CuO掺杂C_(3)N对C_(5)F_(10)O分解组分吸附性能的第一性原理研究

全氟五碳酮(C_(5)F_(10)O)作为可替代SF_(6)的新型环保绝缘气体已被投入到实际应用中.当绝缘设备内部发生局部放电等故障时,C_(5)F_(10)O会分解产生弱绝缘性的CF_(4)、C_(2)F_(6)以及剧毒的CF_(2)O、HF等有害组分,为保证绝缘设备的安全运行,需有选择地通过吸附去除这些分解组分.新型类石墨烯C_(3)N材料在气体吸附领域具有良好的应用前景,文中基于第一性原理计算了CuO分子掺杂C_(3)N对主要分解组分CF_(4)、C_(2)F_(6)及剧毒产物CF_(2)O、HF的吸附过程,计算并分析了各分解组分吸附时的吸附能、态密度、电荷转移量、差分电荷密度以及不同环境温度下的恢复时间.结果表明,CuO-C_(3)N对HF表现出良好的吸附性,CF_(2)O次之,但其无法吸附CF_(4)与C_(2)F_(6),因此CuO-C_(3)N可以作为一种高性能的气体吸附剂对C_(5)F_(10)O绝缘设备内的剧毒分解组分HF进行吸附去除.

热态C_(5)F_(10)O/CO_(2)混合气体电击穿特性研究

热态气体的临界击穿场强是评估高压断路器弧后电击穿特性的基础数据,文中研究了C_(5)F_(10)O/CO_(2)混合气体在C_(5)F_(10)O混合比例k=0~10%、压强0.1~2.0 MPa、温度300~4 000 K范围内的临界击穿场强。基于质量作用定律数学模型,得到不同温度下混合气体的平衡组分,采用两项近似方法求解玻尔兹曼方程,分析混合气体的电子能量分布函数、折合电离和吸附系数,获得混合气体的临界折合击穿场强和临界击穿场强。结果表明:0.6 MPa下,温度低于3 000 K时,随着温度降低,k=0~10%混合气体的临界击穿场逐渐低于SF_(6);在温度高于3 000 K时,混合气体的临界击穿场强为SF_(6)的1.2倍以上,具有较强的绝缘能力。研究结果可为C_(5)F_(10)O/CO_(2)混合气体高压断路器弧后电击穿特性研究提供参考。

环保型绝缘气体C_(5)F_(10)O与密封材料三元乙丙橡胶和丁腈橡胶的相容性

C_(5)F_(10)O混合气体具有在中低压气体绝缘设备中替代SF6的潜力,但其与现有气体绝缘设备常用密封材料的长期相容性目前仍未揭示,这为C_(5)F_(10)O在电力工业中的应用带来了挑战。为此,以现有气体绝缘设备最常用的三元乙丙(ethylene propylene diene monomer,EPDM)和丁腈橡胶(nitrile butadiene rubber,NBR)为研究对象,通过28 d的热加速老化实验来模拟C_(5)F_(10)O与橡胶在设备中的长期共存过程,结合光电子能谱和气相色谱检测,分析了两种典型橡胶与C_(5)F_(10)O长期作用后的密封性能和C_(5)F_(10)O的稳定性。结果表明:在长期共存条件下,C_(5)F_(10)O与两种橡胶均会发生反应,生成CO、CO_(2)、C_(3)F_(6)、C_(3)F_(7)H等分解产物;三元乙丙和丁腈橡胶的压缩模量在28 d热加速老化后分别下降为原本的90.6%和88.4%;与C_(5)F_(10)O发生反应后,橡胶表面出现原本不存在的F元素,且主要以C—F键和Zn—F键的形式存在,因此两者间的相互作用不仅与橡胶中的主体共聚物有关,还与橡胶中广泛使用的ZnO等补强剂有关。该研究结果表明三元乙丙和丁腈橡胶与C_(5)F_(10)O相容性较差,在相关设备的运维中需对密封材料采取保护措施或固定其更换周期。

