SF_(6)替代气体C_(4)F_(7)N/CO_(2)喷口灭弧性能分析

近几年,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体因为较低的温室效应和优异的绝缘性能受到广泛关注,但是C_(4)F_(7)N的电弧分断性能实验昂贵、费时,所以文中以SF_(6)和C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体为研究对象,建立了在固定开距直流电源条件下的电弧模型。通过电弧累计能量和电导的计算结果分析SF_(6)和C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的灭弧性能,通过对径向温度、物性参数的分析和能量运输的计算分析SF_(6)和C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的换热机理研究。结果表明,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的电弧特性比较接近SF_(6)气体,可以通过适当提高气压和C_(4)F_(7)N气体占比来提高C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的灭弧性能,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的能量交换方式也和SF_(6)气体比较接近,说明C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体有较好的灭弧性能,为其在SF_(6)替代气体断路器的应用提供参考。

C_(4)F_(7)N-CO_(2)混合气体多次放电后的绝缘性能劣化研究

C_(4)F_(7)N气体由于具有优良的绝缘性能,作为典型的SF_(6)替代气体受到本领域广泛关注。文中针对C_(4)F_(7)N-CO_(2)混合气体多次击穿放电后的性能劣化现象,在针板电极下开展了不同配比条件下C_(4)F_(7)N-CO_(2)混合气体的工频电压击穿试验,并利用气相色谱质谱联用仪来检测混合气体多次击穿放电后的分解物。通过研究发现:C_(4)F_(7)N-CO_(2)混合气体多次击穿电压会出现劣化现象,此外,随着C_(4)F_(7)N-CO_(2)混合气体击穿次数增多,分解产物六氟乙烷C_(2)F_(6)明显增多,其他几种杂质的含量相对较少,CF_(2)=CFCN、CF_(3)CHFCN、CF_(3)CH(CF_(3))CN的含量也随之增多,与之对应的,C_(4)F_(7)N含量有所降低。

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。

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体自由燃弧特性仿真研究

目前电力行业中采用C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体作为绝缘介质替代SF_(6)的可推广性较高,但对其灭弧性能的研究仍有待深入。文中基于磁流体动力学(MHD)理论模拟了棒—棒电极间隙的自由燃弧动态过程,计算了0.6 MPa的C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体(C_(4)F_(7)N占比分别为7%、10%、20%)和SF_(6)的电弧伏安特性。研究结果表明:C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体在轴向的扩散能力强于SF_(6)气体;与C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体相比,SF_(6)气体的燃弧温度更低,增大C_(4)F_(7)N的比例可降低燃弧温度;在燃弧过程中SF_(6)气体的电弧电压最低,增加C_(4)F_(7)N的比例对降低混合气体的电弧电压效果明显。

冲击电弧作用下C_(4)F_(7)N/CO_(2)气体灭弧性能仿真分析

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体是目前最有潜力替代SF 6的气体之一。为了探讨C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的灭弧能力,文中根据电弧能量平衡理论,建立电弧能量平衡方程组,获取管道内部超压随时间的变化规律。同时,基于磁流体动力学模型,使用COMSOL Multiphysics软件建立压爆气流防雷间隙灭弧结构的二维磁流体模型,在雷电流幅值为4 kA的条件下,对管道内不同比例C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体在冲击电弧作用下的熄弧特性进行仿真分析。基于上述方法,结合电弧能量平衡理论,分析模型中电导率、速度以及压强的变化规律。与理论结果对比分析得出:同一工况条件下,20%C_(4)F_(7)N/80%CO_(2)的灭弧性能较优,其次为10%C_(4)F_(7)N/90%CO_(2)与5%C_(4)F_(7)N/95%CO_(2),并且熄弧时间符合气吹灭弧的要求。

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体在GIS环保型母线中的应用研究

文章对C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的特性进行研究,并对其制气方法和混合比测试方法进行了理论分析和应用,在此基础上进行了型式试验验证,为后续在某变电站110 kVGIS环保型母线中的实际应用提供了佐证和试验支撑。研究表明,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体能正常满足环保型母线的应用,研究结果可为新型环保GIS设备的研制和应用提供参考。

