SF_(6)气氛下聚四氟乙烯的热解研究

SF_(6)设备内局部过热故障会产生全氟碳烃类特征分解产物。为了探明氟碳烃分解产物与PTFE热分解劣化过程的内在联系,本研究采用同步差示扫描量热/热重/色谱联用技术,构建可追踪到氟碳烃分解产物的六氟化硫热分解反应模型。系统地将热解升温速率/分解温度/分解产物体积分数条件与实验确定的特征分解产物/绝缘材料侵蚀联系起来,阐明了500~600℃温度区间SF_(6)-PTFE热分解形成六氟乙烷、八氟丙烷的化学反应历程。该结果可直接应用于局部过热故障造成的断路器喷口侵蚀进行定性定量检测,相关氟化分解反应为喷口故障精准分析提供实验和理论依据。

SF_(6)断路器模拟烧蚀过程中气体分解产物特性研究

SF_(6)断路器灭弧室中的SF_(6)、微水微氧及固体绝缘材料在电弧作用下会分解重组,生成新的组分气体。为研究SF_(6)断路器完整电寿命周期内,开断电流后各气体分解产物体积分数的变化规律,搭建了断路器全寿命模拟烧蚀试验平台,进行了69次烧蚀试验,测量了烧蚀过程中的电压电流参数和各气体分解产物体积分数。结果表明:SOF_(2)、CF_(4)、SO_(2)为主要产物,SO_(2)F_(2)、SOF_(4)体积分数较低,H_(2)S不能稳定检出;SOF_(2)、CF_(4)、SO_(2)、SO_(2)F_(2)体积分数均随烧蚀次数增加而增加。主要产物中,SOF_(2)和SO_(2)的生成量与电弧能量呈线性关系;CF_(4)生成量与电弧能量之间没有明显规律,其原因可能在于电弧对于固体绝缘材料的烧蚀具有随机性。吸附剂对SOF_(2)与SOF_(4)吸附作用显著,对其余产物未表现出明显的吸附效果。最后提出了通过SO_(2)体积分数评估断路器剩余电寿命的方法。

基于同位素示踪法的微量O_(2)对电弧放电下SF_(6)分解产物影响的研究

SF_(6)气体绝缘开关设备电弧放电下O_(2)对SF_(6)分解产物具有显著影响,但其影响规律及相关作用机制目前尚不清楚。针对这一问题,文中利用^(18)O_(2)作为示踪剂开展了电弧放电实验,利用GC⁃MS分析了放电过程中和放电后含^(18)O同位素物质的变化规律,明确了电弧放电下SF_(6)分解产物的形成途径及^(18)O_(2)对SF_(6)分解产物的影响,阐明了其深层化学反应机理。结果表明,电弧放电下O_(2)杂质会在不同程度上促进SOF_(2)、SO_(2)、SO_(2)F_(2)、CO_(2)的生成,其中O_(2)主要以分解后的O原子参与SOF_(2)、SO_(2)、CO_(2)的生成反应,以O_(2)分子和分解后的O原子共同参与SO_(2)F_(2)的生成反应。SOF_(2)和SO_(2)F_(2)的生成主要由放电过程中发生的复合反应主导,SO_(2)的生成主要由放电后发生的分子间反应主导,CO_(2)的生成则来自两者的共同作用。

变电站内SF_(6)分解物检测追踪系统设计

六氟化硫(SF_(6))气体分解与泄漏现象日趋严重,给电气设备的绝缘性能带来了严重的负面影响,甚至对电气设备在运行过程中的安全性产生了极大的威胁。为快速有效地对SF_(6)气体的分解物(二氧化硫SO_(2)、硫化氢H_(2)S等)进行检测并定位泄露源,该研究基于高级精简指令集计算机(advanced RISC machine,ARM)控制器设计了可以检测以上两种主要有毒气体的电子鼻系统。接着以模拟退火算法为基础,提出气体烟羽追踪方法,旨在解决气体泄露源定位问题。气体浓度检测实验表明,相比MX6商业电子鼻,该文自制的电子鼻系统的气体浓度检测相对误差在0.7×10^(-6)以内,可以有效地检测以上两种有毒气体。此外,考虑到以上气体具有毒性,以乙醇气体为气味源进行了气体烟羽追踪实验。结果表明,该文所提出算法的有效性和实时性较好,平均定位误差只有0.63 m。以上实验证明该设计的电子鼻及模拟退火算法能够满足移动机器人进行SF_(6)分解气体泄漏检测的应用需求。

