环保绝缘介质C_(6)F_(12)O混合气体FTIR检测技术研究

环保绝缘介质C_(6)F_(12)O混合气体具有应用于中低压设备的潜力,因此C_(6)F_(12)O混合气体检测技术的研究具有非常重要的现实意义。文中基于红外吸收光谱提出了C_(6)F_(12)O混合气体定性定量检测技术。基于密度泛函理论,对C_(6)F_(12)O分子进行结构优化,仿真计算其振动频谱,与实验检测红外光谱进行对比。对体积分数标定模型的波段和特征量的选取进行了详细的研究,提出C_(6)F_(12)O混合气体相关绝缘设备的混合比和微量体积分数检测方案。结果表明,红外光谱的仿真结果与实验结果具有较好的一致性;不同体积分数的吸收峰有很好的线性关系,利用峰值作为特征值比峰面积建立的体积分数标定模型准确性和稳定性强。混合比检测时,以3 500~3 567 cm^(-1)波段的峰值作特征量建立模型的拟合度为0.999 57,检测误差在2%以内;微量检测时,以1 750~1 820 cm^(-1)波段的峰值作特征量建立模型的拟合度高达0.999 97,检测误差小于3.8%,建立的体积分数标定模型的稳定性、准确性较好。文中研究结果提供实验和仿真的C_(6)F_(12)O红外光谱信息,为C_(6)F_(12)O型气体绝缘设备提供FTIR检测技术,为C_(6)F_(12)O混合气体绝缘设备的混合比和微量体积分数检测提供了重要的理论支撑。

C_(6)F_(12)O混合气体与三元乙丙橡胶的相容性研究

C_(6)F_(12)O作为一种新型环保绝缘气体,与缓冲气体混合后具有作为绝缘介质运用于中低压电气设备的潜力。然而,环保气体绝缘设备内的密封材料是否与C_(6)F_(12)O长期兼容还有待深入研究。为此,本文研究了C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体与气体绝缘设备中常用的三元乙丙橡胶(EPDM)的相容性和O_(2)对C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体与EPDM相容性的影响。本文搭建了气固相容性实验平台,并结合实际运行温度进行不同温度下C_(6)F_(12)O混合气体与EPDM的相容性实验,测试了实验后EPDM的表面形貌、表面元素、力学性能和气体成分的变化,以确定C_(6)F_(12)O混合气体与EP-DM的长期相容性。同时,构建了C_(6)F_(12)O混合气体与EPDM分子链的仿真模型,基于分子动力学(MD)理论计算了C_(6)F_(12)O、CO_(2)与EPDM之间的扩散系数、相互作用参数和混合能。结果表明:在110℃热加速实验后EPDM表面产生鳞状结构,并在EPDM表面检测到C—F键、有机氟化物和金属氟化物,EPDM的力学性能降低,实验后主要气体产物为C_(3)F_(6)和C_(3)F_(7)H。加入O_(2)后,EPDM在90℃时表面出现凸起,并且有大量O、F元素积累在表面,EPDM力学性能下降,气体产物增多。理论计算也表明升高温度和加入O_(2)会加速C_(6)F_(12)O混合气体在EPDM中的扩散,导致气体分子与EPDM相容性变差。本文的研究成果将为C_(6)F_(12)O气体绝缘设备的设计和制造过程提供参考。

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。

C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体沿面放电分解特性研究

C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体具有在中低压气体设备中应用的潜力,设备运行中因固体绝缘表面金属异物存在引发的沿面放电,是绝缘劣化及故障发生的隐患之一,研究C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体沿面放电的分解特性对设备的运维具有重要意义。为此,文中开展不同实验电压下C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体沿面放电分解实验,利用气相色谱法对分解组分进行定量分析,获得了不同放电强度下主要分解组分种类及其分解特性,讨论了产气速率与放电强度间的关系。结果表明:C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体沿面放电主要分解产物为CF_(4)、C_(2)F_(6)、C_(3)F_(8)、C3F7H和C_(3)F_(6);各产物分解特性相似,体积分数随放电量体现“线性—饱和”增长趋势,30 kV下对应饱和体积分数分别为21.3、7.0、11.9、7.7、13.7μL/L;主要组分产气速率关系为:v(CF_(4))>v(C_(3)F_(6))>v(C_(3)F_(8))>v(C3F7H)>v(C_(2)F_(6)),其中CF_(4)产气速率从1.2(μL·L^(-1))/12 h增至3.1(μL·L^(-1))/12 h,与放电量关联性最好,可作为沿面放电下放电强度的判定依据。研究可为C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体绝缘设备的工程应用方案提供参考。