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体在高压断路器中熄弧特性分析

基于磁流体力学理论,对C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体和SF_(6)气体的断路器在40 kA短路电流情况下的熄弧特性进行仿真计算,分析两种不同气体的温度特性、灭弧室气体压强。结果表明:相同气压下,9%C_(4)F_(7)N/91%CO_(2)混合气体在燃弧过程中产生的气体压强要比SF_(6)气体产生的压强小,混合气体断路器的燃弧过程中9%C_(4)F_(7)N/91%CO_(2)混合气体熄灭电弧能力相对于SF_(6)气体更弱些;对比电弧等离子体的径向温度,在SF_(6)气体的断路器中,其电弧等离子体的径向温度相较于9%C_(4)F_(7)N/91%CO_(2)混合气体的断路器更高。而在燃弧过程中,相较于SF_(6)气体下的电弧半径,混合气体下的电弧半径更大。当混合气体充气压强提升至0.8 MPa时,温度梯度得到提升,缩减了电弧半径,可有效地扩大径向冷却的作用,使电弧熄灭加速,断路器的熄弧性能能够进一步被提升。

新型环保绝缘气体C_(4)F_(7)N/CO_(2)的制备及检测研究

为了进一步探究C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体在高压电气设备中的应用潜能,本研究搭建C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体制备系统,采用分压法制备了C_(4)F_(7)N体积分数不同的C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体。建立了气相色谱-氢火焰离子化检测器(GC-FID)检测方法,针对C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体制备过程中检测质量难以控制的问题,基于流体力学及有限元分析,开展不同C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的热驱动扩散模拟实验。结果表明:C_(4)F_(7)N体积分数为2%、5%、10%时C_(4)F_(7)N/CO_(2)气体浓度扩散平衡的时间分别为4775、6600、8800 s,C_(4)F_(7)N气体浓度扩散平衡的时间分别为94、122、158 min。3种C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体分别在配制100、125、160 min后进行质量检测及应用,可达到良好的质量控制效果。

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体湿度检测技术研究

电气设备中C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合绝缘气体的湿度水平影响气体的绝缘性能,定期检测湿度是日常运维工作之一。文中研究采用变电站日常运维中常规的冷镜式露点仪和阻容式湿度计对不同湿度的C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合绝缘气体进行检测,实验表明上述常规湿度检测仪器均不能直接应用于C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的湿度检测。文中将上述冷镜式露点仪进行技术改造后,采用标准湿度的C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体对其进行准确度实验,结果表明,改造后的冷镜式露点仪的露点测量误差不超过±0.2℃,且在C_(4)F_(7)N比例不超过12%时可准确检测不低于150μL/L的湿度,满足C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体电气设备的运维要求。上述阻容式湿度计经过C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体湿度发生器重新标定后也可用于C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的湿度检测,露点测量误差不超过±2.0℃。

环保绝缘介质C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体密度在线监测研究

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合绝缘气体的密度是决定其绝缘性能的重要因素,因此对C_(4)F_(7)N混合气体密度的实时监测尤为重要。C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的温度—压力特性是研究其密度监测和校验的基础。因此,文中主要研究了不同混合比例C_(4)F_(7)N/CO_(2)气体在0.12 MPa密度下的温度—压力特性,并与理想气体状态方程和SF_(6)气体状态方程的理论计算结果进行比较,误差均在±1%以内。实验证明,在0.12 MPa的低密度下,不同混合比例的C_(4)F_(7)N/CO_(2)气体特性近似符合理想气体状态方程。在对密度检测精度要求不高的场合,可以安装传统的SF_(6)气体密度继电器进行C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体密度监测。根据C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的温度—压力特性,可以研制C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体密度在线监测装置及其校验仪器。