基于SF_(6)分解产物分类规划的GIS放电故障分析

为提高气体绝缘开关(Gas Insulated Switchgear,GIS)的安全评价能力,在基于机器学习算法的GIS诊断模型的鲁棒特性基础上,研究由阿伦尼乌斯化学反应模型处理的不同故障类型的经验概率函数,利用6种机器学习算法建立放电故障和绝缘缺陷模型,通过学习组成系统中不同气体(SO_(2)、SOF_(2)、SO_(2)F_(2)、CF_(4)、CO_(2)等)体积分数的数据集及其比值来训练识别算法。结果表明,经验概率模型可以有效识别GIS多种绝缘缺陷及其共存状态,SO_(2)F_(2)和SO_(2)体积分数比为4.2是高能放电状态的临界点,对故障预警具有重要意义;在基于高斯分布的GIS绝缘缺陷测试结果图中,y≈0.15的区域是多种放电故障共存的区域,需重点关注。

基于气相色谱法的SF_(6)电气设备分解产物检测技术研究

检测SF_(6)气体分解产物是判断SF_(6)电气设备运行状态的主要手段。对SF_(6)分解产物不同检测方法优缺点进行总结,并对基于气相色谱法的SF_(6)电气设备分解产物检测技术现状进行分析。针对基于气相色谱法的SF_(6)电气设备分解产物检测灵敏度不高的问题,提出提升灵敏度的方法。

SF_(6)故障分解及特征组分检测研究进展

国际大电气研究会议(CIGRE)的统计数据表明,SF_(6)气体绝缘设备运行可靠性较高,但实际运行中高电压等级SF_(6)气体绝缘设备的故障率远高于IEC标准。受限于SF_(6)气体绝缘设备复杂的金属全封闭结构以及运行中强烈的电磁干扰,如何对SF_(6)气体绝缘设备运行状态进行有效、准确的监测,仍是目前面临的一大技术挑战。在设备早期潜伏绝缘故障引起的局部强电磁能和高温的作用下,SF_(6)气体出现不同程度的分解,分解产物主要包括SO_(2)F_(2)、SOF_(2)、SO_(2)、H_(2)S和CO_(2)、CF_(4)等。基于SF_(6)故障分解组分特性提取反映故障属性的组分特征量,并建立有效的故障诊断方法,是SF_(6)气体绝缘设备绝缘状态监测的一项有效技术手段,这一领域正引起电力行业和科研院所的广泛关注。其中,提高SF_(6)故障分解组分检测速度、灵敏度和抗干扰性,是业内学者正竭力攻克的关键难题,并在近期取得了一系列突破性的研究进展。文中总结了基于故障分解组分的SF_(6)气体绝缘设备故障诊断方法的研究进展,重点介绍了SF_(6)分解组分光学检测与化学传感检测研究的突破性成果,并对该技术在应用过程中需要重点解决的难题进行了归纳和总结。

基于红外复合光学原理的SF_(6)气体分解产物现场检测方法

为最大化屏蔽光学信号对气体浓度的影响,获得高浓度的SF_(6)气体分解产物,提出基于红外复合光学原理的SF_(6)气体分解产物现场检测方法。选择适宜的复合性光学材料,在初始应用结构的作用下,求取具体的红外成像参数,完成对红外复合光学原理作用方法的初步分析。按需设置微流红外气体传感器,根据SF_(6)分子谱线的分布形式实施对异常峰值的剔除处理,实现基于红外复合光学原理的SF_(6)气体分解产物现场检测方法的设计。对比实验结果表明,在满足红外复合光学原理作用条件的情况下,光学信号不会对气体浓度产生明显影响,这对于获取高浓度的SF_(6)气体分解产物能够起到促进性影响作用。

