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。

全氟异丁腈(C_(4)F_(7)N)混合气体研究进展综述

全氟异丁腈(C_(4)F_(7)N)作为一种潜在SF 6替代气体,近年来备受电力行业关注。介绍了SF 6环保替代技术路线和发展现状,归纳了C_(4)F_(7)N混合气体的放电参数测量和流注放电仿真研究进展,分析了气隙、沿面绝缘以及局部放电性能,剖析了C_(4)F_(7)N混合气体的灭弧性能、放电后的分解产物特性以及与固体材料的相容性,并概述了其应用情况,总结了C_(4)F_(7)N混合气体替代SF_(6)气体存在的问题,提出了未来需要研究和关注的重点。

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。

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。

C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体近区故障开断性能研究

六氟化硫(SF_(6))气体因其具有优良的绝缘与灭弧性能,现已广泛应用于电力设备中,但由于其具有强温室效应,随着全球变暖问题的日益严重,急需寻找能够替代SF_(6)的新型环保气体。其中,全氟异丁腈(C_(4)F_(7)N)具有优异的绝缘性能,有良好的工程应用前景,然而目前尚无针对C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体断路器的近区故障开断特性研究。文中针对126 k V/3 150 A/40 k A柱式C_(4)F_(7)N混合气体断路器的近区故障开断性能进行研究,对比了断路器充入C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体、CO_(2)/O_(2)混合气体和SF_(6)气体在不同电流过零时电流下降率(di/dt)下的近区故障开断性能。L90近区故障开断实验结果显示,在相同条件下SF_(6)气体表现出最佳的开断性能,能够在较宽的燃弧时间窗口内稳定开断实验电流。0.7 MPa的C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体和CO_(2)/O_(2)混合气体在di/dt=12 A/μs条件下的开断表现与0.5 MPa的SF_(6)气体在di/dt=20 A/μs条件下的开断表现接近。基于实验结果提出了灭弧室结构的改进方案,并进行了实验验证文中的研究为C_(4)F_(7)N混合气体断路器的开发与设计提供了参考。

13X分子筛对C_(4)F_(7)N混合气体碳氟分解产物吸附性能研究

环保绝缘气体C_(4)F_(7)N具有优异的绝缘性能,与缓冲气体CO_(2)混合后具有在气体绝缘设备中运用的潜力。选择合适吸附材料对C_(4)F_(7)N混合气体分解产物吸附处理,可保证环保绝缘气体设备的安全稳定运行。文中通过气体吸附实验探究了13X分子筛对C_(4)F_(7)N混合气体主要4种碳氟分解产物的吸附性能,并分析其对主要气体C_(4)F_(7)N和CO_(2)体积分数的影响。通过观测吸附实验后各碳氟分解产物体积分数变化,进而对13X分子筛关于开断实验后的混合气体吸附性能进行评估。实验结果表明13X分子筛对C_(3)F_(6)和C_(3)F_(8)有较强吸附性能,吸附效率高达89%以上,但对C_(2)F_(6)和CF_(4)吸附能力较差,CF_(4)吸附效果不明显另外,实验后主气成分C_(4)F_(7)N和CO_(2)的体积分数会受到一定影响。混合气体吸附实验中,13X分子筛对C_(3)F_(6)和C_(3)F_(8)表现出一定的吸附能力,但没有单一气体吸附效率高,可以通过增加分子筛的使用量来吸附处理混合气体中C_(3)F_(6)和C_(3)F_(8)分解产物。

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。

基于可调谐激光技术的C_(4)F_(7)N气体中微水含量检测装置的研制

C_(4)F_(7)N气体是一种代替SF6的新型电气设备环保绝缘气体。C_(4)F_(7)N气体作为绝缘气体在高压设备中使用时,与SF6设备具有类似的问题,气体的质量影响着设备的正常运行。尤其当C_(4)F_(7)N气体中水分含量超标时,极易引起设备放电降低设备绝缘性能等问题的出现。因此研发针对使用C_(4)F_(7)N气体的运维检测设备就显得尤为重要。文中主要研究可调谐激光红外吸收光谱法对C_(4)F_(7)N中微水含量的定量检测技术。研究了可调谐激光的光谱理论、谐波检测原理和水分的红外吸收特性,介绍了在C_(4)F_(7)N为背景气体的情况下对微水检测精度的影响。其次对TDLAS结构设计、硬件设计及选型进行了介绍。选用DFB激光器,设计制作光电转换模块、光源驱动模块、红外多次反射池以及电路和软件部分,研制出可调谐激光基于C_(4)F_(7)N气体中微水检测装置,去除干扰组分影响,提高微水检测精度,可检测至1μL/L的低限值。装置性能检测结果表明,满足标准要求,定量检测微水准确性高,有利于正确判断设备运行状态。

