0.1～0.25MPa气压下二元混合气体SF_6-N_2和SF_6-CO_2的击穿特性

柜式气体绝缘开关设备(cubicle gas insulatedswitchgear,C-GIS)由于其全可靠性能高、小型化等特点在电力系统中得到广泛的应用。但由于C-GIS开关柜的主要绝缘介质SF6气体具有较强的温室效应,且其成本较高,迫切需要减少或不用SF6气体。针对C-GIS开关柜较低的气压条件,探讨SF6混合气体替代SF6的可行性。采用圆形平板电极模拟均匀场,研究均匀场、较低气压(0.1~0.25 MPa)下SF6与N2、CO2两种气体的二元混合气体在不同配比、不同电压形式(工频和负极性雷电冲击)作用下的击穿特性。试验结果表明,气压在0.25 MPa以下时,适当增大SF6混合气体的压强可以使其达到纯SF6相同的绝缘强度,为新型C-GIS开关柜的设计制造提供了关键的试验依据。

SF_6/N_2混合气体绝缘特性的实验研究

目前绝大多数气体绝缘开关设备采用SF6气体绝缘,SF6泄漏导致严重的环保问题,人们迫切希望少采用或不采用SF6气体,以降低对环境的污染。为此,试验研究SF6和SF6/N2混合气体在不同混合比、不同压力以及在不同电场结构下的击穿特性,并与SF6气体的绝缘性能进行比较,试验结果表明:在N2中注入20%～30%的SF6气体后,SF6/N2混合气体绝缘性能指标可以达到纯SF6气体的80%左右,但若继续增加SF6气体的配比,则其耐电强度上升的幅度明显变慢;此外,试验研究还发现,极不均匀电场会大大降低气体的耐击穿电压强度。试验研究证明了采用SF6/N2混合气体代替纯SF6气体的技术方案的可行性。

雷电冲击下稍不均匀电场中SF_6/N_2混合气体的协同效应

近年来,在气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中开始使用低SF6体积分数的SF6/N2混合气体作为绝缘介质,但对这种混合气体的协同效应相关研究还不多。为此,在稍不均匀电场、正负2种极性雷电冲击(LI)下,研究了较低SF6体积分数的SF6/N2混合气体的击穿特性及协同效应受电压极性和气压的影响。结果表明:在较低气压和负极性雷电冲击下的击穿电压高于正极性;当气压超过某一临界值后,正极性下的击穿电压将高于负极性。引入协同效应系数对混合气体的协同效应进行了分析,发现:负极性雷电冲击下协同效应系数<0.1,且受气压影响不明显;正极性下的协同效应相对较弱,但随着气压升高协同效应增强。

雷电冲击下极不均匀电场中SF_6/N_2混合气体的协同现象

近年来在气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中开始逐步使用低SF6混合比的SF6/N2混合气体作为绝缘介质,用以替代纯SF6气体。为了在电力设备中更好地应用SF6/N2混合气体,在极不均匀电场、正负两种极性雷电冲击(LI)下,通过实验分析研究了较低SF6混合比的SF6/N2混合气体的放电特性与协同现象,并在负极性雷电冲击下发现了反常的负协同效应。研究发现:负极性雷电冲击下,N2的击穿电压随气压的升高趋势显著高于SF6与SF6/N2混合气体,当气压超过0.3 MPa后,N2的击穿电压明显高于SF6/N2混合气体,甚至在0.5 MPa时超过了纯SF6的击穿电压,即出现了显著的负协同效应,且随着气压的升高,负协同效应明显增强;正极性下仍存在一定的协同效应,但协同效应随着气压降低而减弱,当气压低至0.2 MPa,亦出现了负协同效应。

