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。

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。

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)替代绝缘气体的虚拟筛选与分子设计综述

采用新型环保绝缘气体替代SF_(6)是电力行业发展的必然趋势,也是助力碳达峰、碳中和的关键举措。该文综述了筛选与设计环保替代气体所面临的挑战及最新进展,从理论计算角度详细阐述了绝缘强度、液化温度、温室效应、安全性能(毒性、可燃性)、灭弧特性等构效关系模型,对比分析了各种理论模型的优缺点,指出现有理论模型所面临的主要问题,模型严重依赖于训练集实验数据且描述符的物理图像不明确,并提出了相应的改进方向,即开展多类型气体的系统性实验研究以及针对气体放电、液化、温室效应、致毒、燃烧、灭弧等过程的微观化学机理研究。同时探讨了多维度构效关系模型在SF_(6)替代气体的高通量虚拟筛选以及合理化分子设计方面所发挥的重要作用及其局限性。指出了各维度之间的相关性及相互制约关系仍不明确,这是导致至今仍未发现综合性能全面超越SF_(6)新气体的重要原因,提出了化学键杂化与官能团取代两种新型环保绝缘气体分子结构设计方法,获得了包含分子结构设计与性能评估、实验室合成与测试、工业制备与电气应用等关键步骤的新型环保绝缘气体创新技术路线,为加快电气设备中SF_(6)的完全替代提供理论依据。

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。

SF_(6)混合绝缘气体的协同效应及其机理研究

为了研究SF_(6)与不同缓冲气体组成的协同效应,并揭示SF_(6)混合气体的协同效应机理,首先针对SF_(6)气体分别与N_(2)、Air(空气)、CO^(2)、CF_(4)和He组成的混合气体,测试了上述混合气体在SF_(6)摩尔分数0~100%范围下的工频击穿电压,利用Takuma计算公式拟合获得其协同效应系数,发现上述缓冲气体与SF_(6)协同效应的强弱排序为N_(2)>Air>CO_(2)>CF_(4)>He。然后对比了Takuma计算公式与幂函数经验公式的拟合效果,明确了两种方法的适用性。最后通过气体吸附截面分布和缓冲气体电子能量分布分析了不同缓冲气体与SF_(6)协同效应的强弱原因,分析结果与试验结果排序一致,证明了分析方法的合理性,为其他类型混合气体的协同效应研究提供参考。

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。

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)。

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。

HFO-1336mzz(E)/X混合气体工频绝缘特性试验研究

为评估HFO-1336mzz(E)/X混合气体在高压气体绝缘设备中应用的可行性,计算了HFO-1336mzz(E)与3种缓冲气体分别混合后的配置方案,并通过试验得到其工频绝缘特性。该文考虑–15℃、–20℃、–25℃为最低使用温度约束条件,通过计算饱和蒸气压得到混合气体中HFO-1336mzz(E)的临界摩尔占比,并对该占比下的HFO-1336mzz(E)混合气体进行了工频放电试验。研究结果表明:HFO-1336mzz(E)与空气(Air)混合时协同效应最优;以–15℃为最低使用温度约束,0.5 MPa 8.0%HFO-1336mzz(E)/92.0%Air混合气体的最高击穿电压仅为相同气压下SF_(6)的65%,相当于0.26 MPa SF_(6)的绝缘水平,且混合气体放电后会出现固体沉积物。综合考虑混合气体的液化温度、绝缘强度以及放电沉积物,认为HFO-1336mzz(E)混合气体在高压气体绝缘设备中应用存在局限性。

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。

CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的电离特性试验研究

为评估CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的绝缘性能,研究了其在电场中的电离特性。通过稳态汤逊实验(SST)测量获得了CF3SO2F摩尔分数分别为10%、20%、30%、40%、100%的CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的有效电离系数和临界约化场强,研究了混合比例、约化场强和电极距离对其电离特性的影响,并比较了CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体相对于SF6的绝缘强度。结果表明:CF_(3)SO_(2)F摩尔分数为10%时,CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的电离特性与N_(2)类似;随着CF_(3)SO_(2)F占比增大至20%以上后,CF3SO2F/N2混合气体的电离特性逐步由CF_(3)SO_(2)F主导;CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体相对于SF6的理论绝缘强度随着CF_(3)SO_(2)F摩尔分数的增大而增大,40%CF_(3)SO_(2)F/60%N_(2)混合气体的临界约化场强约为SF_(6)的1.01倍,但其对电场变化的敏感程度不如SF6。研究结果可为CF_(3)SO_(2)F/N_(2)混合气体的绝缘强度评估提供理论基础。

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。

新型环保绝缘介质CF_(3)SO_(2)F混合气体电弧等离子体输运参数计算与影响因素分析

绝缘气体输运参数计算对于其绝缘灭弧性能和其他宏观物性研究具有重要意义。首先基于最小吉布斯自由能方法,获得了CF_(3)SO_(2)F混合气体在300~30000 K温度下的粒子组分。在粒子组分的基础上,采用Chapman-Enskog方法求解Boltzmann方程,计算了0.01~1 MPa压强范围内CF_(3)SO_(2)F混合气体的输运系数(电导率、热导率和黏滞系数),重点考察了气压、混合比例和缓冲气体类别对CF_(3)SO_(2)F混合气体输运参数的影响。结果表明:增大气压会抑制气体解离和电离反应,延缓升温过程对输运系数的影响;增大CF_(3)SO_(2)F混合比例则会直接影响体系主要粒子的相对含量,进而使解离和电离反应的温度发生变化,导致低温区的电导率和中高温区的黏滞系数增大,中高温区的热导率减小;与前两者相比,气体混合类别对输运参数影响较小。此外,相比SF_(6),CF_(3)SO_(2)F混合气体具有更大的热导率和更小的黏滞系数,能够更有效地将焦耳热传递到电弧外从而避免弧后击穿。该研究不仅为CF_(3)SO_(2)F混合气体用于高压电气设备提供一定的指导,也为进一步评估其绝缘和灭弧能力及绝缘气体配置优化提供了必要的数据支撑。

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。

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。

环保型绝缘气体C_(5)F_(10)O对大鼠致畸作用研究

全氟戊酮(C_(5)F_(10)O)作为一种环保型气体绝缘介质,具备替代SF_(6)应用于中低压气体绝缘设备的潜力。然而,目前关于C_(5)F_(10)O的生物安全性特别是生物致畸作用的相关研究较少。为了确保C_(5)F_(10)O在电力行业的安全性,有必要对C_(5)F_(10)O气体开展更为全面的毒理学研究。文中通过C_(5)F_(10)O气体对妊娠大鼠的胚胎发育器官形成期给予吸入染毒,然后对孕鼠和胎鼠各项生命体征及胎鼠发育情况进行检查分析,系统评估吸入一定体积分数的C_(5)F_(10)O气体所引起的子代致畸可能性。实验结果表明,吸入高体积分数的C_(5)F_(10)O气体可能会导致大鼠后代存在内脏畸形、骨骼发育不全等不良现象,但并未表现出明显的统计学意义,C_(5)F_(10)O气体对大鼠致畸实验观察到的最大无作用致畸剂量(NOAEL)为7 715.3μL/L,相关结果可以为C_(5)F_(10)O的工程应用和安全防护策略提供了重要参考。