基于FTIR技术的环保气体C_(5)F_(10)O/N_(2)分解组分检测方法

近年来,C5F10O因优良的绝缘性能和环保特性被广泛关注,且C5F10O混合气体已经在气体绝缘环网柜等设备中开始应用。研究C5F10O混合气体分解组分的检测方法,对于设备的故障诊断和运维具有重要意义。为此以C_(5)F_(10)O/N_(2)混合气体热分解产物为研究对象,搭建傅里叶红外光谱(Fourier transform infrared spectroscopy,FTIR)检测实验平台,基于FTIR技术探索C_(5)F_(10)O/N_(2)混合气体过热分解组分的种类,并与气相色谱质谱联用仪(gas chromatography mass spectrometry,GCMS)的检测结果对比,确定FTIR检测混合气体分解组分的可行性。通过FTIR检测分析,确定C_(5)F_(10)O/N_(2)热解后的分解组中含有CF_(3)H、C_(3)F_(6)、C_(3)F_(7)H、CO、CO_(2)和CH4气体。对CF_(3)H、C_(3)F_(6)、C_(3)F_(7)H这3种气体的吸收光谱进行分析并建立浓度标定模型,确定了采用FTIR可以分别在1130~1170、1020~1050、890~930 cm^(-1)波段对CF_(3)H、C_(3)F_(6)、C_(3)F_(7)H气体实现定量分析,得到CF_(3)H、C_(3)F_(6)、C_(3)F_(7)H的体积分数分别为21.34×10^(-6)、27.39×10^(-6)、7.78×10^(-6),与GCMS的检测结果20.88×10^(-6)、27.88×10^(-6)和7.62×10^(-6)相近。该研究可以为C_(5)F_(10)O/N_(2)混合气体绝缘设备过热故障的分解气体检测提供参考。

环保型C_(5)F_(10)O混合气体设备研制现状与展望

电气设备中温室气体SF_(6)对全球气候变暖的影响愈来愈受到重视,新型绝缘介质全氟戊酮C_(5)F_(10)O因优异的环保性能成为本领域的研究热点。纯C_(5)F_(10)O液化温度高,不宜直接在电气设备中应用,需要与液化温度较低的缓冲气体混合使用。文中通过总结C_(5)F_(10)O混合气体理化特性、绝缘特性、放电分解特性及其与电气设备内部常见金属材料的相容特性,发现C_(5)F_(10)O混合气体具有优良的分解特性;通过选择合适的混合方案,选用与C_(5)F_(10)O相容性良好的材料,C_(5)F_(10)O混合气体具备作为绝缘介质在电气设备中应用的潜力。现阶段国内外已经有环保型C_(5)F_(10)O混合气体绝缘设备工程示范应用案例,相关成果可为C_(5)F_(10)O混合气体设备的扩大应用提供支撑,助推中国能源行业绿色低碳转型。

C_(5)F_(10)O分解气体在Cu修饰NiS_(2)表面的吸附机理研究

文中利用第一性原理研究了Cu修饰单层NiS_(2)(Cu-NiS_(2))对5种C_(5)F_(10)O分解组分的吸附和传感性能,以探索其在C_(5)F_(10)O绝缘装置运行状态评估领域的应用潜力。通过对各吸附体系的吸附参数研究发现:Cu-NiS_(2)对C_(2)F_(6)O_(3)分子表现为化学吸附,吸附能为-1.05 eV,而对C_(3)F_(6)、CF_(2)O、C_(2)F_(6)和CF_(4)分子表现为物理吸附。通过对各吸附体系的电子性能以及气敏恢复特性分析发现:Cu-NiS_(2)对C_(3)F_(6)或CF_(2)O气体的传感性能较好,且在室温下恢复性能较佳,因此具备开发为C_(3)F_(6)或CF_(2)O气体传感器的巨大潜力;相反的,由于Cu-NiS_(2)对C_(2)F_(6)和CF_(4)的传感性能较差,因此无法实现这两种气体的高灵敏检测。此外,尽管Cu-NiS_(2)对C_(2)F_(6)O_(3)的传感性能极佳,但其较长的恢复特性决定了只能实现对该气体的单次检测,无法实现长期稳定使用。依据仿真研究结果提出了一种用于电力系统故障诊断的新型气敏传感材料,即Cu-NiS_(2),该传感材料对于评估C_(5)F_(10)O绝缘装置的运行状态具有重要意义。