基于多通光声池的SF_(6)分解产物H_(2)S的高灵敏度检测技术

针对H_(2)S气体在近红外波段的吸收系数低导致检测灵敏度难以提高的难题,提出了基于共振式多通光声池的SF_(6)分解产物H_(2)S气体检测技术。对赫里奥特型多通光声池进行优化设计,激光光束反射次数达到20次。近红外激光经功率放大后入射到多通光声池,通过多次光学反射大幅度提升了光声信号的激发效率,结合声学共振放大技术、光纤放大技术和波长调制-二次谐波检测技术,搭建了一套光声光谱气体检测系统,实现了SF_(6)背景下微量H_(2)S气体的高灵敏度检测。实验结果表明,归一化噪声等效吸收系数为2.23×10^(-9)cm^(-1)·W·Hz^(-1/2),在平均时间为100 s时,该检测系统对H_(2)S气体的检测极限达到2.7×10^(-8)。

基于第一性原理的Mo_(3)N_(2)晶体对SF_(6)分解组分吸附特性研究

对SF_(6)分解组分进行检测是对电力设备运行状态进行评估,以确保设备能安全稳定工作的有效措施之一。本文基于第一性原理仿真软件Materials Studio对SF6的两种特征分解组分气体在Mo3N2表面上的吸附过程进行理论计算。从吸附能、吸附距离、转移电荷、带隙、能态密度图等方面对其在传感器领域的可行性做了评估。结果表明,Mo_(3)N_(2)上对H_(2)S,SO_(2)F_(2)的吸附能均大于0.800 eV,且SO_(2)F_(2)气体分子在吸附后发生形变裂解,Mo_(3)N_(2)基底的原子排布些许错位,均为化学吸附。Mo_(3)N_(2)吸附两种气体后带隙降为0,转变为金属性。本文的所有理论计算研究对检测与清除SF_(6)分解组分气体的材料选型提供理论依据。

Pd掺杂SnP_(3)单层对SF_(6)分解组分吸附的第一性原理研究

利用气敏传感器检测SF 6分解组分信息可评估GIS设备运行状态,及早发现绝缘缺陷。金属掺杂的SnP_(3)单层有着良好的吸附性能,在气体检测领域具有应用前景。本文基于第一性原理计算并分析了Pd-SnP_(3)单层吸附SO_(2)、H_(2)S、SOF_(2)和SO_(2)F_(2)后体系的吸附能、态密度、能隙与解吸时间等参数,探讨其用于气体传感器的可能性。结果表明:在吸附性能方面,Pd-SnP_(3)单层仅对SO_(2)F_(2)发生了化学吸附,且结合态密度、差分电荷密度与转移电荷分析进一步验证了该材料对SO_(2)F_(2)的吸附效果明显优于SO_(2)、H_(2)S和SOF_(2);在传感特性方面,仅有SO_(2)F_(2)的吸附使体系的能隙发生了明显变化,且该气体可在398 K及以上温度下从Pd-SnP_(3)单层表面快速脱吸附。综合分析,Pd-SnP_(3)单层对SO_(2)F_(2)具有高选择性和检测性。因此,Pd-SnP_(3)单层具有成为检测SO_(2)F_(2)气敏材料的潜质。本研究为Pd-SnP_(3)单层在气敏材料领域的应用提供理论基础。

SF_(6)/CF_(4)混合绝缘气体局放后分解产物检测与分析

文章介绍了SF_(6)/CF_(4)混合气体和SF_(6)气体的局部放电试验,检测试验后的分解产物,通过分析分解产物组分和浓度的变化规律,初步得出了分解产物与局放故障之间的关系,为进一步开展混合气体分解产物特征组分变化与设备故障类型关系研究奠定了基础。

火花放电故障下水分对气体绝缘开关设备内部SF_(6)特征分解产物含量的影响作用

SF_(6)绝缘设备中的微量水分作为SF_(6)火花放电分解的反应物之一,会对SF_(6)分解产物分析(DCA)故障诊断方法的准确性造成较大影响。为了研究微量H_(2)O对SF_(6)气体在火花放电下产生的分解特征产物的影响,本文采用针-板模型模拟金属毛刺,开展SF_(6)气体在不同微量H_(2)O含量下的火花放电分解实验,得到了五种特征分解产物的变化特性与规律,在保持O_(2)含量一定的情况下,无论含有多少微量H_(2)O,SF_(6)火花放电分解产物均有CF_(4)、SOF_(2)、SO_(2)、SOF_(4)和SO_(2)F_(2),其含量均随放电时间延长而增加,且放电10 h后,各分解产物含量SOF_(2)>SO_(2)F_(2)>SOF_(4)>SO_(2)>CF_(4),微量H_(2)O越高,对SOF_(2)、SO_(2)F_(2)、SOF_(4)和SO_(2)生成的促进作用越大。

