体协同性最好。文中的研究从理论上验证了C_(3)F_(8)/CF_(3)I/CO_(2)替代SF_(6)的可能性。

CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体中柱式环氧树脂绝缘子沿面闪络特性

CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体是一种潜在的SF6替代气体,但其沿面闪络特性目前仍有待研究。该文结合三氟甲基磺酰氟(CF_(3)SO_(2)F)已有研究成果,综合考虑液化温度、运行工况、应用成本等多方面因素,主要研究CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体。通过搭建直流、工频、雷电冲击等不同电压形式下的沿面闪络实验平台,开展了均匀电场下混合气体中的沿面闪络特性研究,并与SF6进行了对比。通过研究发现:不同电压形式下的沿面闪络电压随气压升高而呈增长趋势。在直流电压下,0.8MPa下混合体积比为12%CF_(3)SO_(2)F/88%N_(2)的混合气体相对沿面绝缘强度为0.5MPa下SF6的90%以上;在工频交流电压和雷电冲击电压下,前者的相对沿面绝缘强度分别接近后者的70%和90%。此外,还对实验后样品表面形貌进行了对比分析,发现不同电压形式下,混合气体中实验后样品表面闪络痕迹的形状与颜色均存在差异,其中工频交流电压沿面闪络对样品表面的损伤最严重。该文结论可为CF_(3)SO_(2)F绝缘设备的绝缘设计提供参考。

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。

CF_3I-CO_2混合气体在针板电极下局部放电绝缘特性实验研究

由于SF6气体严重的温室效应影响,减少或杜绝SF6气体的使用已经达成共识,有关SF6替代气体的研究围绕一种电负性气体和缓冲气体的混合气体展开。本文在针板电极下通过工频实验同时测量了CF3I-CO2的局部放电起始电压和击穿电压,讨论了混合比、压强对混合气体局部放电性能的影响,并与SF6-CO2混合气体的局部放电起始电压进行比较。实验结果表明:一个大气压下,纯CF3I的击穿电压是SF6的1.2倍;CF3I-CO2的局部放电起始电压是SF6-CO2的0.9～1.1倍,同时,CF3I气体与CO2气体具有很好的协同效应,协同效应值为0.53;CF3I-CO2(30%-70%)混合气体的局部放电能力是纯SF6的0.74倍。因此,从局部放电性能的角度来看,CF3I-CO2(30%-70%)混合气体有可能替代SF6气体用在气体绝缘设备中。

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。

直流电压下CF_3I/N_2混合气体的放电副产物

CF_3I/N_2混合气体被认为有希望取代SF6气体而应用于气体绝缘设备。为了研究CF_3I/N_2混合气体在放电后的副产物,该文基于密度泛函理论(density functional theory,DFT),运用BFGS算法建立并优化了CF_3I分子及其潜在副产物分子的结构模型,并在此模型的基础上通过GGA-PBE算法计算了副产物分子的基态总能量,得到了各分子生成反应的自由能。结果表明副产物的可能组分为C2F6、C_2F_5I和I_2。而采用色质联用法和离子色谱法分别对CF_3I/N_2混合气体直流放电实验后的气体和固体成分进行分析,结果表明气体放电后副产物的主要成分为C_2F_5I,固体副产物为I_2。同时还发现,当气体放电后,将产生少量固态I单质,这导致CF_3I气体含量减少。但经过一个较长时间,CF_3I/N_2气体绝缘性能可恢复到放电前的水平,说明在CF_3I/N_2中决定其绝缘性能的主要因素是自由基对电子的吸附性,而不是I的电负性。研究结果表明,直流电压作用下,CF_3I/N_2绝缘气体放电后可检测到的分解产物是C_2F_5I和I_2。

