C_(4)F_(7)N-air混合气体在稍不均匀和极不均匀电场中的工频绝缘特性分析

近年来,作为SF_(6)有效替代气体之一,七氟异丁腈(C_(4)F_(7)N)因其优异的电气性能和物化特性而受到关注与讨论,然而由于C_(4)F_(7)N的液化温度较高,需要与低液化温度的缓冲气体并用。选择空气作为缓冲气体,在稍不均匀电场与极不均匀电场下,通过工频击穿实验研究气压、混合占比和电极间隙对C_(4)F_(7)N-air混合气体工频击穿电压的影响。结果发现:C_(4)F_(7)N-air混合气体在两个电场下的工频击穿电压随着电极间隙的增大而近似线性增加,在极不均匀电场下,出现明显“驼峰”效应,混合比为8%~16%的C_(4)F_(7)N-air混合气体工频击穿电压可达到同条件下SF_(6)的67%~86%。在稍不均匀电场下,8%C_(4)F_(7)N/92%air混合气体的绝缘强度约为同条件下SF_(6)的0.8倍。混合比为12%~16%的C_(4)F_(7)N-air混合气体具备与SF_(6)相等的工频绝缘强度。总结:与SF_(6)对比,C_(4)F_(7)N占比为8%~16%的C_(4)F_(7)N-air混合气体具备替代SF_(6)气体的潜力。

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。

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。

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。

温度、气压对C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体局部过热分解特性的影响机制

C_(4)F_(7)N气体被认为是最具潜力替代SF_(6)气体的环保型气体绝缘介质。目前,国内外对C_(4)F_(7)N-CO_(2)混合气体热稳定性及分解特性的相关研究较少。文中试验研究了C_(4)F_(7)N-CO_(2)混合气体在不同温度、气压条件下的热分解特性。研究发现,0.15 MPa下5%C_(4)F_(7)N-95%CO_(2)混合气体的热分解起始温度为350℃,首先生成C_(3)F_(6)和CO,随温度升高还能够检测到CF_(4)、C_(2)F_(6)、C_(3)F_(8)、CF_(3)CN、COF_(2)、(CN)_(2)等产物。温度低于450℃条件下,C_(3)F_(6)、(CN)_(2)含量随着温度的升高而增加,温度超过500℃开始下降。在350~500℃温度下,CO、C_(3)F_(8)、CF_(3)CN、COF_(2)含量随温度升高而增加。温度超过500℃后能够检测到CF_(4),C_(2)F_(6),该两种成分可以作为严重过热故障的特征。相关研究成果揭示了C_(4)F_(7)N-CO_(2)混合气体在不同温度和气压条件下的热分解特性,为C_(4)F_(7)N-CO_(2)混合气体的工程应用提供了参考。

特高压C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体GIL温度分布

气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)中绝缘气体热学特性会影响GIL整体绝缘性能。目前,国内外对C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合新型环保气体应用于GIL的研究刚刚起步,其热学特性尚不明确。为此对特高压C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体GIL建立了温度-流体多物理场仿真模型,通过开展现场温升试验对该模型进行了有效性验证,研究了额定电流下GIL内部温度场分布及内部气体密度场、流速场分布,以及不同通流水平下导体和铝合金外壳顶部温升关系,并对比分析了在C_(4)F_(7)N/CO_(2)与SF;两种不同气体下GIL内部温升的差异性。研究结果表明:C_(4)F_(7)N/CO_(2)气体GIL内部温度梯度整体大于SF;气体GIL,在后续环保型GIL设计中应关注这一问题;相同通流条件下C_(4)F_(7)N/CO_(2)气体GIL与SF;气体GIL温度分布差异的主要原因为SF;对流性能优于C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体;探索了C_(4)F_(7)N/CO_(2)GIL外壳顶部温升与GIL中心导体温升间的关系,GIL导–壳温升比例系数为0.482,该系数可应用于后续基于外壳温度的中心导体温度监测系统中。

SF_(6)混合气体和环保替代气体设备标准化研究

为助力“双碳”目标,适应SF6气体限制使用需求,提升电网设备环境友好性,需要开展SF_(6)混合气体和环保替代气体设备标准化研究。立足环保气体设备研发与应用现状,梳理了SF_(6)/N_(2)混合气体设备技术标准,从设备材料、运维检修、试验检测、仪器仪表等方面构建标准化框架;并针对环保替代SF_(6)的C_(4)F_(7)N气体设备,构建了包含气体性能检测技术和方法、设备运行维护、试验检测、回收再利用等标准化框架,在此基础上提出了SF_(6)混合气体和环保替代气体设备准体系,6个子分支与原电力行业GIS设备标准体系一致,体现了环保气体设备标准化建设方向。

基于新型环保气体的断路器温升特性

由于SF_(6)断路器具有严重的温室效应,基于新型环保气体断路器的研究受到了广泛关注。现有关于新型环保气体C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的研究大多集中在灭弧、绝缘性能等方面,对其温升特性的研究不够深入,但是绝缘气体的温升特性对断路器的载流能力设计和运行状态监测具有重要意义。为探究新型环保气体断路器的温升特性,本文基于40.5kV瓷柱式断路器样机搭建了温升实验平台,并建立了电磁-热-流多物理场耦合的仿真模型,对断路器温升特性开展研究。结果表明:断路器灭弧室内温升呈左右对称、上高下低的阶梯状分布,热量主要集中在导体和内部绝缘气体顶部;灭弧室内流场分布较为稳定,导体附近的气体由于受热产生了自然对流现象,气体流速随着温度的升高逐渐增大,最大流速出现在喷口位置;在一定条件下,瓷柱式断路器的导体回路、瓷套管外壳和喷口等典型测点处的温升均随着负荷电流的增大而增加,且喷口和导体处的温度上升速率远高于瓷套管外壳;基于不同气体的瓷柱式断路器温升场具有相似的分布规律,其中C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体表现出良好的散热能力,且随着混合气体中C_(4)F_(7)N气体比例的增加,导体温升逐渐减小;各种气体环境下灭弧室内的流场分布也大致相似,气流速度与灭弧室温度和气体黏度密切相关。研究结果可为新型环保气体C_(4)F_(7)N在瓷柱式断路器中的应用提供理论依据,对新型环保绝缘气体在高压断路器温升方面替代SF_(6)具有重要意义。