Ar/N2气体比例对ZrN/WN纳米多层膜的结构和性能的影响

选择Zr和W的氮化物作为个体层材料,利用FJL560CI2型超高真空射频磁控与离子束联合溅射系统制备ZrN,WN及一系列的ZrN/WN多层薄膜.通过X射线衍射仪,俄歇电子能谱和纳米力学测试系统分析了该体系合成中Ar/N2气体比例对多层膜结构与机械性能的影响.结果表明:多层膜的纳米硬度值普遍高于两种个体材料混合相的硬度值;当流量比FAr:FN2=5时W2N的(111)峰加强并出现(200)峰,结晶出现多元化,多层膜体系的硬度、应力、弹性模量以及膜基结合性能均达到最佳效果.

Ar/N2气体比例对TaN/NbN纳米多层膜机械性能的影响

采用射频磁控溅射系统,以TaN和NbN作为体材料,制备了一系列TaN/NbN纳米多层膜.通过XRD,纳米力学测试系统分析了该体系合成中Ar/N2气体比例对多层膜结构与机械性能的影响.结果表明,纳米多层膜的硬度值普遍高于两种个体材料混合相的值;当FAr:FN2=10时TaN的(110)峰加强,TaN的晶体结构以六方结构为主,NbN的晶体结构以面心立方结构为主,此时,多层膜体系的硬度、弹性模量以及膜基结合性能均达到最佳效果(最大硬度为30 GPa),摩擦磨损实验表明,Ar/N2比为10:1的TaN/NbN多层膜较其他Ar/N2比的多层膜耐磨性更好,不易发生破损,适合实际应用.

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。

低温下C4F7N/CO_(2)混合气体的绝缘特性与参数配置

为提出低温下满足液化温度和绝缘要求的C4F7N/CO_(2)混合气体的参数配置,研究了C4F7N/CO_(2)混合气体在低温下的绝缘特性。首先采用实验和计算得到了不同气压和混合体积比例下C4F7N/CO_(2)混合气体的液化温度,结果表明计算得到的液化温度与实验数据较为相符。其次开展不同温度下C4F7N/CO_(2)混合气体的工频击穿试验,获得了C4F7N/CO_(2)混合气体的击穿电压随温度的变化。结果表明:气体在液化阶段的击穿电压标准差为液化后的2~7倍,且液化后混合气体的绝缘性能出现显著下降。此时击穿电压只与温度有关,基本不受混合体积比例的影响。考虑混合气体设备的应用需求,分别以–25℃和–30℃为最低使用温度,提出了满足要求的C4F7N/CO_(2)混合气体参数配置方案,可为低温下C4F7N/CO_(2)混合气体的应用提供参考。

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。

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。

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。

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。

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℃。

弧后C_(4)F_(7)N/N_(2)混合气体复原过程研究

C_(4)F_(7)N/N_(2)混合气体是目前潜在替代SF 6的绝缘介质之一。C_(4)F_(7)N/N_(2)混合气体分解与复原过程的研究,对于深入了解该混合气体的熄弧性能具有重要意义。首先,模拟C_(4)F_(7)N/N_(2)混合气体在0.3~30 kK热平衡条件下分解产物粒子浓度的变化;然后,确立C_(4)F_(7)N/N_(2)混合气体的分解路径及粒子种类并计算出各反应的正、逆向速率常数;最后,引用0.1 MPa下C_(4)F_(7)N/N_(2)混合气体弧后温度衰减曲线,作为模拟弧后C_(4)F_(7)N/N_(2)混合气体复原过程中的温度变化数据,通过Chemkin软件计算弧后C_(4)F_(7)N/N_(2)混合气体各粒子的复原过程。模拟结果表明:弧后温度在10 kK以上时C_(4)F_(7)N和N 2在8~10 ms内完全分解,以C、N、F、CF_(2)C、CFCF、NF、CN等粒子和自由基的形式存在;弧后温度降低至2 kK左右,N 2复合至摩尔分数约70%左右,而C_(4)F_(7)N未见复合。

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体与环网柜中固体材料的相容性试验

全氟异丁腈(C_(4)F_(7)N)环保气体是目前国际主流推广的SF6替代气体,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体被广泛应用于环网柜等设备中。为了保障环网柜的长期稳定运行,需开展C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体与环网柜典型固体材料相容性研究。该文提出了热加速和电热联合两种气固相容性试验方法,先对C_(4)F_(7)N/CO_(2)及分解气体与金属、塑料、橡胶和环氧玻纤等环网柜固体材料进行热加速试验,对比分析试验前后的气体成分及固体表面形貌、元素构成和光谱特性等关键性能,掌握了气固材料试样的相容性规律;在此基础上,采用环网柜整机带电相容性试验方法,施加运行电压和加热温度模拟现场工况,检测气体状态和设备绝缘性能的差异,结果表明C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体与环网柜固体材料具有良好的相容性,满足长期可靠运行要求。该文提出的C_(4)F_(7)N混合气体与设备材料的气固相容性试验方法和规律等为环保气体电力设备的材料选型、设计研发提供了有益参考,具有重要的实用价值。