CF_3I/N_2混合气体中绝缘子沿面闪络特性的研究

文中以SF6／N2混合气体作为比较，研究了CF3I／N2混合气体中绝缘子在工频电压和正、负极性雷电冲击电压下的沿面闪络特性。结果表明：在0．1-0．3MPa下，CF3I／N2混合气体中绝缘子的工频闪络电压和雷电冲击闪络电压均随气压升高而增大；在较低气压下，CF3／N2混合气体中绝缘子的负雷电冲击闪络电压比正极性下要低，而当气压高于某临界值时，负极性下闪络电压又会高于正极性：绝缘子在含30％CF3I气体的CF3I／N2混合气体中的绝缘性能基本介于含20％／30％SF6气体的SF6/N2混合气体中的绝缘性能之间，可以为CF3I混合气体替代SF6混合气体应用于高压气体绝缘电气设备中提供参考。

冲击电压下CF_3I/N_2混合气体放电极性效应研究

SF_6气体具有极强的温室效应,寻找新型SF_6替代气体成为国内外学者需要解决的迫切问题。该文研究了CF_3I/N_2混合气体针–板间隙和球–板间隙在正负雷电冲击电压作用下的绝缘特性,对CF_3I及其混合气体在电力设备中的应用具有重要意义。实验结果表明:极不均匀电场与稍不均匀电场下,CF_3I/N_2混合气体的间隙放电均存在显著的极性效应。在电极间隙为5mm时随着气压的升高还出现了极性反转现象。针–板电极下原本较高的负极性50%击穿电压在气压较低时出现了低于正极性击穿电压的情况,球–板电极下原本较高的正极性50%击穿电压也出现了低于负极性击穿电压的情况。分析表明,CF_3I/N_2混合气体出现极性效应以及在短间隙下的极性反转是由于电极间隙间空间电荷的迁移和扩散与气压的共同作用造成的。因此,使用CF_3I/N_2混合气体作为绝缘介质的电力设备应着重考虑不同气压及均匀度下的极性效应及反转问题。

冲击电压下CF_3I/CO_2混合气体间隙的绝缘特性与极性效应

广泛应用于电力系统的SF_6气体是一种强温室效应气体,寻找新型环保型替代气体成为电力行业亟待解决的问题。为此文中对体积比为3:7的CF_3I/CO_2混合气体进行了实验研究,测量了雷电冲击电压下CF_3I混合气体的50%击穿电压,并和纯SF_6气体的绝缘性能进行了比较。结果表明:CF_3I/CO_2具有较好的绝缘能力,在稍不均匀电场下可以达到SF_6气体绝缘强度的0.84倍,在极不均匀场下也可以达到SF_6气体的0.65倍。还对CF_3I/CO_2混合气体的极性效应进行了分析,结果显示极不均匀场下的CF_3I混合气体极性效应更加明显,并且还出现了极性反转现象。

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。

低比例CF_3I的CF_3I-CO_2混合气体在极不均匀电场中的绝缘特性

常用绝缘气体六氟化硫(SF_6)具有严重的温室效应,三氟碘甲烷(CF3I)是一种环保型的SF_6潜在替代气体,但其沸点及价格较高,而其低比例混合气体可以规避此类问题。针对低比例CF3I的CF3I-CO_2混合气体进行研究,对不同混合比例、不同气压、不同放电间隙下的混合气体在极不均匀电场下进行击穿试验,量化了混合气体在相应情况下的耐压表现。试验结果表明,在极不均匀电场环境下,微量CF3I的混入能显著提高击穿电压,当体积分数>6%后绝缘电压趋于稳定。虽然击穿电压相比SF_6具有一定差距,但微量CF3I与CO_2混合气体具有出很好的正协同效应,因此低比例CF3I的CF3I-CO_2混合气体在大间隙条件下具有一定的应用可行性及成本优势。