环保绝缘介质C_(5)F_(10)O混合气体体积分数比定量检测

C_(5)F_(10)O混合气体在中低压电压等级电气设备中替代SF_(6)气体作为绝缘介质具有很好的应用前景。因C_(5)F_(10)O的体积分数比对其混合气体的电气性能起到决定性作用,而已有的研究中,C_(5)F_(10)O混合气体大多是采用道尔顿分压法配制,存在配气误差无法确定的问题。该文基于紫外差分光谱法提出快速准确的定量检测C_(5)F_(10)O混合气体体积分数比的方法,实验发现,C_(5)F_(10)O气体在237~350nm波段有紫外吸收峰,峰值位于299nm处,通过对C_(5)F_(10)O气体的吸收峰进行检测,标准气体的体积分数比反演曲线线性确定系数高达0.99998,检测绝对误差小于0.05%,理论检测下限低至200×10^(-6)。该文的研究成果可用于指导配制体积分数比更加精确的C_(5)F_(10)O混合气体以及在工程应用中实时在线监测C_(5)F_(10)O混合气体的体积分数比变化和监测环境中C_(5)F_(10)O的泄漏,为运维人员制定运维计划提供参考。

环保绝缘气体C_(5)F_(10)O分解及复原性能研究现状及展望

针对SF_(6)绝缘气体介质在电工装备领域实际应用展开论述,介绍SF_(6)在电力工业中的发展历程和重要地位,通过大量文献解读,从多角度分析阐述环保绝缘气体的国内外研究现状,以新型环保气体绝缘介质中具有较大工程应用潜力的C_(5)F_(10)O为例,比较与SF_(6)的主要分解及复原反应的解离能、吉布斯自由能、反应速率常数和平衡常数等重要参数。可以看到,以C_(5)F_(10)O为代表的新型绝缘气体,虽然同时具有优良的绝缘性能和环保特性,但因其自身分子结构的不对称性导致其在灭弧能力和自复原性等方面的性能与SF_(6)气体存在差异,适合于温、热带和低海拔等地理环境下的中低压开关柜及较低电压等级的GIL、GIS和GIT等设备中应用。因此,现阶段C_(5)F_(10)O及其他环保气体还不具备完全替代SF_(6)气体应用于开关电器的能力。最后,分析环保绝缘气体研发过程中面临的工程问题及未来发展方向,对今后的研究重点进行展望。

氧气对C_(5)F_(10)O/N_(2)混合气体绝缘介质局部过热分解的影响特性

C_(5)F_(10)O因其优异的环保性能和绝缘特性,在中低压气体绝缘设备中具有替代SF_(6)气体的极大潜力,是近年来国内外共同的研究热点之一。当设备内部存在接触不良时,不可避免地会诱发气体绝缘设备内部发生局部过热故障,C_(5)F_(10)O将会发生分解。当使用空气作为缓冲气体时,C_(5)F_(10)O混合气体中含有高含量的O_(2),在局部过热的条件下,O_(2)的存在可能会显著影响C_(5)F_(10)O分解的特性和机制。该文在气体绝缘设备过热性故障模拟实验平台上进行不同O_(2)含量下的C_(5)F_(10)O/N_(2)混合气体绝缘介质局部过热分解实验,利用气相色谱–质谱联用仪对主要分解产物(CO、CO_(2)、CF_(4)、C_(2)F_(6)、C_(3)F_(6)、C_(3)F_(8))浓度进行定量检测,研究O_(2)对C_(5)F_(10)O/N_(2)混合气体绝缘介质局部过热分解的影响特性,从而探讨局部过热过程中C_(5)F_(10)O/空气混合气体中O_(2)的作用,结合实验结果,对C_(5)F_(10)O的工程应用提出相关的建议。总分解量和主要分解产物组分含量两个方面的分析结果都表明,O_(2)的加入会促进C_(5)F_(10)O的分解。在其他条件相同的前提下,从过热分解特性进行考虑,N2更适合用作C_(5)F_(10)O的缓冲气体。