C_(4)F_(7)N分解产物(CO、CF_(4)、C_(3)F_(6))与金属相容性理论研究:第一性原理

气体与气室内固体材料的相容性是设备安全运行的关键,现有的研究集中在主绝缘气体与固体的相互作用,而电热故障下分解产物也可能对固体材料性能产生影响。为此建立环保绝缘C_(4)F_(7)N主要分解产物(CO、CF_(4)和C_(3)F_(6))与金属材料(铜、铝)相互作用模型,基于第一性原理计算相互作用能、电荷转移、差分电荷密度等微观参数,从能量和电子结构层面探究分解产物与金属的相互作用机理,进而深入分析相容性。结果表明:CO、CF_(4)、C_(3)F_(6)与Cu(111)的相互作用能分别为-0.552 eV、0.317 eV、0.132 eV,电荷转移量分别为0.231 e、0.006 e、0.156 e,且成键效果均较差,为物理作用,进而表现出良好的相容性;CO以及CF_(4)与Al(111)同样有着很好的相容性,而C_(3)F_(6)与Al(111)界面表现出很差的相容性。因此,从气体稳定性角度来讲,在填充C_(4)F_(7)N-CO_(2)混合气体的绝缘设备气室内可使用铜作为导电材料,并避免C_(4)F_(7)N发生分解,从而更好地确保设备的安全运行。

高压断路器中C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的开断性能

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体是一种潜在的SF_(6)替代气体,开展其在高压断路器中开断性能的研究,对推动环保输电方式发展、支撑双碳目标实现具有重要的工程意义。基于磁流体动力学(magnetohydrodynamics,MHD)理论,仿真计算了充有0.6 MPa 5%C_(4)F_(7)N/CO_(2)、10%C_(4)F_(7)N/CO_(2)、15%C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体和纯SF_(6)的40.5 kV断路器20 kA短路电流开断过程,分析C_(4)F_(7)N混合比例对电弧温度特性、灭弧室气压与喷口气流特性的影响规律,并与纯SF_(6)进行比较。研究结果表明:与混合气体相比,SF_(6)气体电弧具有更高的弧芯温度和更小的电弧半径,随着C_(4)F_(7)N比例的增加,混合气体弧芯温度升高、电弧半径减小。断路器短路开断过程中,SF_(6)气体建立起更高的吹弧气压,气吹速度明显高于混合气体,可以形成更好的气吹效果来冷却电弧。最后,基于Mary电弧数学模型计算得到电流零区不同气体的电弧时间常数与电弧功率耗散系数,并以临界恢复电压上升率(rate of rise of TRV,RRRV)定量评判气体开断性能,0.6 MPa的5%C_(4)F_(7)N/CO_(2)、10%C_(4)F_(7)N/CO_(2)、15%C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体临界RRRV分别为1.54、2.22和2.28 kV/μs,远低于SF_(6)的4.98 kV/μs。

基于多光谱阵列的C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体局部放电光学特征分析与诊断

局部放电(PD)的光学检测是反映设备绝缘状态的重要方法.C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体是目前最具有潜力的SF_(6)替代气体,但是缺乏针对该混合气体光学PD特性和诊断方法的研究.构建了一个可采集7个特征波段的PD多光谱阵列检测平台,制作了4种PD缺陷,分析了5种不同比例的C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体和纯SF_(6)气体条件下多光谱PD特征在相位分布、能量分布和特征堆叠图的异同,提出了一种基于多光谱特征(MF)和最近邻算法(KNN)的PD诊断新方法.实验结果表明,纯SF_(6)故障识别准确率可达96.2%;C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的识别率在88%以上,最高准确率为91.1%.该方法对环保型气体绝缘设备的PD诊断具有指导意义,也为传统的PD检测和诊断提供了新思路.

