应用于直流GIL中环境友好型气体的绝缘性能研究

直流气体绝缘金属封闭输电线路(gas insulated metal-enclosed transmission line,GIL)可提高特高压直流输电线路走廊选择的灵活性,研究其中SF_6气体的替代气体具有十分重要的意义。该文在负极性直流电压和负极性雷电冲击电压下,通过实验研究了0.4~0.7MPa气压范围内的SF_6、SF_6/N_2和CF_3I/N_2气体的击穿特性以及圆柱形绝缘子在相应气体环境中的闪络特性。结果表明:随着气压升高,SF_6、SF_6/N_2和CF_3I/N_2气体的击穿场强基本上呈现线性升高趋势,但同气压下SF_6的击穿场强最高,SF_6/N_2次之,CF_3I/N_2最低;CF_3I/N_2混合气体中绝缘子闪络电压远低于在SF_6和SF_6/N_2环境中。研究表明,0.7MPa气压、混合比为2:8的SF_6/N_2气体绝缘性能与0.5MPa时SF_6气体绝缘性能相当,且全球变暖潜能值(global warming potential,GWP)可降低约80%,可应用于直流GIL;而CF_3I/N_2混合气体由于其绝缘性能远低于SF_6和SF_6/N_2气体,不适用于高压直流气体绝缘金属封闭设备。     

CF_3I/N_2混合气体在不同电场下的工频击穿特性试验研究

CF_3I及其混合气体作为SF_6应用于电气设备的潜在替代物被广泛关注,该文从不同电场下工频击穿性能的角度探讨CF_3I/N_2替代SF_6气体的可行性。通过工频击穿试验探究气压、混合比、电场利用系数3种因素对CF_3I/N_2工频击穿电压的影响,并与相同条件下的SF_6及SF_6/N_2进行对比分析,使用协同效应指数C值判定混合气体协同效应类型并定量分析协同效应强弱。结果表明,CF_3I/N_2在不同电场、不同混合比下的工频击穿电压随气压均呈线性增长,随着电场利用系数的增加,其工频击穿电压随气压增长的线性增长率逐渐提高;纯CF_3I对电场的敏感度尤其高。N_2的加入,改善了CF_3I对电场的敏感度;极不均匀电场下,CF_3I/N_2混合气体在0.15MPa及以上气压呈正协同效应,协同效应明显程度整体优于SF_6/N_2混合气体。稍不均匀电场和准均匀电场下,CF_3I/N_2呈现协同效应,气压越高,协同效应越明显;混合比为30%,气压为0.3MPa的CF_3I/N_2可以替代纯SF_6应用于气体绝缘输电线路和气体绝缘开关柜等电气设备中。     

CF_3I/N_2混合气体中绝缘子沿面闪络特性的研究

文中以SF_6/N_2混合气体作为比较,研究了CF3I/N_2混合气体中绝缘子在工频电压和正、负极性雷电冲击电压下的沿面闪络特性。结果表明:在0.1~0.3 MPa下,CF3I/N_2混合气体中绝缘子的工频闪络电压和雷电冲击闪络电压均随气压升高而增大;在较低气压下,CF3I/N_2混合气体中绝缘子的负雷电冲击闪络电压比正极性下要低,而当气压高于某临界值时,负极性下闪络电压又会高于正极性;绝缘子在含30%CF3I气体的CF3I/N_2混合气体中的绝缘性能基本介于含20%/30%SF_6气体的SF_6/N_2混合气体中的绝缘性能之间,可以为CF3I混合气体替代SF_6混合气体应用于高压气体绝缘电气设备中提供参考。     

CF_3I-N_2混合气体在稍不均匀和极不均匀电场中的工频击穿特性

三氟碘甲烷(CF3I)是近年来被认为最有可能替代六氟化硫(SF_6)的环保型绝缘气体之一。通过建立CF3I混合气体绝缘性能试验平台,对CF3I-N_2二元混合气体在不同体积分数(20%和30%)、气压(0.1~0.3 MPa)、放电间隙(5~30 mm)以及电场不均匀系数(针–板模型和球–板模型)下的工频击穿特性进行了研究,揭示了CF3I-N_2混合气体工频击穿电压受CF3I体积分数、间隙距离、气压以及电场不均匀度等因素的影响规律。结果表明,在稍不均匀电场中,CF3I-N_2混合气体的工频击穿电压随放电间距的增大而增大,同时随气压的升高线性增加。在极不均匀电场中,CF3I-N_2混合气体的工频击穿电压近似于随间隙的增大线性增加,但击穿电压随气压的变化出现了不同程度的饱和现象。与SF_6气体相比,CF3I体积分数为20%和30%的CF3I-N_2混合气体能够分别达到纯SF_6气体50%和55%以上的工频耐压水平。     