ZSM-5分子筛对C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体及其过热分解产物吸附性能研究

目前,C_(6)F_(12)O环保绝缘介质已在气体开关柜中得到应用,选择合适的多孔材料对C_(6)F_(12)O混合气体分解产物吸附处理,既能保证开关柜的稳定运行,也可为大力推广C_(6)F_(12)O环保气体开关柜的应用提供安全保障。本文通过气体吸附实验探究ZSM-5分子筛对C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体模拟过热故障后分解产物的吸附性能及对两种主要绝缘介质C_(6)F_(12)O/CO_(2)浓度的影响;同时,基于分子动力学仿真模拟吸附过程,计算浓度分布函数、径向分布函数、扩散系数等动力学参数以厘清吸附机理。实验结果表明:模拟过热故障后C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体的主要分解产物为C_2F_6、C_3F_8、C_4F_(10)、C_3F_6、C_3F_7H、C_5F_(12)和C_6F_(14)。ZSM-5分子筛对大部分分解产物都有吸附作用,对C_3F_8、C_4F_(10)、C_3F_7H这3种分解气体吸附性能优异,吸附率均超过80%;对C_2F_6、C_3F_6分解气体有一定的吸附能力,但吸附效果不明显;对C_5F_(12)、C_6F_(14)分解气体基本不吸附。实验前主绝缘介质C_6F_(12)O、CO_(2)浓度较高,ZSM-5分子筛对其浓度影响较小,实验后吸附率分别为1.77%和0.25%。理论计算结果表明:ZSM-5分子筛能够很好地吸附动力学直径与自身孔径相当的气体分子(C_2F_6、C_3F_8、C4F1_0、C_3F_6、C_3F_7H),对于体积过小或过大的气体分子(CO_(2)、CF_4、C5F1_2、C6F1_2O、C_6F_(14))吸附作用不明显。ZSM-5分子筛可用于C_(6)F_(12)O环保绝缘气体开关柜中对分解产物进行吸附处理,以保证设备安全稳定运行;同时,为相关电力防护设备中过滤材料的选择提供参考。

三元乙丙橡胶与C_(5)F_(10)O/CO_(2)混合气体的相容性研究

C_(5)F_(10)O气体具有优异的绝缘和环保特性,在中低压电气设备中作为绝缘介质使用具有很好的应用前景,但C_(5)F_(10O)与气体绝缘设备中常用的三元乙丙橡胶密封材料的相容性在其工程应用前仍待研究。为此通过搭建橡胶相容性试验平台,使用热加速老化的方法研究了C_(5)F_(10)O/CO_(2)混合气体与三元乙丙橡胶的相容性,并测试了试验后气体成分的变化、三元乙丙橡胶的机械特性、表面形貌和元素变化。研究发现,在热老化条件下三元乙丙橡胶会与C_(5)F_(10)O和C_(3)F_(6)反应,使C_(5)F_(10)O气体分解产生的C_(3)F_(6)减少,但同时会使C_(5)F_(10)O气体分解产生的C_(3)F_(6)O和C_(3)HF_(7)增多;老化试验结束后三元乙丙橡胶表面覆盖了一层油性物质,老化试验会使三元乙丙橡胶脆化降低其机械性能,表面会析出大量晶体颗粒;C_(5)F_(10O)气体腐蚀三元乙丙橡胶后,会加速三元乙丙橡胶的老化造成其使用寿命缩短。相关试验结果将会对C_(5)F_(10)O气体绝缘设备的设计和制造过程提供参考。