高压SF6/N2混合气体断路器冷态介质恢复特性计算分析

基于N-S方程与拉氏方程对空载SF6/N2混合气体断路器灭弧室内的气流场和电场建立数学模型,计算断路器开断过程的气流特性和电场分布,分析混合比对触头间介质强度薄弱区域的气流特性影响。提出SF6/N2混合气体的击穿判据,计算不同SF6/N2混合比、开断速度及充气压力的介质恢复强度,研究断路器重击穿现象,结合SF6/N2混合气体液化温度、全球变暖潜能值,提出适用于断路器空载操作要求的SF6/N2配比方案。计算结果表明：在开断过程气流特性的作用下,介质恢复强度曲线呈现随开距增加先上升后下降,再继续升高的趋势。当灭弧室内触头间开距为14mm时,20%SF6/80%N2和80%SF6/20%N2的介质恢复强度分别是纯SF6的54.5%和91.5%;对于不同比例的SF6/N2混合气体,相同时间内开断速度9.6m/s与4.8m/s相比,介质恢复强度的增长速率明显加快;开距14mm时,60%SF6/40%N2在充气压力0.7MPa下的介质恢复强度是0.9MPa下的77.8%。考虑液化和温室效应问题,当灭弧室压力0.7MPa、开断速度9.6m/s时,SF6/N2的最佳混合比为60%：40%。

SF_6/N_2混合气体电击穿特性仿真及实验

通过求解两项近似Boltzmann方程,得到SF_6/N_2的放电参数,并将该参数引入流体模型。结合有限元法和通量校正传输法对SF_6/N_2的流注放电过程进行循环迭代求解,计算其击穿电压。以均匀电场中压强0.1~0.6MPa、间隙5mm为例进行数值模拟,通过气体放电实验对计算结果进行验证。根据计算及实验结果得到不同混合比、压强下SF_6/N_2的协同效应系数,分析采用上述计算方法研究混合气体协同效应的准确性。为更全面地反映混合气体应用条件,进一步开展压强低于0.1MPa的SF_6/N_2击穿特性实验研究。研究表明:随着电子崩不断向前发展,放电间隙的空间电子数密度快速增长,SF_6放电过程中的空间电子数密度增长速度低于SF_6/N_2。0.1MPa下20%SF_6/80%N_2放电5ns时的电子数密度峰值达到4.6×1014m^(-3),而SF_6中该值仅为3.7×1012m^(-3)。当气压为0.1~0.6MPa时,SF_6/N_2击穿电压计算值与实测值的最大误差为9.23%,协同效应系数计算值随压强、混合比的变化趋势与实验结果相符,误差均值为5%。0.02~0.08MPa下SF_6/N2击穿电压、协同效应系数随压强、混合比的变化趋势与0.1~0.6MPa下的基本相同。

SF6与N2混合气体特征分解产物COF2/N2O的红外吸收特性

目前SF6/N2混合气体作为SF6气体的替代气体已应用于许多电力设备中,而检测这些电气设备发生故障后生成的COF2、N2O等新分解气体有助于开展电气设备的故障诊断。为研究基于红外吸收特性的SF6/N2混合气体典型分解气体的检测技术,利用HITRAN数据库给出的吸收谱线强度、线型函数等参数,对典型组分COF2、N2O的红外吸收特性进行研究;得到了COF2在波数400~2000 cm-1和N2O在波数400~8000 cm-1范围内的红外吸收谱段、最强吸收处的中心波长、吸收系数峰值;并分析了压强和温度对COF2、N2O的强吸收谱的影响。结果表明:这2种分解气体在红外热辐射光源有效谱段1.2~10μm内具有较强吸收,可以用基于红外热辐射光源的光声光谱装置进行检测;且气体吸收谱线的吸收系数随压强的增大而增大,但不同气体增大程度不同;随温度的升高气体主要吸收谱段的峰值吸收系数减小,但也有部分吸收谱段交叠处的峰值吸收系数增大;COF2、N2O在运行条件(505 kPa,温度313 K)下的红外吸收系数大于标准条件(101 kPa,温度296 K)下,运行条件更利于气体检测。

SF_6-N_2中粒子动力学特性的蒙特卡罗仿真

为了模拟SF6-N2混合气体的汤逊脉冲实验过程,求出不同状态下混合气体的电子能量分布特性,在电场强度与气体分子密度之比为(250～450)Td范围内,采用蒙特卡罗法仿真了SF6-N2混合气体的电子雪崩发展过程.求出了电子能量分布随电场强度与气体分子密度之比的变化规律、有效电离系数及临界耐电强度随SF6分压比变化的规律,且与实验结果作了比较和分析.结果表明,混合气体临界击穿场强Eb随着SF6分压比的增加而提高,与实验结果比较,有很好的一致性.

