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。

新型SF_(6) 环保替代绝缘介质CF_(3)SCF_(3)热动与输运特性

电力绝缘设备中广泛应用的SF_(6)气体因其极强的温室效应持续危害气候安全,新型环保气体CF_(3)SCF_(3)有望成为替代SF_(6)的绝缘气体。针对这一前景,对比评估CF_(3)SCF_(3)的基础物理特征参数,并基于吉布斯自由能最小化原理以及Chapman-Enskog理论,研究其作为电力开关设备中灭弧介质的热动与输运性质。结果表明:与大多数环保气体相比,CF_(3)SCF_(3)表现出较好的能量耗散能力与灭弧特性,具备开关装备应用潜力;气压的变化会影响CF_(3)SCF_(3)等离子体中的化学反应进程以及粒子间的相互作用强度,同时改变系统中各类粒子数密度,进而影响其热物理性质;向N 2气体中添加摩尔比25%的CF_(3)SCF_(3)可以将纯N 2在5000 K以下的热耗散参数(质量密度与比热容的乘积)提升约2.5倍以上,且CF_(3)SCF_(3)-N 2混合物的物理特征与CF_(3)SCF_(3)相似,具备作为高气压下灭弧介质的可能。研究结果为开断过程中CF_(3)SCF_(3)环保气体的电弧建模仿真提供了必要基础数据,有助于进一步研究其灭弧特性。

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。

“碳达峰、碳中和”目标下高压电气设备中强温室绝缘气体SF_(6)控制策略分析

广泛应用在高压电气设备中的绝缘气体六氟化硫(SF_(6))具有极强的温室效应。近些年随着中国输、变、配电网络的高速发展,SF_(6)的使用量和排放量持续增加。通过提取卫星测试数据发现,中国区域内SF_(6)大气含量呈逐年提高的趋势。为实现“碳达峰、碳中和”目标,控制电力行业SF_(6)的使用和排放具有重要意义。该文综合分析SF_(6)的净化回收、降解处理、环保替代3种减排手段的研究现状,并对各类技术的优劣势、互补性和发展前景进行讨论;同时,指出现有SF_(6)减排技术仍处在较为初级的阶段,治理方案亟待提升,建立SF_(6)全寿命周期管理体系是现阶段最为有效的手段。因此,该文对电力行业减排措施研究和策略制定具有理论实施和实际参考价值。

SF_(6)/N_(2)混合气体在126kV气体绝缘金属封闭开关设备中的应用

在役的大部分气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)使用绝缘性能较好的SF6气体作为绝缘介质。为实现“双碳”目标,开展绝缘气体的替代研究以控制SF6气体的使用与排放有助于提升电力设备的环境友好性。为实现SF_(6)/N_(2)混合气体在126kV GIS中的应用,首先确定126kV SF_(6)/N_(2)混合气体型GIS的基本参数,并通过建立各单元的有限元模型进行仿真计算,验证了设计的可行性。型式试验的顺利通过表明,在维持现有GIS结构的前提下,适当混合比及充气压力的SF_(6)/N_(2)混合气体能保证GIS的正常运行。

SF_(6)测试尾气回收箱设计与应用

SF_(6)由于其良好的灭弧、绝缘能力以及稳定的化学性质,而被广泛应用于断路器中,近年来的统计数据表明,SF_(6)断流器在市场上所占份额正在稳步增长。但SF_(6)同时也是一种温室气体,一旦SF_(6)大量排入空气将会对环境造成严重的污染,因此,为了保障SF_(6)断路器的正常运行,保证设备维护人员的安全,减少SF_(6)气体对大气的污染,研究开发出一种SF_(6)绿色回收装置就显得尤为重要。本文为实现在单次SF_(6)气体试验中,SF_(6)气体的再回收利用,研究设计了一SF_(6)新型气体绿色回收装置,该装置能够极大地提高SF_(6)气体利用率,可有效降低SF_(6)气体试验工作的废气排放量,还可以实现对SF_(6)回收装置的自给自足,为SF_(6)气体回收装置的应用提供了一种新的思路。