环保型绝缘介质C_(5)F_(10)O与Cu(110)晶面的气固相容性研究

为研究环保型绝缘介质C_(5)F_(10)O与绝缘设备内部紫铜材料间气固相容性,文中基于密度泛函理论(DFT)从微观层面对C_(5)F_(10)O与Cu(110)晶面展开分析。首先,采用前线分子轨道理论分析C_(5)F_(10)O分子官能团活性,建立C_(5)F_(10)O在Cu(110)晶面上吸附构型;其次,计算C_(5)F_(10)O在Cu(110)晶面上不同吸附构型产生吸附能及转移电荷;最后,建立SF_(6)在Cu(110)晶面上吸附构型,分析C_(5)F_(10)O与SF_(6)吸附特性差异。研究结果表明:C_(5)F_(10)O分子结构中氧原子活性较高,在Cu(110)晶面上不同吸附位置均可发生化学吸附反应,其中顶位吸附构型产生吸附能与转移电荷相对较大,吸附反应较容易发生;通过对比C_(5)F_(10)O与SF_(6)在Cu(110)晶面上吸附特性,表明C_(5)F_(10)O吸附能力弱于SF_(6),从气固相容性方面验证了C_(5)F_(10)O在绝缘设备中替代SF_(6)的潜力。

环保型绝缘气体C_(5)F_(10)O/CO_(2)与紫铜的相容性研究

六氟化硫(SF_(6))具有极佳的绝缘、灭弧特性,但其温室效应对全球环境造成的影响时刻督促着科研工作者们不断寻找其替代气体。行业内对C_(5)F_(10)O/CO_(2)的绝缘以及灭弧能力均有所研究,但对其作为SF_(6)潜在的替代气体与金属材料的相容性方面的报道较少。文中研究了不同故障点温度下C_(5)F_(10)O/CO_(2)与高压电气设备内部常用的紫铜材料的相容性。试验对气体组分、表面形貌进行了表征、分析,发现C_(5)F_(10)O/CO_(2)在接触80℃的紫铜的情况下便已开始分解且分解产物含量随故障点温度的升高而增大,同时紫铜表面颜色也逐渐加深,紫铜受到的腐蚀逐渐严重。试验表明在温度升高的情况下C_(5)F_(10)O/CO_(2)与紫铜的相容性较差,但是在紫铜表面镀银能够起到很好的防腐蚀效果,因此在未来C_(5)F_(10)O/CO_(2)替代SF_(6)作为电气绝缘介质时建议对紫铜材料表面进行镀银处理,具有一定的应用参考价值。

准均匀电场下C_(5)F_(10)O/干燥空气与C_(5)F_(10)O/N_(2)的绝缘特性

SF 6因优异的电气特性广泛应用于电器绝缘设备中,但其产生的温室效应对大气环境具有极大损害。近年来,C_(5)F_(10)O作为一种环保型SF 6潜在替代气体受到国内外科研工作者的关注。为进一步探究C_(5)F_(10)O/干燥空气与C_(5)F_(10)O/N_(2)的绝缘特性,文中利用气体绝缘性能测试平台,对不同气压、不同C_(5)F_(10)O分压下的2种混合气体在准均匀电场下进行工频击穿试验。实验结果表明,C_(5)F_(10)O混合气体绝缘强度随气体压强的增大而增大;提高C_(5)F_(10)O分压亦可提高两类缓冲气体的绝缘强度,且对N_(2)绝缘强度提升相对值大于干燥空气。从绝缘强度考虑,适当增大C_(5)F_(10)O混合气体气压和C_(5)F_(10)O分压,C_(5)F_(10)O/干燥空气比C_(5)F_(10)O/N_(2)混合气体更具潜力替代室内中低压设备中的SF 6。