温度变化对SF_6/N_2混合气体放电特性的影响

不同温度下SF_6/N_2混合气体的周围离子平均自由行程和热运动速度不同,使SF_6/N_2混合气体放电过程呈现不同特性。为此,在极不均匀电场、雷电冲击电压下研究了温度对SF_6/N_2混合气体放电特性的影响。在正负极性的雷电冲击电压下分别测量冲击击穿电压和预放电电流波形,并分析了不同温度下SF_6/N_2混合气体的预放电现象、步长时间、电晕起始场强及击穿场强。此时试验温度范围设为-20~20℃。结果表明:步长时间、电晕起始场强、击穿场强呈现较大的随机性。负极性雷电冲击电压下步长时间均长于正极性雷电冲击电压下步长时间。负极性冲击电压下10%SF_6-90%N_2混合气体的电晕起始场强和击穿场强随着温度升高而增高。本研究结果对柜式气体绝缘开关设备和气体绝缘金属封闭输电线路设计具有一定的研究意义。

-50℃条件下SF_6/N_2混合气体的击穿特性

为研究低温条件下SF_6/N_2混合气体的击穿特性,搭建了温度可控的气体击穿试验系统,采用棒板电极模型模拟GIS内部极不均匀电场,对SF_6/N_2混合气体的工频及雷电冲击击穿特性进行了研究。结果表明:只要保证固定的充气比例和密度下混合气体不发生液化,温度变化对SF_6/N_2混合气体的绝缘性能基本无影响,且SF_6/N_2混合气体的极性效应比纯SF6气体更明显。

基于分形理论的SF_6/N_2混合气体放电仿真

为了研究SF_6/N_2混合气体电介质击穿现象,利用编写的Matlab程序对放电通道发展过程进行数值模拟,并结合分形几何原理计算放电树枝的分形维数。基于分形理论,建立了考虑空间电荷分布和引入物理时间的棒-板分形放电仿真模型,通过有限元方法(FEM)计算空间电场,并首次结合通量校正传输(FCT)法求解带电粒子连续性方程,研究了不同发展概率指数、不同放电阈值和SF_6含量变化下分形放电特性。结果表明:概率指数越大,SF_6含量越高,则分形维数越小,放电树枝分叉也越少;体积含量50%/50%的SF_6/N_2混合气体放电分形维数D=1.219 2,整个放电过程流注发展平均速度为1.15Mm/s,并得到了不同时刻空间电荷及轴向电场与电子浓度的分布。

基于ETG-通量校正传输法的短间隙SF_6/N_2混合气体流注放电数值仿真

利用粒子输运方程及耦合泊松方程,研究了短间隙中10%~90%SF_6/N_2混合气体在不同阶段的流注放电特性。针对流注头部粒子空间分布出现陡梯度问题,基于不均匀的三角元网格剖分,采用Euler-Taylor-Galerkin(ETG)格式对粒子连续性方程进行时间离散,利用通量校正传输法(FCT)对离散后的方程进行求解,可以明显提高计算准确度和减小数值扩散。基于以上算法,考虑电子与SF_6/N_2中性混合气体的电离、复合、吸附以及光电离等过程,对短间隙气体流注放电过程进行了仿真。仿真结果表明,初始场强的大小影响流注的发展,随着流注发展,流注头部空间电荷加剧了两极板间的电场畸变,间隙击穿时流注头部电子浓度达到10^(20)/m^3,最大空间场强达到114k V/cm;光电离对加速流注的形成和发展有很大的影响;仿真结果也验证了ETG-FCT法应用于气体放电研究的有效性。

工频下电场不均匀度对SF_6/N_2混合气体放电特性的影响与临界半径现象

为了在电力设备中更好地应用SF_6/N_2混合气体,利用全封闭工频实验装置,通过实验研究分析了不同电场不均匀度下SF_6/N_2混合气体的击穿特性,并在极不均匀场下分析了局放起始电压的变化规律。研究发现:随电场不均匀度的增加,SF_6/N_2混合气体击穿电压随气压增加的变化规律由基本呈线性升高趋势,逐步出现饱和趋势;当电场不均匀度增大到一定程度后,间隙击穿前出现了稳定的电晕放电,SF_6及其混合气体的击穿电压出现了"驼峰"现象,"驼峰"的范围与幅值随着电场不均匀度的增加而变大;随着电场不均匀度的增加,协同效应程度先增强后减弱并趋于稳定;在纯N_2中发现了显著的临界半径现象,纯N_2的临界半径为1~2 mm,而混合气体与纯SF_6气体则还没有观察到明显的临界半径,随着电极曲率半径的减小,在较高气压下其击穿电压明显下降,而在低气压下则出现了类U型曲线。