不均匀电场下CF_3I/N_2混合气体工频击穿特性试验

从工频击穿性能的角度探讨CF_3I/N_2混合气体替代SF6气体用于气体绝缘设备的可能性。通过工频击穿试验探究气压、混合比和电极间距三种因素对CF_3I/N_2混合气体工频击穿电压的影响,并与相同条件下的SF6/N2混合气体进行对比分析,提出使用协同效应指数C值判定混合气体协同效应类型及协同效应强弱的定量分析方法。结果表明,随着混合比、气压的升高,CF_3I/N_2混合气体工频击穿性能逐渐接近SF6气体,较高气压下的CF_3I/N_2混合气体更具有应用潜力。CF_3I/N_2混合气体工频击穿电压呈正协同效应,而且CF3I气体具有优良的自恢复绝缘性能。综合考虑工频击穿性能、液化温度和环境影响三种因素,在特定的场合下,CF3I含量为20%~50%的CF_3I/N_2混合气体有可能替代SF6气体用于气体绝缘设备。     

低比例CF_3I的CF_3I-CO_2混合气体在极不均匀电场中的绝缘特性

常用绝缘气体六氟化硫(SF_6)具有严重的温室效应,三氟碘甲烷(CF3I)是一种环保型的SF_6潜在替代气体,但其沸点及价格较高,而其低比例混合气体可以规避此类问题。针对低比例CF3I的CF3I-CO_2混合气体进行研究,对不同混合比例、不同气压、不同放电间隙下的混合气体在极不均匀电场下进行击穿试验,量化了混合气体在相应情况下的耐压表现。试验结果表明,在极不均匀电场环境下,微量CF3I的混入能显著提高击穿电压,当体积分数6%后绝缘电压趋于稳定。虽然击穿电压相比SF_6具有一定差距,但微量CF3I与CO_2混合气体具有出很好的正协同效应,因此低比例CF3I的CF3I-CO_2混合气体在大间隙条件下具有一定的应用可行性及成本优势。     

c-C_4F_8/N_2与c-C_4F_8/CO_2混合气体的绝缘性能

为寻找温室效应指数(GWP)低的SF_6替代气体,研究了c-C_4F_8/N_2与c-C_4F_8/CO_2混合气体的绝缘性能,在球板电极下进行了不同间隙距离、不同气压、不同气体体积分数的c-C_4F_8/N_2与c-C_4F_8/CO_2混合气体工频击穿实验。同时进行了SF_6、c-C_4F_8、N_2和CO_2的对比实验,并对击穿之后的分解产物进行了检测。实验结果表明:c-C_4F_8/N_2与c-C_4F_8/CO_2混合气体的击穿电压值都随着间隙距离、气压和c-C_4F_8体积分数的增加而增加;c-C_4F_8气体与N_2、CO_2之间均存在协同效应;稍不均匀场中0.1MPa气压下的c-C_4F_8体积分数为30%的c-C_4F_8/N_2与c-C_4F_8/CO_2混合气体的绝缘性能分别约为SF_6的75%和79%;5%~30%体积分数的c-C_4F_8/N_2与c-C_4F_8/CO_2的协同效应系数分别在0.20~0.79之间和0.15~0.65之间。从绝缘性能、液化温度和环境保护等方面来看,c-C_4F_8/N_2与c-C_4F_8/CO_2混合气体有可能作为SF_6的替代气体,应用在电力设备中。     

基于Boltzmann方程的F3I二元混合气本替代SF6的可行性研究

SF_6气体虽然绝缘性能优越但是极易液化,且是一种温室效应值很高的气体。CF_3I气体是极具潜力的SF_6替代气体之一,通过计算求解CF_3I/N_2、CF_3I/CO_2二元混合气体在0.1 MPa、300 K下的两项近似Boltzmann方程,得到不同二元混合气体的电子能量分布函数(EEDF)和临界折合击穿场强(E/N)cr,并通过计算混合气体的液化温度、协同效应系数来表征混合气体的混合比例与协同能力。结果表明:从物化特性分析,30%CF_3I/70%N_2二元混合气体最有可能替代SF_6,而CF_3I/CO_2二元混合气体只适用于在约化电场强度小于300 Td且平均电子能量和电离度较低的情况下替代SF_6;通过与其他文献的数据进行对比,验证了本研究中计算方法和数据的有效性。     