环保绝缘气体C_(5)F_(10)O的急性吸入安全性研究

本文开展小鼠急性吸入C_(5)F_(10)O气体毒性研究,并在吸入试验后14天观察期内记录小鼠健康恢复情况,以检验C_(5)F_(10)O气体对小鼠健康有无长期影响。结果表明:小鼠吸入低浓度C_(5)F_(10)O气体后会有轻微中毒反应,如呼吸加快、对外界刺激极为敏感等临床症状,但上述症状会在随后的几个小时内恢复;小鼠吸入高浓度C_(5)F_(10)O气体后会出现严重中毒临床症状,身体瘫软并丧失行动能力,并很快出现死亡现象。小鼠4 h急性吸入C_(5)F_(10)O气体的半数致死浓度(LC_(50))值为7461×10^(-6)(雌性)和8724×10^(-6)(雄性),在全球化学品统一分类和标签制度(GHS)中应被归类为第4类,属于低毒气体。小鼠吸入C_(5)F_(10)O气体后主要对其呼吸和消化系统产生急性伤害,相关研究人员在工作中应注意加强个人防护,佩戴防毒面具和手套,防止接触到C_(5)F_(10)O气体危害其健康。

环保型绝缘气体技术经济性能综合评估研究

SF_(6)是一种强温室气体,排入环境危害巨大,研究能替代SF_(6)的环保型绝缘气体是绿色发展的必然。文中首先简略介绍了针对SF_(6)替代气体的研究情况,重点结合工程实际应用需求,提出了环保型气体多维度评价体系,并依据提出的评价标准对多种潜在的SF_(6)替代气体进行了综合分析。综合理化性能、安全性能和绝缘性能多个维度评估,结果表明,C_(5)F_(10)O、C_(6)F_(12)O、C_(3)F_(7)CN综合性能优异,其中C_(5)F_(10)O、C_(6)F_(12)O混合气体具备应用于中低压设备,C_(3)F_(7)CN混合气体具备应用于中高压气体绝缘设备的潜力,该评估与目前的环保型绝缘气体设备的发展趋势相符,具有很好的参考性。

环保绝缘气体设备研发与应用进展

SF_(6)在中、高压气体绝缘输配电设备中被广泛使用。然而,SF_(6)作为一种强温室气体,其全球变暖潜能值高达CO_(2)的23500倍且大气寿命长,由于SF_(6)气体作为绝缘气体在电气设备中的大量使用,致使其在大气中的浓度持续增加。为践行“2030年碳达峰,2060年碳中和”的减排目标,推动电网设备选型向绿色环保领域迈进,环保型气体绝缘介质及设备研发成为热点。近年来,全氟化酮、全氟化腈及其混合气体凭借优良的绝缘及环保性能被广泛关注,被认为是极具潜力的SF_(6)替代气体。文中阐述了常见环保型气体绝缘介质的基础特性,分析了其应用于气体绝缘输配电设备的可行性,并介绍了近年来国内外环保绝缘气体设备的研发与应用进展;最后,展望了环保绝缘气体应用面临的问题及未来的发展趋势。

全氟甲基异丙基酮的合成工艺研究

在催化剂作用下,六氟丙烯与三氟乙酰氟反应制备全氟甲基异丙基酮(C_(5)F_(10)O)。在乙腈为溶剂的条件下,探索了催化剂、反应温度、反应时间对制备C_(5)F_(10)O的影响,得到优选反应条件:催化剂为氟化钾,反应温度为80℃,反应时间为9~10 h。在该条件下,C_(5)F_(10)O的产率为87%~88%,纯度>95%。该方法反应条件温和、操作简单且收率高,易大规模生产。