基于光声光谱技术的SF6/N2故障分解气体检测中SF6含量对检测灵敏度的影响

由于各方面性能均衡,SF6/N2混合气体是目前替代SF6气体的最佳选择之一,许多电力设备已经采用SF6/N2混合气体作为绝缘介质。电力公司的运检人员开始关注SF6/N2混合气体故障分解产物的检测问题,如采用现有的光声光谱仪器是否可以继续检测分解气体,检测灵敏度如何等。针对上述问题,该文首先从光声光谱基本原理出发,指出背景气体改变主要影响光声光谱系统的光声池常数,且随着混合气体中SF6比例降低,光声池常数增大,有利于分解气体的检测。混合气体中SF6比例从100%变为20%,光声池常数由168.7 Pa·cm/W增大至576.0 Pa·cm/W。然后搭建光声光谱实验平台,对比不同SF6混合比条件下,SO2、CO2、CO、CF4和SO2F2五种气体组分的最低检测限,实验结果与理论分析趋势一致,即SF6气体比例越小,最低检测限越低,越容易检测。SF6比例从100%变为30%,分解气体中CO2最低检测限可由0.629×10^-4%减小至0.226×10^-4%。

环氧树脂在SF6/N2混合气体下的热分解

为得到环氧树脂在SF6/N2混合气体下的热分解机理以及主要失重区间的特征分解组分判断标准,采用同步热分析仪与气相色谱质谱仪联用的方法研究了环氧树脂在SF6/N2气氛下的热分解特性,检测了特征分解组分体积分数,并得到了其随温度变化规律,提出了判断环氧树脂表面发生局部过热性故障的方法。TG曲线表明:环氧树脂的主要失重区间并不受实验气体种类的影响,分解区间为330~470℃。DSC曲线表明:环氧树脂在SF6/N2氛围下的分解是一个复杂的化学过程;随着混合气体中N2比例的增加,体系的热稳定性下降,SF6的分解加剧。选择CO2、SO2、H2S、SOF2、CF4作为特征组分进行检测。环氧树脂存在条件下,不同SF6比例混合气体的特征组分产气速率和起始体积分数不同,产气温度相同。选择H2S、CF4作为判断环氧树脂表面POF温度的特征组分并建立了数学模型。

激光触发SF_6-N_2混合气体开关的数值模拟

在气体放电物理的基础上,对SF6和N2采用双光子电离模型,对碳氢化合物的光电离采用3能级模型,并考虑了混合气体的热电离和激光对气体的欧姆加热作用,建立了激光触发SF6-N2混合气体开关的数值模型,模拟了激光触发SF6-N2混合气体多级间隙开关实验。激光触发延迟时间的计算值与实验结果符合较好。理论计算表明:激光触发SF6-N2混合气体间隙开关的延迟时间随SF6含量的增加呈上升趋势,而随激光脉冲能量、充气压力等的上升呈下降趋势。

替代SF_6的环境友好混合气体c-C_4F_8/N_2绝缘特性

SF_6因具有良好的绝缘效果而被广泛地应用于电力系统中。但同时,SF_6也是一种温室气体,随着环境问题日益恶化,人们迫切需要找到替代SF_6的绝缘气体。为此,通过实验研究了环境友好气体c-C_4F_8及c-C_4F_8/N_2混合气体替代SF_6的可行性。通过调节电极间隙(1~6 mm)和气压(150~350 k Pa),测量了气体在不同条件下的击穿电压及击穿电流波形,得到了气体的绝缘特性并与SF_6气体进行了对比分析。实验结果表明:纯净的c-C_4F_8气体的绝缘强度约为SF_6的1.3倍,体积比为1:1的c-C_4F_8/N_2混合气体的绝缘强度约为与SF_6的0.9倍。通过计算,c-C_4F_8/N_2混合气体的液化温度可以达到电力系统使用要求。考虑到c-C_4F_8气体对于环境的影响较小,使用c-C_4F_8/N_2混合气体作为替代SF_6的绝缘气体,有着良好的应用前景。