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。

悬浮电极缺陷不同局部放电强度下的C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体分解特性研究

C_(6)F_(12)O是一种具有潜力的SF6替代气体,为了探究C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体在悬浮电极缺陷不同局部放电强度下的分解特性,搭建了局部放电分解实验平台,在不同外施电压下对C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体进行96 h局部放电分解实验,利用气相色谱法对分解组分进行定量分析,对分解组分含量、产气速率、特征气体比值与局部放电强度的关系分别进行了研究。结果表明:4种典型产物(CF_(4)、C_(2)F_(6)、C_(3)F_(8)、C_(3)F_(7)H)浓度、产气速率的变化规律上存在差异,可选择作为判断局部放电强度的特征组分;特征组分浓度关系为c(CF_(4))>c(C_(2)F_(6))≈c(C_(3)F_(8))>c(C_(3)F_(7)H),产气速率关系与之相类似;特征组分浓度随放电强度增加呈“线性-饱和”的增长关系;初步认为可以利用c(CF_(4))/c(C_(3)F_(7)H)作为辅助依据,c(CF_(4)+C_(2)F_(6)+C_(3)F_(8))^(2)/c(C_(3)F_(7)H)^(2)作为主要依据,结合组分浓度以及产气速率,可以进一步判断PD强度和缺陷严重程度,研究结果为找出适用于C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体绝缘设备的运维监测手段提供了参考。

C_(6)F_(12)O/N_(2)混合气体与环氧树脂相容性研究

C_(6)F_(12)O气体绝缘性能优异,温室效应潜在值低,与缓冲气体混合后具有作为绝缘介质运用于中低压电气设备的潜力。同时,中低压电气设备常使用环氧树脂作为绝缘材料,环氧树脂与绝缘气体相容性是设备长期稳定运行的关键因素之一。为探究C_(6)F_(12)O混合气体与环氧树脂相容性,文中搭建了气固相容性实验平台,结合实际环境进行不同温度下C_(6)F_(12)O/N_(2)混合气体与环氧树脂相容性试验,通过扫描电镜对试验前后样品表面形貌进行观测;同时采用分子动力学仿真软件对本试验进行模拟,计算了扩散系数、Flory-Huggins相互作用参数和混合能,对试验结果从分子层面加以验证。结果表明,各温度下环氧树脂表面相比于对照组无明显变化,当温度为110℃时,N_(2)在环氧树脂中的扩散系数达到最大值1.84×10^(-9)m^(2)·s^(-1),而N_(2)化学性质稳定难以与环氧树脂反应。不同温度下C_(6)F_(12)O/环氧树脂、N_(2)/环氧树脂两种共混体系的相互作用能参数与混合能均大于0,气体分子与环氧树脂难以互溶,结合试验与仿真结果可得C_(6)F_(12)O、N_(2)与环氧树脂表现出良好相容性。