交流高压SF_(6)断路器常见故障及检修工艺研究

常规的断路器检修工艺以线路负载检修为主,而负载量化指标受断路器调节需求的影响,降低了断路器故障检修效果。因此,重点研究交流高压SF_(6)断路器常见故障及检修工艺。分析交流高压SF_(6)断路器常见故障,确定断路器的故障类别。划分SF_(6)断路器的确定性信号和随机信号,提取SF_(6)断路器故障信号特征,确定断路器故障位置。检修交流高压SF_(6)断路器异常回路,根据断路器弹簧操动机构的复杂变化性,确定异常回路的空气延时触点,以弹簧储能限位模式切断异常回路,避免断路器运转过载的问题。采用对比实验进行验证,结果表明该检修工艺效果更佳,能够应用于实际生活。

SF_(6)替代气体界面绝缘特性的研究进展

由于SF_(6)气体极强的温室效应,以CF_(3)I、C_(4)F_(7)N、C_(5)F_(10)O等气体为代表的环境友好型绝缘气体得到了越来越多关注。沿面绝缘特性是评价气–固复合绝缘系统电气性能的一个重要指标,但目前对于新型环保气体的相关研究尚不完善。为了推进环保型SF_(6)替代气体的研发与应用,综述了几种热门SF_(6)替代气体界面绝缘性能的研究进展。从间隙击穿特性及沿面绝缘特性、气–固界面电荷积聚特性和气体分解与气–固材料相容性对沿面绝缘特性的影响3个方面入手,讨论了SF_(6)替代气体进行工程应用的可能性。最后提出SF_(6)替代气体界面绝缘特性研究的3个方向:一是注意电压频率对新型环保气体中沿面放电的影响;二是探究新型环保气体中长期电–热–机复合应力下电荷积聚对沿面绝缘性能的影响机制;三是基于气体分解特性与气–固材料相容性对沿面绝缘性能的影响机制,对新型环保气体气–固复合绝缘系统进行优化设计。

SF_(6)替代气体电子群参数的脉冲汤逊法测量研究

为了测量SF_(6)替代气体的电子群参数,设计并搭建高精度的脉冲汤逊实验平台。根据脉冲汤逊法的原理,可以获得所测气体的有效电离速率系数、电子漂移速度和密度归一化纵向电子扩散系数。详细介绍所搭建的实验平台、实验方法以及用于数据处理的物理模型。基于设计搭建的实验平台和建立的参数获取方法,选取纯CO(2)在10k Pa下,约化电场强度(E/N)在0~130Td范围内开展实验测量,并将所测得的实验结果与求解Boltzmann方程计算结果和文献中的实验结果进行对比。实验成功地测量了CO(2)气体的有效电离速率系数、电子漂移速度和扩散系数,并且根据所测得的有效电离速率系数,可以确定CO(2)的临界击穿电场为(86±1)Td。通过对比发现,该文的实验结果与参考值有很好的一致性,并且对实验可能存在的误差也做出了相应的分析。此外,还对新型环保气体C_(4)F_(7)N进行测试,测量了其在100Pa下的有效电离速率系数。该文设计搭建的脉冲汤逊实验平台以及建立的参数获取方法将用于各种新型环保缘气体的电子群参数测量和绝缘性能评估,为进一步深入研究新型环保气体放电机理提供关键基础参数。

SF_(6)替代气体的分子构效关系研究进展

目前对SF_(6)替代气体的研究大多为试验筛选,成本高、工作量大、效率低。研究分子结构参数与其绝缘性能之间的理论关系,可以为SF_(6)替代气体的分子设计与筛选提供方向,提高SF_(6)替代气体的寻找效率。本文首先介绍了目前具有发展潜力的定量构效关系模型,尤其是涉及到分子电学参数、力学参数和几何参数的一种新型定量构效关系模型,随后介绍了基于该新型定量构效关系模型的分子设计方法,最后从气体绝缘性能数据库、预测性质的多样化和分子设计方法的改进3方面讨论了该新型定量构效关系模型在SF_(6)替代气体研究中有待深入研究的问题与发展方向。