钢熔炼炉对N_2/SF_6气氛中镁合金表面膜的影响

在密封的钢熔炼炉中研究了不同温度下0.3%SF_6/N_2气氛中AZ91D镁合金的表面膜成分和形貌,以及表面膜成分与保护效果之间的关系。结果表明:当熔炼温度超过780℃,表面膜中开始检测到铁,随着熔炼温度的增加,表面膜中铁含量逐渐增加。780,810,820℃时,膜中铁含量分别为1.65at%,35.14at%和46at%;当熔炼温度为810℃,表面膜中开始出现孔洞;当熔炼温度超过824℃,表面膜宏观很不平整,AZ91D镁合金显著蒸发。可能原因是780℃以上的熔炼温度下,FeF_3具有很高的蒸气压,FeF_3在钢熔炼炉壁上生成、升华,再到温度更低的小坩埚中心区和Mg蒸汽反应,生成MgF_2和Fe。

SF6/N2混合气体中直流叠加雷电冲击复合电压作用下绝缘子闪络特性

绝缘子在直流电压作用下表面将积聚有大量电荷并对绝缘性能造成影响。然而由于电荷积聚饱和时间长,当前研究鲜有在绝缘子表面电荷积聚最严重的情况下进行叠加冲击电压试验;并且对环保型气体环境中的GIL绝缘子绝缘特性的关注不多。为解决上述问题,该文通过建立油加热系统对实验平台进行加热,加速达到绝缘子表面电荷积聚饱和状态。之后在0.1MPa SF6/N2混合气体中且导杆温度为70℃时对不同清洁状况下的绝缘子施加直流叠加雷电冲击电压,实验结果表明:①绝缘子表面电荷积聚情况在2h后达到饱和状态;②随着预加直流电压时间的增加,复合电压下闪络电压较单独雷电冲击电压作用下闪络电压明显下降,绝缘子在表面电荷积聚饱和后,在表面有无金属微粒时闪络电压比冲击电压单独作用时,下降幅度分别为16.4%、10.34%;③相比表面无金属微粒,绝缘子表面存在金属微粒下的闪络电压显著下降,最大下降幅度达20.54%。因此,在SF6/N2环境下,建议在绝缘子表面电荷积聚最严重条件下施加直流电压与雷电冲击复合电压进行绝缘测试。

热态SF6/N2混合气体击穿特性研究

研究了热态SF6/N2混合气体的电击穿特性。在局部热力学和化学平衡假设下,采用质量作用定律法,计算压强0.01~2.00 MPa、温度300~4000 K范围内的SF6/N2电弧等离子体各组分的摩尔分数,分析电弧熄灭过程热态SF6/N2电弧等离子体各粒子组分随温度和压强的变化过程。采用两项近似方法求解玻尔兹曼方程,得到了不同折合电场下热态SF6/N2混合气体的电子能量分布函数,分析不同碰撞过程中各微观粒子的折合电离系数和折合吸附系数,得到了热态SF6/N2混合气体的折合击穿场强(E/N)cr。研究表明:SF6/N2混合气体的折合击穿场强(E/N)cr随着电弧等离子体温度的降低而增大,其增大的速率主要与混合气体中SF6的分解复合特性有关,增大气压可有效抑制SF6在高温下的分解速度,加速电弧等离子体各粒子的复合过程,从而提高SF6/N2混合气体的(E/N)cr;40%SF6/60%N2和30%SF6/70%N2混合气体在2000~3500 K高温范围内的(E/N)cr分别至少高出相同条件下纯SF63 Td和6 Td;2000 K温度以下,随着SF6的大量复合,混合气体折合击穿场强(E/N)cr快速增强,SF6含量越多增强速率越大,但仍低于相同条件下纯SF6的(E/N)cr。研究结果可为解决高压SF6/N2混合气体断路器弧后重击穿导致开断失败等问题奠定理论基础。