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混合气体电弧等离子体热力学性质研究

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体作为目前极具潜力的SF_(6)替代气体之一,在开断大容量短路电流中存在固体碳析出的问题。研究表明,向混合气体中加入O_(2)能够抑制固体碳的生成,也能有效增大灭弧室压力并提高气体的熄弧性能。为深入探究O_(2)对混合气体电弧能量耗散影响,在假设局部热力学平衡条件下,基于吉布斯自由能计算了不同O_(2)含量的C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体电弧等离子体粒子组分,并用标准的统计热物理的计算方法得到了不同混合比例气体的热力学性质,对比分析了不同O_(2)含量及压强对混合气体电弧等离子体热力学性质的影响。结果表明:O_(2)在低温区抑制了CO的生成,导致不同O_(2)含量的混合气体在热力学性质上有一定的差异;C_(4)F_(7)N混合气体的轴向热对流能力大于SF_(6),且在低温(大于8 kK)区与O_(2)浓度成正相关;温度小于5 kK时,C_(4)F_(7)N混合气体的径向热对流能力弱于SF_(6),且在低温(大于8 kK)区与O_(2)浓度成正相关。

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。

基于NDIR技术的微量环保绝缘气体C_(4)F_(7)N检测

C_(4)F_(7)N混合气体由于其优异的绝缘性能和更低的温室效应被认为是一种优异的替代SF_(6)的环保绝缘气体,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体绝缘设备已被逐渐推广和使用。由于混合气体的绝缘性能与C_(4)F_(7)N的体积分数有关,通过对混合气体中微量C_(4)F_(7)N的检测,可以对C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体电气设备的绝缘状态进行有效评估。文中通过红外光谱平台,确定了C_(4)F_(7)N的红外光谱信息通过对C_(4)F_(7)N体积分数为100~2 000μL/L的C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体检测,确定了微量C_(4)F_(7)N的最佳检测波段。搭建了基于NDIR技术的微量C_(4)F_(7)N检测平台,测量通道滤光片为7.9μm,实现了对12.6~52.5μL/L的微量C_(4)F_(7)N定量检测,C_(4)F_(7)N气体体积分数与反演信号值的线性拟合系数R^(2)为0.989,最大绝对误差为0.107。研究成果为C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体绝缘设备的绝缘状态评估提供了一种可行方案。

环保绝缘气体C_(4)F_(7)N的小鼠急性吸入毒性研究

C_(4)F_(7)N混合气体是一种被广泛关注的环保型气体绝缘介质。为了确保C_(4)F_(7)N混合气体在电力工业中的应用安全,需要对C_(4)F_(7)N混合气体的急性吸入毒性进行深入评估。文中基于小鼠4 h急性吸入C_(4)F_(7)N气体实验结果,揭示小鼠暴露于C_(4)F_(7)N气体后所表现出的症状和存活小鼠的机体恢复特性。结果显示,C_(4)F_(7)N气体的半数致死浓度(LC_(50))为1 270μL/L(4 h,小鼠)。结合体重变化和血液检测结果,发现1 000μL/L体积分数C_(4)F_(7)N染毒4 h后存活的小鼠在14天的观察期过后可以恢复到正常状态。相关结果系统评估了C_(4)F_(7)N气体的急性吸入毒性,为其工程应用提供了重要参考。