电晕放电下二元全氟异丁腈(CF_3)_2CFCN混合气体的分解特性分析

近几年提出的环境友好型气体绝缘介质全氟异丁腈(CF_3)_2CFCN在介电特性和环保方面表现良好,具有替代SF_6气体的可能性。为探究(CF_3)_2CFCN的放电分解特性,选取了N_2、空气和CO_2与(CF_3)_2CFCN构成二元混合气体,在一系列工频电晕放电实验的基础上,利用气相色谱质谱联用技术检测了(CF_3)_2CFCN与3种不同缓冲气体混合后的放电分解产物,并定量分析了气体分解组分与缓冲气体的关联。实验结果表明:(CF_3)_2CFCN的二元混合气体放电分解产物主要是CO、CO_2、CF_4、C_2F_6、C_2F_4、C_3F_8、C_3F_6、C_4F_(10)、CF_3CN、CNCN和C_2F_5CN等。同一实验条件下(CF_3)_2CFCN/空气分解组分中CO_2体积分数要比(CF_3)_2CFCN/N_2分解组分中的高得多;(CF_3)_2CFCN/CO_2混合气体分解产物中产生了较高体积分数的CO气体,使用(CF_3)_2CFCN/CO_2混合气体时应密切关注分解组分CO气体的体积分数。

基于二项近似解玻尔兹曼方程计算CF_3I/N_2混合气体的绝缘特性

本文阐述了国内外对SF_6替代气体的研究现状,介绍了环保型CF_3I/N_2混合气体的基本特点和绝缘特性。运用对电子输运和反应系数的计算原理,通过对绝缘气体特性和数据处理进行分析,通过不同混合比CF_3I/N_2绝缘气体对电子能量、纵向扩散系数、汤逊系数和有效电离系数的影响,验证了CF_3I/N_2作为替代SF_6绝缘气体的可能性。研究表明:60%CF_3I和40%N_2的混合气体可以达到SF_6和N_2的绝缘水平,可用于替代SF_6气体作为绝缘介质应用在气体绝缘开关设备中,有着较好的应用前景。

不均匀电场下CF_(3)SO_(2)F混合气体的工频击穿特性

在球-球和尖-板电极下测量了新型环保绝缘混合气体CF_(3)SO_(2)F/N_(2)和CF_(3)SO_(2)F/CO_(2)的工频击穿电压,分析了气压、电极间距和电场不均匀度等因素对混合气体工频击穿特性的影响,并与SF_(6)进行了对比。结果表明:稍不均匀电场下CF_(3)SO_(2)F混合气体的工频击穿电压与气压为正向线性关系,随间距增长击穿电压出现微弱的饱和趋势。极不均匀电场下CF_(3)SO_(2)F混合气体的工频击穿电压随气压变化呈现“上升-下降-上升”的“驼峰”曲线,“驼峰”峰值对应的气压值在0.2~0.35 MPa之间。其中CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的工频击穿电压整体大于CF_(3)SO_(2)F/CO_(2)混合气体。在0.3 MPa及以上,CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体在极不均匀电场下仍可保持较高的相对SF_(6)绝缘水平,具备良好的应用潜力。

极不均匀电场中CF_3I-CO_2混合气体雷电冲击绝缘特性的研究

以含10%CF_3I气体的CF_3I-CO_2混合气体为研究对象,研究了极不均匀电场中CF_3I-CO_2混合气体在正、负极性雷电冲击电压下的绝缘特性。结果表明:在0.1～0.3 MPa气压内,极不均匀电场中CF_3I-CO_2混合气体在正、负极性雷电冲击电压下的50%击穿电压均随着电极间隙距离的增大而逐渐升高,且增长趋势近似为线性,但在0.3 MPa气压下,正极性雷电冲击电压下的50%击穿电压曲线则呈现出一定程度的饱和趋势;当间隙距离较大时,极不均匀电场中CF_3I-CO_2混合气体在正极性雷电冲击电压下的50%击穿电压均比负极性雷电冲击电压下的低;但当间隙距离较小时,CF_3I-CO_2混合气体在正极性雷电冲击电压下的50%击穿电压比负极性雷电冲击电压下更高。