微水对SF_(6)过热分解含氧生成物影响的同位素示踪实验研究

SF_(6)气体绝缘介质局部过热分解过程不仅与设备内部局部过热性故障属性紧密相关,同时还与设备内部的微量H_(2)O紧密相关,但其作用机制目前还不清楚。为此,结合同位素示踪技术,采用H_(2)^(18)O作为示踪剂,向纯净的SF_(6)气体中添加不同含量的H_(2)^(18)O,并进行SF_(6)过热分解实验,通过GCMS检测反应后各分解特征产物中同位素化合物含量及其与注入H_(2)^(18)O含量的变化规律,以探究微量H_(2)O对SF_(6)过热分解的作用规律,并尝试解释其微观的反应机制。实验结果显示:微量H_(2)O对SF_(6)的分解具有促进作用,直接参与产物CO_(2)、SO_(2)F_(2)、SOF_(2)、SO_(2)的生成过程,为其提供O,但对不同产物的影响规律不同。

检测SF_(6)分解特征组分的MoS_(2)纳米片气敏特性与机理研究

通过水热法结合高温固相法合成片状纳米MoS_(2)结构,并用场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscopy,FESEM)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)、X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy,XPS)与拉曼光谱对MoS_(2)微观形貌、晶体结构、元素组成与振动模式进行表征,将纳米MoS_(2)通过丝网印刷法均匀涂覆于叉指电极表面制备电阻式气体传感器,测试SO2、SOF2、SO2F2和H2S共4种SF_(6)分解特征组分的气敏响应特性,用第一性原理密度泛函理论,分析MoS_(2)微观结构的物理化学特性,探索SF_(6)分解组分别在MoS_(2)表面与边缘结构的吸附性能,包括吸附能、电荷转移、吸附距离与范德华力比率等。结果显示,基于片状纳米MoS_(2)的气体传感器对4种SF_(6)分解组分的最佳工作温度均为200℃。在最佳工作温度下,传感器对4种SF_(6)分解组分在0~50×10^(-6)响应–浓度关系有高线性度(R^(2)>0.959),理论检测极限排序为H_(2)S<SO_(2)<SOF_(2)<SO_(2)F_(2),大小分别为531×10^(-9)、622×10^(-9)、1.55×10^(-6)与2.89×10^(-6)。同时理论计算结果表明,MoS_(2)边缘结构对气敏响应贡献占主导作用,且对不同SF_(6)分解组分的不同灵敏度来源于分子与MoS_(2)边缘结构的不同化学相互作用能与电荷转移。该研究为基于过渡金属硫化物的气敏传感器(transition metal dichalcogenides,TMDCs)检测SF_(6)分解组分提供实验和理论支持。

SF_(6)气体绝缘设备局部放电分解特征组分三角形诊断法

以SF_(6)为绝缘介质的全封闭式组合电器(GIS)已广泛应用于电力系统。由于金属微粒、绝缘子缺陷等,可能引发设备发生局部放电,甚至造成停电事故。为及时、有效辨识设备内部局部放电故障类型,本文在积累的大量SF_(6)局部放电分解特征组分数据的基础上,提取出表征典型局部放电故障特征的分解特征组分,采用“故障数据分布密度”标准差最小化的原则来确定反映故障状态的主要特征量权重,最终建立了针对SF_(6)气体绝缘设备局部放电的三角形诊断法,实现了典型局部放电故障的诊断。通过已有实验和现场数据,对该方法的诊断准确性进行测试,结果表明该方法可以有效识别局部放电故障并精确区分其放电类型,诊断准确率可达90%。