均匀电场中SF_(6)及其替代气体雷电冲击特性实验研究

SF_(6)气体因其温室效应所带来的问题被越来越多的人所重视,C_(5)F_(10)O(C5)、C_(4)F_(7)N(C4)及其与Air或CO_(2)的混合气体被认为是目前最具潜力替代SF_(6)的绝缘介质。文中基于搭建的可拆实验装置和平台,以板板、同轴两种典型电极结构,实验研究了均匀电场中SF_(6)及其替代气体雷电冲击特性。结果表明:SF_(6)、C5/Air和C4/CO_(2)气体50%击穿电压均随充气压力的升高而增大,SF_(6)气体的上升率最大,C4/CO_(2)上升率最小;在同轴结构下,施加雷电冲击电压的极性对SF_(6)和C4/CO_(2)气体的击穿电压影响相对较大,对C5/Air气体的影响相对较小;在板板电极结构下,3种气体50%击穿电压随电极开距均呈近线性增加趋势,并且充气压力越高,线性度越高。通过替代气体绝缘特性与SF_(6)的比值发现,在充气压力较高的设备中,仅靠提高C5/Air、C4/CO_(2)混合气体的充气压力来改善其绝缘性能,在应用可行性方面会受到很大的局限;在充气压力较低的设备中应用,C4/CO混合气体更具替代SF的可行性。

基于一维电弧模型的SF_(6)混合气体灭弧性能评价

SF_(6)混合气体是广受关注的SF_(6)替代气体方案之一。为定量评估SF_(6)混合气体的灭弧性能,文中采用一维衰减电弧模型和玻尔兹曼方程相结合的方法,将电弧熄灭过程划分为热恢复阶段、弧前介质恢复阶段和弧后介质恢复阶段,分别引入热恢复率、弧前介质恢复率和弧后介质恢复率作为各阶段的评价参数,并计算三者的调和平均数作为综合评价参数,以此来评估SF_(6)-N_(2)、SF_(6)-CO_(2)、SF_(6)-CF_(4)以及SF_(6)-Air混合气体的灭弧性能。基于上述方法,文中初步探讨SF_(6)含量、背景气体种类和压强大小对SF_(6)混合气体灭弧性能的影响。结果表明,随着SF_(6)含量的减少,混合气体的灭弧性能整体上呈现下降趋势;当SF_(6)含量为10%~50%时,4种混合气体中SF_(6)-N_(2)的灭弧性能最优,其次分别为SF_(6)-Air、SF_(6)-CO_(2)和SF_(6)-CF_(4)。

SF_(6)替代气体在隔离开关中的开断性能仿真研究

SF_(6)气体由于其优秀的绝缘和灭弧性能而被广泛应用于高压电力开关设备中。但是,SF_(6)是一种强温室效应的气体,因此,研究以氟化腈(C_(4)F_(7)N)气体为代表的新型环保气体作为SF_(6)的替代气体成为了目前高压电器领域的热点问题。文中针对126 kV隔离开关结构,建立了燃弧过程的磁流体动力学模型,采用SF_(6)气体和C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的真实气体模型,对比研究了SF_(6)和C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体在不同充气压力和触头运动速度下的燃弧过程。建立了弧后电击穿的评估方法,针对C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体在隔离开关结构下弧后的温度及气压分布,预测了弧后最有可能发生电击穿的区域。文中的结果可以为新型环保气体在隔离开关设备中的应用和优化设计提供参考。

CO_(2)、SF_(6)以及C_(4)F_(7)N气体电弧特性的仿真对比研究

寻求可替代SF_(6)用于高压电气设备的气体是近年来的研究热点,而C_(4)F_(7)N气体由于具有较好的环保性能和优良的绝缘特性而极具潜力。然而受限于实验成本等原因,现阶段对于其灭弧性能的研究相对较少。通过仿真分析气体电弧行为能够为环保型开关的设计提供重要指导。文中首先分析了C_(4)F_(7)N、CO_(2)和SF_(6)3种气体电弧的物性参数及成因,基于此采用磁流体动力学方法建立了轴对称二维喷口电弧模型并进行了计算,获得了C_(4)F_(7)N、CO_(2)和SF_(6)中电弧等离子体的温度分布及对应燃弧情况下的电弧电压,结合电弧物性参数结果分析了3种气体燃弧特性的主要成因。研究发现,纯C_(4)F_(7)N气体的电弧半径与电弧电压均与SF_(6)气体相近,相比于纯CO_(2)气体表明了其作为灭弧介质的潜在应用前景。但由于C_(4)F_(7)N气体分子质量相对较高,后续C_(4)F_(7)N气体的电弧仿真需要对湍流参数进行进一步研究,并通过相应的实验进行验证。