基于密度泛函的C_(4)F_(7)N/N_(2)/O_(2)三元混合气体击穿及分解特性分析

C_(4)F_(7)N具有优异的绝缘性能和环保特性,是有潜力替代SF_(6)的环保型绝缘气体。目前,主要采用CO_(2)作为C_(4)F_(7)N的缓冲气体,其含量一般大于90%,由于CO_(2)为温室气体,将CO_(2)替换为N_(2)后与C_(4)F_(7)N混合,会使混合气体环保性大大提升。虽然,C_(4)F_(7)N/N_(2)混合气体在放电时可能有固体碳析出情况,严重影响气体绝缘设备正常运行,但是,O_(2)的加入能够改善C_(4)F_(7)N/N_(2)二元混合气体的击穿特性,抑制分解产物的产生。为此,本文基于密度泛函理论计算了O_(2)及C_(4)F_(7)N/N_(2)混合气体的电子亲和能、电负性、不同分子数量的O_(2)和N_(2)与C_(4)F_(7)N气体之间的相互作用能及电荷转移量,得出了C_(4)F_(7)N分子的福井函数、C_(4)F_(7)N/N_(2)/O_(2)各气体分子化学键的解离能,分析了C_(4)F_(7)N与O_(2)放电分解涉及的自由基反应过程,从微观角度研究O_(2)对C_(4)F_(7)N/N_(2)混合气体击穿特性及分解特性的影响。结果表明:相较于N_(2),O_(2)的电子亲和能及电负性更强,加入O_(2)有助于提高C_(4)F_(7)N/N_(2)混合气体的击穿电压。O_(2)-C_(4)F_(7)N的相互作用能约为N_(2)-C_(4)F_(7)N相互作用能的5倍;随着缓冲气体分子数量的增加,缓冲气体与C_(4)F_(7)N之间电荷转移量逐渐增加,使得C_(4)F_(7)N/O_(2)体系中C_(4)F_(7)N得到电子,而C_(4)F_(7)N/N_(2)体系中C_(4)F_(7)N失去电子。C_(4)F_(7)N未发生放电分解时,缓冲气体与C_(4)F_(7)N分子间主要以物理作用为主,O_(2)的加入消耗C_(4)F_(7)N分解产生的CF_(2)·与C·自由基,减少金属电极表面碳单质的附着。综上,O_(2)的加入能够减少碰撞电离,消耗C_(4)F_(7)N分解产生的自由基,抑制分解产物的产生,改善三元混合气体C_(4)F_(7)N/N_(2)/O_(2)的击穿特性及分解特性。

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。

O_(2)对三元混合气体C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)中界面闪络及固体析出特性的影响研究

在环保气体C_(4)F_(7)N/CO_(2)中加入一定量O_(2)组成三元混合气体后,可以限制C_(4)F_(7)N深度分解形成固体产物,因此在部分环保替代方案中得到应用;然而,O_(2)的引入对气固界面放电特性以及固体产物形成特性的影响尚未得到深入研究,当前多数三元混合气体方案中O_(2)含量缺乏依据。为探究合适的O_(2)混合比例,研究C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)三元混合气体下的气固界面闪络特性,获得O_(2)含量、C_(4)F_(7)N含量等对闪络电压的影响;分析三元混合气体下气固界面闪络放电电流以及放电后的界面宏观、微观图像。结果表明:O_(2)含量对闪络放电电压、放电电流幅值总体影响不大,制订混合方案时可主要考虑其对分解特性的影响;O_(2)含量过高时会促进气体电极绝缘材料三结合点附近区域的烧蚀现象,增强放电通道中的气体热解过程,从而形成烧蚀坑或黑色固体产物堆积,影响系统的绝缘水平;实际应用中O_(2)含量不宜超过6%。

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。

分子筛物理结构和化学改性对C_(4)F_(7)N及其分解产物吸附特性的影响

新型环保绝缘介质C_(4)F_(7)N混合气体在长期过热和局部放电条件下会发生分解,部分分解产物不仅影响气体绝缘开关柜稳定运行,还对人身安全造成危害。因此设备内部需要配有吸附材料对分解产物进行吸附处理。分子筛种类繁多且具有离子改性空间,被视为最有潜力处理C_(4)F_(7)N分解产物的吸附材料。本文通过分子动力学计算探究了11种纯硅型分子筛(3种具有笼道结构特征,8种具有孔道结构特征)对C_(4)F_(7)N及其分解产物的吸附等温线及吸附位。然后基于密度泛函理论(DFT)得到了阳离子(H^(+)、Na^(+)、Mn^(2+)和Fe^(2+))改性后ZSM分子筛对C_(4)F_(7)N及其分解产物的吸附能、电子转移以及态密度等参数。分子动力学结果表明,分子筛拓扑结构、气体分子与分子筛窗口尺寸大小等特性是影响吸附过程的重要因素。密度泛函计算结果表明,Mn^(2+)离子和Fe^(2+)离子改性可以有效提升ZSM分子筛对C_(4)F_(7)N分解产物的吸附效果,且吸附过程为化学吸附。吸附时,C_(4)F_(7)N的主要作用位点为C≡N键,C_(2)F_(6)的主要作用位点为C=C双键及F原子,C_(3)F_(8)、C_(2)F_(6)和CF_(4)的主要作用位点为F原子。

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。