SF_(6)气体中H_(2)S光声检测及FFT滤波在检测信号噪声抑制中的应用

H_(2)S作为SF_(6)气体绝缘电气设备中一种重要的故障特征气体,其浓度对于评估SF_(6)气体绝缘状态有着重要意义。由于H_(2)S在近红外波段的吸收系数非常小,导致传统光学检测方法在该波段对H_(2)S气体的探测灵敏度较低。气体光声光谱技术灵敏度高、响应速度快且无需载气,非常适用于痕量气体的检测。搭建了一套大功率气体光声检测平台,选择H_(2)S气体在1578.12 nm处的吸收谱线,结合波长调制技术和二次谐波检测技术针对H_(2)S气体进行检测,并采用快速傅里叶变换(fast Fourier transform,FFT)算法对光声二次谐波信号进行频谱分析,去除残余噪声。结果表明FFT滤波技术可以有效去除光声二次谐波信号中的残余噪声,使搭建的光声检测平台对H_(2)S气体体积分数的最低检测限从10^(-6)量级降低到亚10^(-9)量级。

252 kV及以上断路器短路试验中SF_(6)气体分解产物特性研究

以SF_(6)气体为灭弧介质的高压交流断路器广泛应用于我国220 kV及以上电力系统中,开断短路电流后,灭弧室内SF_(6)会分解产生SO_(2)、CF_(4)、CS_(2)、SOF_(2)等气体,对断路器的开断性能产生影响。文中对多台高压交流断路器开展短路开断试验,对断路器内部气体进行检测,研究了不同电压等级断路器及不同短路试验方式与SF_(6)气体分解产物之间的关系。

压气缸压气不足SF_(6)断路器开断电流后气体分解产物特性研究

本文通过建模仿真模拟了压气不足缺陷下压气缸内气压的变化,并与压气缸正常情况下进行了对比,确定了压气不足缺陷的设置方法;以40.5 kV SF_(6)断路器为试品,设置了断路器压气缸压气不足缺陷,在电流开断后对气体分解产物特性进行实验研究,将实验结果与正常情况下进行对比。研究结果表明:在压气不足进行开断时,气缸内外气压差下降为原有的42%;在压气缸压气不足下,检测到分解产物有CO、CO_(2)、CS_(2)、SO_(2)、SOF 2,分解产物含量随着燃弧能量的增加而增加,分解产物CO_(2)、CS_(2)、SO_(2)、SOF 2在1.5 h左右达到最大值,在6 h时基本达到稳定值,CO含量在达到最大值后变化基本不大,压气不足时检测到的CO、SO_(2)含量比压气缸正常时的含量低,以上可为SF_(6)电气设备的状态评估和故障诊断提供指导。

基于磷酸盐的热催化降解SF_(6)废气研究

SF_(6)因优良的绝缘性能与灭弧性能被广泛应用于电力设备中。但是SF_(6)是典型的温室气体,不能随意排放,采用热催化降解的方式可以有效消除SF_(6)废气带来的温室效应。文中采用磷酸锆、磷酸铝和磷酸钙作催化剂在800℃时降解SF_(6)气体(体积比为15%的SF_(6)、背景气体为空气),分析不同催化剂作用下SF_(6)的降解率并测量降解产物。研究发现:3种催化剂共同的降解产物有SO_(2)F_(2)、SOF_(2)和SO_(2)气体,其中SO_(2)气体产量最多,体积分数超过GCMS检测上限。磷酸钙的催化效果最佳,SF_(6)气体在8 h内的降解率达100%,降解生成的SO_(2)F_(2)和SOF_(2)气体体积分数在2 h时达到最大值,产生的H_(2)S气体体积分数在8 h达到211μL/L,同时产生了微量的CF_(4)气体和SOF_(4)气体。磷酸锆和磷酸铝作催化剂时,对SO_(2)F_(2)气体的生成有促进作用,且磷酸锆对SO_(2)F_(2)气体生成的促进效果强于磷酸铝。研究表明磷酸盐作催化剂能促进SF_(6)气体热分解,且催化效果磷酸钙大于磷酸铝和磷酸锆。SO_(2)气体是SF_(6)气体热分解的最终产物之一。试验检测到分解的产物绝大多数为酸性气体,可通过碱液过滤掉,对于减少SF_(6)废气排放带来的温室气体具有重大意义。