环境优化SF_(6)替代气体在中高压电力设备中的应用浅析

为减少温室气体排放,开展了环境友好型SF_(6)可替代气体研究、适时评价与推广应用。目前,在灭弧方面,40.5 kV及以下电压等级开关设备普遍采用真空灭弧室作为主开断单元取代SF_(6)灭弧介质。在绝缘方面,采用环境友好型SF_(6)替代气体作为绝缘介质的研究也取得了很大进展,其研究热点主要集中于干燥空气、N_(2)、C_(4)-PFN(氟化腈类)气体及其混合气体、全氟酮类(C_(n)F_(2n)O)气体及其混合气体等。通过对其绝缘、温升、物理化学特性分析比较,总结其优缺点和应用现状,在特定电压等级下确定某一种气体或混合气体作为SF_(6)的理想替代气体展开深入应用研究。

SF_(6)/N_(2)分解组分在ZnO-C_(3)N表面的吸附的理论研究

SF_(6)/N_(2)混合气体作为目前替代SF_(6)气体的最佳选择之一,已被应用于较多电力设备中作为绝缘介质保证电力系统的安全运行。然而,设备内部不可避免的会出现局部放电等事故导致SF_(6)/N_(2)发生分解,产生绝缘性能较弱的分解产物,监测这些产物的生成对电力系统至关重要。文中基于密度泛函原理对二维材料C_(3)N使用Zn O进行了修饰(Zn O-C_(3)N),通过计算其吸附分解产物时的吸附能、能态密度以及带隙等参数评估了其作为分解产物传感器的性能。结果表明,Zn O-C_(3)N对SO_(2)、SOF_(2)和SO_(2)F_(2)表现出了较强的吸附以及灵敏度,这使得ZnO-C_(3)N在作为吸附剂去除SF_(6)/N_(2)分解产物这一用途上具有较大的应用潜力。

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_(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。

C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体近区故障开断性能研究

六氟化硫(SF_(6))气体因其具有优良的绝缘与灭弧性能,现已广泛应用于电力设备中,但由于其具有强温室效应,随着全球变暖问题的日益严重,急需寻找能够替代SF_(6)的新型环保气体。其中,全氟异丁腈(C_(4)F_(7)N)具有优异的绝缘性能,有良好的工程应用前景,然而目前尚无针对C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体断路器的近区故障开断特性研究。文中针对126 k V/3 150 A/40 k A柱式C_(4)F_(7)N混合气体断路器的近区故障开断性能进行研究,对比了断路器充入C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体、CO_(2)/O_(2)混合气体和SF_(6)气体在不同电流过零时电流下降率(di/dt)下的近区故障开断性能。L90近区故障开断实验结果显示,在相同条件下SF_(6)气体表现出最佳的开断性能,能够在较宽的燃弧时间窗口内稳定开断实验电流。0.7 MPa的C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体和CO_(2)/O_(2)混合气体在di/dt=12 A/μs条件下的开断表现与0.5 MPa的SF_(6)气体在di/dt=20 A/μs条件下的开断表现接近。基于实验结果提出了灭弧室结构的改进方案,并进行了实验验证文中的研究为C_(4)F_(7)N混合气体断路器的开发与设计提供了参考。

新型环保气体双三氟甲基硫醚的热稳定性研究

为了降低SF_(6)高温室效应对环境的影响,寻找环境友好、性能优异的SF_(6)替代气体很有必要,双三氟甲基硫醚(CF_(3)SCF_(3))因其综合性能良好有望成为新一代SF_(6)替代气体。为了探究CF_(3)SCF_(3)的热稳定性,将CF_(3)SCF_(3)样品充入石英管中,使用管式炉加热该气体。在特定温度保持一定时间后,采集气体样品并送入气相色谱质谱联用仪中,提取样品色谱与色谱峰对应的质谱,并在NIST 2017数据库中搜索所获质谱以确定气体成分。研究发现:该气体在450℃时开始生成极少量CF 3 SSCF 3;在500℃时开始出现较为明显的分解;温度继续升高至550℃后,有更多气体分解,并出现了CF 3 CF 3、CS 2、CF 3 SCF 2 CF 3等更多分解产物。由此可知CF_(3)SCF_(3)热稳定性与C_(4)F_(7)N基本相当。研究成果为SF_(6)的环保替代提供了新选择。