C_(6)F_(12)O/N_(2)混合气体与密封材料丁腈橡胶的相容性研究

C_(6)F_(12)O具有优异的绝缘和环保性能,因此具有在中低压开关设备中作为绝缘介质应用的潜力。为了评估C_(6)F_(12)O/N_(2)混合气体在设备中长期安全稳定使用的可行性,需要研究其与设备内部中常用密封橡胶之间的相容性。该文通过搭建相容性试验平台,对C_(6)F_(12)O/N_(2)混合气体与丁腈橡胶进行热加速试验研究,分别采用傅里叶变换红外光谱仪和扫描电镜检测气体分解产物和丁腈橡胶表面形貌;同时基于密度泛函理论(DFT)对气体分解产物的生成路径进行模拟,并对丁腈橡胶分子与C_(6)F_(12)O分子之间的相互作用进行计算。试验结果表明在高温(90℃和110℃)试验后,丁腈橡胶与C_(6)F_(12)O/N_(2)混合气体不相容。丁腈橡胶表面析出大量的白色晶体颗粒,并且生成了C_(3)F_(6)、NF_(3)和CS_(2)气体副产物;理论计算也表明升高温度会促进丁腈橡胶分子发生分解,并且C_(6)F_(12)O与丁腈橡胶之间的气固反应具有形成新物质的趋势。该文的研究成果对C_(6)F_(12)O/N_(2)混合气体在工程上的应用具有重要的指导意义。

C_(6)F_(12)O/N_(2)混合气体与密封橡胶材料在不同温度下的相容性研究

C6F12O混合气体具有良好的绝缘性能,被认为具有较大潜力在中低压电气开关设备中作为绝缘介质使用。C_(6)F_(12)O与设备气室密封材料之间良好的相容性是保障设备长期安全稳定运行的关键之一。为此通过实验研究不同温度下,C_(6)F_(12)O/N_(2)混合气体与常用密封橡胶(三元乙丙橡胶(ethylene propylene diene monomer,EPDM)、丁腈橡胶(nitrile butadiene rubber,NBR)和氟橡胶(fluororubber,FKM))之间相容性,并通过气相色谱质谱仪分析混合气体的组分,扫描电镜、X射线光电子能谱和拉伸应力机检测橡胶材料的性质变化。同时搭建C_(6)F_(12)O与橡胶分子链的仿真模型,从分子层面计算分析C_(6)F_(12)O在橡胶材料中的扩散和吸附作用。实验结果发现随着实验温度升高,C_(6)F_(12)O/N_(2)混合气体与3种橡胶材料反应均生成了C_(3)F_(6)、C_(3)F_(7)H,并且还与FKM生成了CS_(2)气体副产物。同时EPDM表面出现了密集的褶皱,而NBR表面则析出了大量晶体颗粒,大量F元素积累在橡胶表面上,并且实验后EPDM和NBR的力学性能都大幅度下降。FKM表面结构和力学性能受C_(6)F_(12)O/N_(2)混合气体影响较小。理论计算发现升高温度能够促进C6F12O与橡胶中的扩散和吸附,并且在90℃下,C_(6)F_(12)O在EPDM中的扩散系数(8.912×10^(-11)m/s^(2))和吸附能最高(317.436kJ/mol),与FKM的吸附能最低。因此,综合分析实验和理论计算结果,C_(6)F_(12)O/N_(2)与FKM之间的相容性更好。该研究成果可为C_(6)F_(12)O/N_(2)混合气体相关设备材料选择提供重要的指导意义。

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。

O_(2)对C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体绝缘性能和分解特性的影响

由于C_(6)F_(12)O具有优良的绝缘性能和环保特性,受到国内外SF_(6)替代气体领域内学者们的广泛关注。为探索C_(6)F_(12)O混合气体应用的最优方案,研究O_(2)对C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体绝缘性能和分解特性的影响。搭建气体工频击穿试验平台对不同O_(2)混合比、不同气压的C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体进行工频击穿试验研究,使用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)定性定量分析150次工频击穿后混合气体的分解产物,同时观察击穿后电极表面固体物质析出量的变化,探讨应用于工程的C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体的O_(2)混合比与气压范围。研究结果表明,C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体中加入3%~7%的O_(2)可以较好地提升气体绝缘性能,此外加入O_(2)在击穿放电时能够抑制固体碳的析出,降低高毒性物质C_(3)F_(6)的体积分数,但是会促进C_(6)F_(12)O的分解,使得CF_(4)、C_(2)F_(6)、COF_(2)、CO的体积分数上升。综合考虑绝缘性能和分解特性后认为气压范围为0.1~0.18 MPa,O_(2)混合比为3%~5%的C_(6)F_(12)O-CO_(2)-O_(2)混合气体具有一定的工程实用价值。

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。

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。