CF_3I三元混合气体绝缘特性的Boltzmann分析

CF3I气体作为潜在的SF_6替代气体,为了解CF3I三元混合气体的临界击穿强度和协同效应,通过求解两项近似Boltzmann方程,计算得出CF3I三元混合气体在折合场强范围为100~500Td的电子能量分布函数(electron energy distribution function,EEDF)、有效电离系数?、临界折合场强(E/N)cr,采用系数ξ分析三元混合气体间的协同效应。计算结果表明,三元混合气体中如果存在N_2或CO_2等缓冲气体,EEDF中的低能电子分布增加,导致协同效应的出现。CF3I与N_2和CO_2的协同效应较明显,与CF4不存在协同效应。两种强电负性气体CF3I/SF_6混合后会出现微弱的负协同效应,而添加N_2或CO_2能减轻负协同效应的影响。     

3种缓冲气体对C_4F_7N混合气体绝缘特性的影响

为研究C_4F_7N(全氟异丁腈)与CO_2、N_2和空气3种缓冲气体混合后作为绝缘介质替代SF_6的潜力,在均匀电场下对C_4F_7N/CO_2、C_4F_7N/N_2和C_4F_7N/空气混合气体的工频绝缘性能进行了研究,其中混合气体气压为0.1～0.7MPa、C_4F_7N占比为5%～20%。对比了含不同缓冲气体的C_4F_7N混合气体绝缘特性,分析了气压和混合比例等因素对混合气体工频击穿电压的影响。试验结果表明,C_4F_7N/CO_2和C_4F_7N/空气混合气体击穿电压随气压升高呈线性增长,而C_4F_7N/N_2混合气体在较高气压下呈微弱的饱和趋势;3种C_4F_7N混合气体的工频击穿电压随混合比例的增加大致呈线性增长。C_4F_7N/CO_2、C_4F_7N/N_2和C_4F_7N/空气混合气体相对于SF_6的绝缘强度随气压的变化并非定值,在0.4 MPa附近相对SF_6绝缘强度存在极小值。C_4F_7N/N_2混合气体在放电条件下的碳析出现象较为明显,严重时会导致C_4F_7N/N_2混合气体击穿电压大幅下降。综合考虑C_4F_7N混合气体的绝缘性能、液化温度和放电条件下的碳析出程度,CO_2和空气是C_4F_7N适合的缓冲气体。     

直流电场下C_4F_7N/CO_2与SF_6/N_2混合气体中铝质球形自由微粒放电敏感度对比分析

直流气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)充SF_6混合气体或SF_6替代气体时,其绝缘性能将受到自由金属微粒的影响。本文重点针对C_4F_7N/CO_2以及SF_6/N_2混合气体,开展绝缘强度的影响分析。选用的实验气体组份为:C_4F_7N/CO_2(4%/96%)、SF_6/N_2(其中SF_6比例分别为20%、30%、50%和70%)以及纯SF_6气体,在球-碗电极直流电场下,开展微粒影响下的气隙击穿实验。提出微粒放电敏感度(DSP)的概念及定义,用以评估不同组分气体绝缘强度对金属微粒导致的局部电场强度剧变的敏感程度。实验结果表明,在0.1~0.5MPa气压范围内,不存在微粒时,4%C_4F_7N/96%CO_2绝缘强度与30%SF_6/70%N2混合气体相当;存在微粒影响时,4%C_4F_7N/96%CO_2混合气体的DSP值低于30%SF_6/70%N2混合气体的,而高于20%SF_6/80%N2混合气体的,且放电电流呈现双峰值特征。C_4F_7N/CO_2混合气体具有绝缘强度高、对微粒放电敏感度低的特性,这与C_4F_7N具有强电负性和高吸附系数有关。本文还结合微粒运动触发放电的物理模型,阐明了气隙击穿电流出现双峰特征的原因。     