C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体局部放电起始电压的试验研究

研究C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)环保绝缘气体的局部放电特性,可为环保型气体绝缘电气设备的设计制造及运维提供技术支撑。为此,利用针–板电极研究了极不均匀电场中C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体的交流局部放电起始电压(partial discharge initial voltage,PDIV),并分析了O_(2)的体积分数、气压以及电场不均匀系数对其PDIV的影响。试验结果表明:在0.15~0.25 MPa气压范围内,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中加入O_(2)体积分数不宜超过4%;而在0.35~0.65 MPa气压范围内,3种O_(2)占比中,在C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体加入体积分数为4%的O_(2)的方案相对最优。混合气体的PDIV随气压的变化会出现“驼峰效应”;O_(2)体积分数小于8%时,不均匀系数的增加能够有效减少C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)和C_(4)F_(7)N/CO_(2)这2种混合气体PDIV幅值的差别;而O_(2)体积分数高于8%时,不均匀系数的变化对2种混合气体幅值差别的改变影响很小。因此,从混合气体交流局部放电起始电压角度考虑,C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体具备应用于气体绝缘交流设备的可行性。

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体特高压母线通流温升特性研究

随着“碳达峰、碳中和”的提出,环保型高压设备的研制迫在眉睫。C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体作为极具潜力的环保替代气体,目前已经初步应用于高压母线,其通流温升特性作为重要设计指标,尚待深入研究。该文针对1100 kV环保混合气体特高压母线,构建磁-流-热多物理场耦合数值计算模型,并建立C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体物性参数数据库;搭建通流温升测量试验平台,理论与试验相结合,对比分析负荷电流、充气压力、混合比、结构尺寸等不同因素对母线温升的影响,提出合理的设计方案。研究结果表明:C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的换热能力不及SF_(6),增大充气压力和C_(4)F_(7)N的混合比,可有效提高母线通流能力,但依然达不到SF_(6)的水平,在C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体母线设计时应注意此问题;影响母线温升最主要的结构尺寸为导体外径,在导体外径与壳体内径间绝缘距离不变的条件下,导体外径增大11.5%,通流能力与原SF_(6)母线基本一致,该结论可应用于后续的母线设计。

五种吸附剂与C_(4)F_(7)N气体及CF_(3)SO_(2)F气体的相容性试验研究

全氟异丁腈(C_(4)F_(7)N)和三氟甲基磺酰氟(CF_(3)SO_(2)F)是两种具有应用前景的SF_(6)替代气体,有必要研究其与设备中常见吸附剂的相容性。该文通过试验研究了五种常用的吸附剂(3A分子筛、4A分子筛、5A分子筛、13X分子筛及活性氧化铝)与C_(4)F_(7)N气体、CF_(3)SO_(2)F气体的相容性,采用C_(4)F_(7)N/CO_(2)、CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体进行试验,检测试验前后混合气体的比例及成分,发现活性氧化铝会使C_(4)F_(7)N气体体积分数下降,但不会使CF_(3)SO_(2)F气体体积分数下降;其他几种吸附剂均不会使两种气体体积分数下降。分析表明,C_(4)F_(7)N气体分子的CN基团会与活性氧化铝发生弱相互作用,从而导致其被活性氧化铝吸附,因此活性氧化铝不适合作为C_(4)F_(7)N气体设备中的吸附剂。该文涉及的五种吸附剂均与CF_(3)SO_(2)F气体相容。

C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体PD作用下气体和固体副产物生成特性

C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体以其优异的环保和绝缘性能成为目前最具潜力替代SF6应用于电力工业的气体绝缘介质。尽管O_(2)的加入可以在一定程度上提升C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的绝缘性能和化学稳定性,但O_(2)加入及其体积分数变化对混合气体局部放电(partial discharge,PD)作用下气体和固体副产物生成特性的影响规律尚不清楚。因此通过针–板电极模拟设备内的金属突出物缺陷开展C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)96 h PD及其分解特性试验。研究发现C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中加入体积分数2%~4%的O_(2)可以显著抑制大部分副产物的生成,O_(2)体积分数大于6%时每秒累积放电量和平均放电量急剧增加,导致混合气体分解加剧;C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)在长时间PD作用下板电极表面中心区域出现较为明显的圆环状固体析出物,主要成分包括金属氧化物(CuO)、氟化物(CuF、CFx)、碳氧化合物(CO、CO_(2))和氮氧化合物(NO、NO_(2));体积分数4%的O_(2)加入对PD固体析出物的元素组成及其价态影响较小,但可以一定程度上减少其生成量,混合气体中O_(2)对金属导体的腐蚀作用弱于C_(4)F_(7)N。