环保型C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体分解仿真与实验研究

环保型C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体分解过程的仿真研究较多,但基于反应分子动力学的研究较少。为研究典型局部放电下环保型C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的分解过程,搭建发射光谱测试平台,测试悬浮放电下的电子温度和分子振动温度。利用动态温度变化模拟局部放电物理过程,建立基于实测数据的仿真计算模型。结果表明,悬浮放电下的C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中电子温度约为6400K,分子振动温度约为4000K,悬浮放电会生成CF_(3)、CF_(2)、F和CN等自由基,自由基复合生成的分解产物包括CO、CF_(4)、C_(2)F_(4)、C_(3)F_(6)、C_(3)F_(8)、CF_(3)CN和COF_(2)等。分解产物类型及其生成量随时间的变化规律与试验结果基本一致,相较于分子振动温度,电子温度对气体分解的影响更为显著。在C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体分解过程中,温度分布特征与气体分解特性密切相关,解析气体分解机理时,应重点关注温度对分解过程的影响。

C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体绝缘环网柜的接地开关关合性能模拟试验

采用C_(4)F_(7)N混合气体替代SF_(6)是提升环网柜环境友好性的重要途径。为保证供电可靠性,本文针对C_(4)F_(7)N混合气体绝缘环网柜开展接地开关关合试验,优化设备性能,支撑工程应用。首先测量了不同体积占比的C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体和SF_(6)下接地开关合闸时间及速度,发现与空气下一致,表明接地开关机械特性稳定且与气体无关。然后研究了不同气体介质下接地开关预击穿特性,分析了电压和气体类型对预击穿时间的影响,结果表明随着电压增大预击穿时间增加,C_(4)F_(7)N体积占比提高预击穿时间减小。进一步利用搭建的环网柜接地关合试验回路开展了关合性能模拟试验,发现提高C_(4)F_(7)N体积占比有助于减小燃弧电荷转移量,降低触头烧蚀程度,结合混合气体液化温度和经济性指标。

C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体PD作用下气体和固体副产物生成特性

C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体以其优异的环保和绝缘性能成为目前最具潜力替代SF6应用于电力工业的气体绝缘介质。尽管O_(2)的加入可以在一定程度上提升C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的绝缘性能和化学稳定性,但O_(2)加入及其体积分数变化对混合气体局部放电(partial discharge,PD)作用下气体和固体副产物生成特性的影响规律尚不清楚。因此通过针–板电极模拟设备内的金属突出物缺陷开展C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)96 h PD及其分解特性试验。研究发现C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中加入体积分数2%~4%的O_(2)可以显著抑制大部分副产物的生成,O_(2)体积分数大于6%时每秒累积放电量和平均放电量急剧增加,导致混合气体分解加剧;C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)在长时间PD作用下板电极表面中心区域出现较为明显的圆环状固体析出物,主要成分包括金属氧化物(CuO)、氟化物(CuF、CFx)、碳氧化合物(CO、CO_(2))和氮氧化合物(NO、NO_(2));体积分数4%的O_(2)加入对PD固体析出物的元素组成及其价态影响较小,但可以一定程度上减少其生成量,混合气体中O_(2)对金属导体的腐蚀作用弱于C_(4)F_(7)N。

Ar/N_2气体比例对ZrN/WTiN纳米多层膜的影响

选择ZrN和WTi N作为个体层材料,利用超高真空射频磁控溅射系统制备ZrN,WTi N和一系列的ZrN/WTi N纳米多层薄膜.通过X射线衍射仪(XRD)和纳米力学测试系统分析制备参数中Ar/N2气体比例对多层膜结构与机械性能的影响.结果表明:多层膜的纳米硬度值普遍高于2种个体材料混合相的硬度值;当FAr∶FN2=5时,ZrN/WTi N纳米多层薄膜出现了ZrN(111),Ti N(111)衍射峰和非晶态,多层膜体系的硬度、应力和弹性模量均达到最佳效果.

考虑非弹性随机碰撞与SF_6/N_2混合气体影响的直流GIL球形金属微粒运动行为研究

针对直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal enclosed transmission line,GIL)金属微粒污染物问题,研究球形金属微粒在其中的运动行为,采用贴合实际情境的同轴圆柱电极结构,建立直流GIL内球形金属微粒运动模型:纳入SF6/N2混合气体动力学参数,利用流体力学理论分析微粒运动过程中混合气体阻力的影响;同时考虑金属表面粗糙度影响,利用弹性力学中的碰撞理论分析金属微粒与导体及外壳的非弹性随机碰撞,实验结果验证了模型计算的可靠性。利用模型对微粒运动轨迹进行仿真分析,并根据微粒运动的分布情况提出微粒活跃度的概念,研究表明:微粒在导体与外壳间的谐振频率与微粒半径、SF6占比、绝缘气压呈负相关;微粒活跃度与随机反射角、电压幅值呈正相关,而随着微粒半径变化存在极大值。

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。

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。

蒙特卡罗方法分析SF6／N2混合气体的绝缘特性

在E／N的范围为150～500Td（1Td=10^-17V·cm^2）内，采用蒙特卡罗（M0nteCarlo）方法及空碰撞技术模拟SFdN：混合气体的脉冲汤逊放电。在SF6的百分含量后为0～100％范围内，求出了SF6/N2混合气体的有效电离系数（α-η）／N，漂移速度Ve，并由此导出临界击穿场强（E/N）lim在不同k时的值，计算结果与其他研究者报道的实验数据显示极好的一致性。为SF6／N2替代SF6作为绝缘用气体时高压电器设备的设计提供了参考依据。