基于Boltzmann方程的CF_3I混合气体协同效应分析

CF_3I是一种极具潜力的SF_6替代气体,为了研究CF_3I在不同缓冲气体中的绝缘特性和协同效应,通过求解两项近似Boltzmann方程,对不同混合比例CF_3I/N_2和CF_3I/CO_2混合气体的协同效应系数进行了计算分析,并与试验结果进行对比。计算结果表明,300 K时CF_3I的绝缘强度是SF_6气体的1.2倍,CF_3I/N_2和CF_3I/CO_2混合气体都出现了协同效应现象,CF_3I/CO_2混合气体的协同效应系数显著高于CF_3I/N_2混合气体,但CF_3I/N_2混合气体的绝缘强度高于相同条件下的CF_3I/CO_2混合气体。当CF_3I含量超过20%时,CF_3I/N_2及CF_3I/CO_2混合气体的绝缘强度随CF_3I含量变化基本呈线性变化。试验结果显示,CF_3I/N_2混合气体的击穿电压同样高于CF_3I/CO_2混合气体,但两种混合气体的协同效应系数基本相同。     

用于气体绝缘输电线路的CF_3I及其混合气体的散热能力分析

由于SF_6气体温室效应严重,因此亟需找到一种能够替代SF_6气体的环保型绝缘气体。利用传统解析法,对不同气压下充有不同体积分数CF_3I气体的CF_3I-N_2及CF_3I-CO_2混合气体绝缘的气体绝缘输电线路(GIL)的导体温度和外壳温度进行了计算,并与同等条件下采用SF_6气体以及含20%体积分数SF_6气体的SF_6/N_2混合气体的情况进行了对比,分析了CF_3I及其混合气体的散热性能。结果表明:同等条件下,CF_3I-N_2混合气体的散热能力优于CF_3I-CO_2混合气体。而含30%~80%体积分数CF_3I气体的混合气体的散热能力也优于已经广泛应用的SF_6及20%SF_6与80%N_2的混合气体,最高可达到纯SF_6气体的1.05倍以及20%SF_6与80%N_2混合气体的1.1倍。综合考虑绝缘特性、散热特性和液化温度等多方面因素,CF_3I气体体积分数为20%~30%的CF_3I/N_2混合气体可以在一定条件下用作GIL中的绝缘介质。     

CO_2混合气体的绝缘性能计算与分析

CO_2气体的灭弧性能较好,但绝缘性能较差,近期作为SF_6替代气体的缓冲气体受到关注。文中基于Boltzmann解析法,计算分析了CO_2与SF_6、O_2、CF3I、c-C_4F_8、N_2、Air、CF_4、C2H6、CH4、CHF310种气体的混合气体的绝缘性能。首先,以CO_2/SF_6混合气体为例,计算了不同混合比例下气体中的电子能量分布函数、折合有效电离和吸附反应系数、折合有效电离反应系数以及临界折合电场强度等数据。然后,给出了10种混合气体在不同混合比例下的临界折合电场强度值,进而讨论了不同混合气体的绝缘性能。结果表明:10种CO_2混合气体中,CO_2/CF3I和CO_2/c-C_4F_8的临界折合电场强度(E/N)cr明显高于其他几种混合气体,且CO_2/c-C_4F_8的(E/N)cr整体上低于CO_2/CF3I;当CO_2比例分别低于80%和50%时,CO_2/CF3I和CO_2/c-C_4F_8的(E/N)cr明显高于CO_2/SF_6;当CO_2比例分别低于25%和15%时,CO_2/CF3I和CO_2/c-C_4F_8的(E/N)cr甚至高于纯SF_6。     

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。     

电极表面粗糙程度对环保型绝缘气体C6F12O/CO2工频击穿电压的影响

由于电力工业排放SF_6的温室效应已不容忽视,环保型绝缘气体C_6F_(12)O在中低压开关柜中具有替代SF_6的潜力。为了探索设备内金属导体表面粗糙程度对C_6F_(12)O/CO_2气体工频击穿电压的影响规律,通过实验对比研究不同气压、不同体积分数的C_6F_(12)O/CO_2与SF_6和CO_2在不同电极表面粗糙程度时的工频击穿特性,以探究C_6F_(12)O/CO_2混合气体绝缘特性对金属表面粗糙程度和气压的协同敏感度。结果表明:C_6F_(12)O/CO_2混合气体的绝缘强度与金属电极表面粗糙程度关系较大,但相比于SF_6,其对金属电极表面粗糙程度的敏感度更小;金属电极表面粗糙程度对C_6F_(12)O/CO_2混合气体工频击穿电压的影响随着气压的增大而不断增强。     