典型放电缺陷下的C_(4)F_(7)N/CO_(2)分解特性

C_(4)F_(7)N的分解特性关系到气体绝缘电气设备的绝缘性能、缓冲气体选择、固体材料的选择等,也可为电气设备的故障识别提供参考依据。为此,首先利用量子化学方法计算分析了C_(4)F_(7)N的解离路径及主要分解物的形成。随后,以C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体为研究对象,实施了电晕放电、火花放电、悬浮放电等典型缺陷,定性、定量分析了混合比例、施加电压等因素对分解产物种类和含量的影响。C_(4)F_(7)N的稳定产物包括全氟烷烃气体(PFCs)CF_(4)、C_(2)F_(6)、C_(3)F_(8)、C_(3)F_(6)、2-C_(4)F_(6)、2-C_(4)F_(8)和i-C_(4)F_(10);腈类气体CNCN、CF_(3)CN、C_(2)F_(5)CN和CF_(2)CFCN。其中,CO、CF_(4)和C_(3)F_(6)为主要分解气体。随着C_(4)F_(7)N混合比例的增大,CO的含量降低,全氟烷烃和腈类气体的含量增大。由于悬浮放电缺陷涉及固体绝缘材料,CO和CF_(4)的含量较电晕放电和火花放电的高。最后,根据C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体分解产物的成因和变化趋势,本文提出以CO和全氟烷烃气体的体积比值c(CO)/c(PFCs),以及CF_(4)、C_(2)F_(6)与C_(3)F_(6)的体积比值c(CF_(4)+C_(2)F_(6))/c(C_(3)F_(6))作为典型放电缺陷的识别判据,可为C_(4)F_(7)N/CO_(2)气体绝缘设备故障识别与诊断提供参考。

切向电场主导下C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中环氧复合材料表面电荷积聚特性及机理研究

气固界面的电荷积聚问题是诱发沿面闪络的重要原因,而当前C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中电荷积聚特性的相关研究还不够充分。为研究C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中表面电荷积聚特性及机理,本文通过指型电极构建极不均匀电场,测量了环氧复合材料在C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中的表面电荷分布特性;进一步的,为理清表面电荷来源及迁移特性,测量了冲击电压下C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中材料表面电位,比较了附加背板电极前后的表面电荷分布。研究表明,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体与SF_(6)中表面电位分布形态相似,均表现为高压电极附近积聚大量同极性电荷,地电极附近积聚少量异极性电荷。随着C4F7N含量升高,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体抑制电荷积聚能力增强。表面电荷来源于气体电离和高压电极注入并且随着电场强度的改变,电荷来源也发生变化,切向电场促进了电荷沿表面向更大范围的迁移。该工作对于明确C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中表面电荷积聚特性及环保型绝缘气体的推广应用具有重要意义。

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体与环网柜中固体材料的相容性试验

全氟异丁腈(C_(4)F_(7)N)环保气体是目前国际主流推广的SF6替代气体,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体被广泛应用于环网柜等设备中。为了保障环网柜的长期稳定运行,需开展C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体与环网柜典型固体材料相容性研究。该文提出了热加速和电热联合两种气固相容性试验方法,先对C_(4)F_(7)N/CO_(2)及分解气体与金属、塑料、橡胶和环氧玻纤等环网柜固体材料进行热加速试验,对比分析试验前后的气体成分及固体表面形貌、元素构成和光谱特性等关键性能,掌握了气固材料试样的相容性规律;在此基础上,采用环网柜整机带电相容性试验方法,施加运行电压和加热温度模拟现场工况,检测气体状态和设备绝缘性能的差异,结果表明C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体与环网柜固体材料具有良好的相容性,满足长期可靠运行要求。该文提出的C_(4)F_(7)N混合气体与设备材料的气固相容性试验方法和规律等为环保气体电力设备的材料选型、设计研发提供了有益参考,具有重要的实用价值。