基于二项近似解玻尔兹曼方程计算CF3I/N2混合气体的绝缘特性

本文阐述了国内外对SF_6替代气体的研究现状,介绍了环保型CF_3I/N_2混合气体的基本特点和绝缘特性。运用对电子输运和反应系数的计算原理,通过对绝缘气体特性和数据处理进行分析,通过不同混合比CF_3I/N_2绝缘气体对电子能量、纵向扩散系数、汤逊系数和有效电离系数的影响,验证了CF_3I/N_2作为替代SF_6绝缘气体的可能性。研究表明:60%CF_3I和40%N_2的混合气体可以达到SF_6和N_2的绝缘水平,可用于替代SF_6气体作为绝缘介质应用在气体绝缘开关设备中,有着较好的应用前景。     

工频电压下电场不均匀度对C_4F_7N/CO_2混合气体绝缘性能的影响

近年来,环保气体C_4F_7N被人们广泛研究来取代SF_6在气体绝缘设备中的地位。为较为全面地揭示不同电场分布、气压、混合比例条件下C_4F_7N/CO_2混合气体的工频击穿特性及其工程应用配置方案,计算了不同C_4F_7N混合比例、气压下C_4F_7N/CO_2混合气体的液化温度,通过不同电极形式下该气体的工频击穿试验,得到不同条件下C_4F_7N/CO_2混合气体和SF_6的击穿特性。试验发现,在电场不均匀度增大过程中,C_4F_7N/CO_2混合气体出现了击穿电压突变的N型曲线特征,SF_6也表现出类似的现象。此外,根据C_4F_7N/CO_2混合气体液化温度为–10℃的限制,当气压范围在0.3 MPa及以上且电场不均匀度为1.05、1.58、9.6、13.8和22.5时,其C_4F_7N体积分数需要分别达到9%、5%、7%、5%、5%,才能使得C_4F_7N/CO_2混合气体绝缘强度可达到SF_6绝缘强度的0.8倍;若要求C_4F_7N/CO_2混合气体绝缘强度达到SF_6的0.9,则需提高C_4F_7N体积分数至13%及以上。     

气体绝缘输电线路(GIL)的应用及发展

文中介绍了GIL的发展历史和应用范围、特点,以及国内外GIL的应用状况,分析了第一代SF_6气体绝缘的GIL和第二代SF_6混合气体绝缘的GIL的运行情况,提出了采用SF_6体积分数10%~20%的混合气体绝缘的GIL作为第二代GIL的发展方向。指出了压缩空气绝缘不适用于高压及以上等级的GIL,提出了采用CF3I混合气体作为第三代GIL的研究发展方向。研究分析了CF3I混合气体的绝缘强度、液化温度和温室效应等特性,指出了CF3I与N_2混合气体可以作为超特高压GIL中SF_6的替代气体,在绝缘强度、液化温度和成本造价上都有较大的优势,可以对CF3I体积分数为10%~30%的混合气体进行可行性应用研究。     

冲击电压下CF_3I/N_2混合气体放电极性效应研究

SF_6气体具有极强的温室效应,寻找新型SF_6替代气体成为国内外学者需要解决的迫切问题。该文研究了CF_3I/N_2混合气体针–板间隙和球–板间隙在正负雷电冲击电压作用下的绝缘特性,对CF_3I及其混合气体在电力设备中的应用具有重要意义。实验结果表明:极不均匀电场与稍不均匀电场下,CF_3I/N_2混合气体的间隙放电均存在显著的极性效应。在电极间隙为5mm时随着气压的升高还出现了极性反转现象。针–板电极下原本较高的负极性50%击穿电压在气压较低时出现了低于正极性击穿电压的情况,球–板电极下原本较高的正极性50%击穿电压也出现了低于负极性击穿电压的情况。分析表明,CF_3I/N_2混合气体出现极性效应以及在短间隙下的极性反转是由于电极间隙间空间电荷的迁移和扩散与气压的共同作用造成的。因此,使用CF_3I/N_2混合气体作为绝缘介质的电力设备应着重考虑不同气压及均匀度下的极性效应及反转问题。