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。     

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。     

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。     

SF_6替代气体与空气混合的绝缘性能研究

CF_3I和c-C_4F_8作为目前研究最多的SF_6替代气体,需要与缓冲气体混合以降低液化温度。为了评估使用空气作为SF_6替代气体缓冲气体的可能性,通过求解两项近似的Boltzmann方程,计算了CF_3I/空气、c-C_4F_8/空气混合气体的电子崩参数。首先,分别计算了CF_3I/空气、c-C_4F_8/空气混合气体的约化电离系数、约化附着系数、约化有效电离系数、约化临界场强,以及表征对不均匀电场敏感程度的c值(约化有效电离系数关于约化电场的关系曲线中零点附近的斜率值)。然后,将计算值与约化临界场强和c值分别与CF_3I/CO_2、CF_3I/N_2和c-C_4F_8/CO_2、c-C_4F_8/N_2混合气体进行对比,从绝缘强度、对不均匀电场的敏感程度两个方面评估空气作为缓冲气体的优劣。结果表明,70%/30%的CF_3I/空气、c-C_4F_8/空气混合气体绝缘性能与SF_6相当;在空气、CO_2、N_23种缓冲气体中,与CF_3I混合,空气是最佳选项;与c-C_4F_8混合,空气和N_2难分高下,二者均优于CO_2。     

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。     

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。     

0.1～0.25 MPa气压下SF_6、CF_3I及其二元三元混合气体的击穿特性

气体绝缘输电管道作为一种新型输电方式,具有在未来替代架空线路和电缆被用于直流配电网络的可能性,而寻找其内部气体绝缘物质SF_6的替代气体一直是国内外学者研究的热点。为此研究了0.1~0.25 MPa气压范围内,SF_6、CF3I、N_2及CO_2组成的二元、三元混合气体在负极性直流电场下的击穿特性。实验结果表明:同气压的CF3I/N_2二元混合气体的直流击穿场强低于相同比例的SF_6/N_2二元混合气体;相同气压下,SF_6/CF3I/N_2(体积比1:2:7)三元混合气体击穿场强与CF3I/N_2(体积比3:7)二元混合气体相当,略高于SF_6/CF3I/CO_2(体积比1:2:7)三元混合气体。综合气体的击穿特性、GWP和露点温度3个方面,发现2:8和3:7两种体积比例的CF3I/N_2二元混合气体可完全替代SF_6气体应用于直流配电网气体绝缘输电管道。     

开断电弧下混合绝缘气体(SF_6+CF_4)分解特性试验研究

在高纬度低温地区,由于SF_6气体出现液化,可能导致SF_6开关设备发生绝缘击穿或开断失败等事故,由此该类地区大多采用混合气体(SF_6+CF_4)开关设备。气体分解产物检测是目前设备故障定位和缺陷诊断的重要手段。为此试验以40.5 k V混合气体断路器为试品,开展混合气体(SF_6+CF_4)不同燃弧能量下的气体分解产物试验,通过与纯SF_6气体的比较分析,探讨混合气体(SF_6+CF_4)的分解特性。研究表明:开断电弧下,SF_6+CF_4混合气体的主要分解产物为CO、CO_2、SO_2、SOF_2;分解产物各组分含量均随着燃弧能量的增加而增加;在相同的燃弧能量下,SF_6+CF_4混合气体比纯SF_6气体产生更多的碳氧化合物(CO+CO_2),而硫化物(SOF_2+SO_2)的生产量较少。     

SF_6/N_2和SF_6/CF_4混合气体放电参数计算分析

为研究SF_6混合气体的放电参数特性,文中通过两项近似求解Boltzmann方程得到温度为300 K,不同混合比下SF_6/N_2、SF_6/CF_4的电子能量分布函数(EEDF)、折合电离系数α/N、折合吸附系数η/N和折合有效电离系数(α-η)/N,与其他文献结果对比,验证了该计算方法与放电参数的有效性。结果表明:SF_6/N_2、SF_6/CF_4两种混合气体都随折合场强E/N增大时,在较低电子能量区域的EEDF减小而在较高电子能量区域的EEDF增大,且SF_6/N_2混合气体在电子能量为3 e V附近存在EEDF的骤降现象,该现象与N_2的碰撞参数截面有关,而SF_6/CF_4混合气体不存在此现象;此外,SF_6/N_2、SF_6/CF_4两种混合气体随着折合场强E/N增大,折合电离系数α/N显著增大、折合吸附系数η/N减小,最终折合有效电离反应系数(α-η)/N也均随之增加。     

CF_3I/CF_4混合气体在极不均匀电场中的工频击穿特性

为了寻找SF_6的替代气体,文中对极不均匀电场中的10%~30%CF_3I/CF_4混合气体在不同极间距(5~35 mm)和不同气压(0.1~0.3 MPa)下的工频击穿特性进行了实验研究。结果发现,CF_3I/CF_4混合气体的工频击穿电压随着极间距的增大而近似线性增大,但是其随气压升高和CF_3I体积分数的升高均表现出"驼峰"现象。与SF_6相比,CF_3I/CF_4混合气体的工频耐压水平在它的59%~120%之间。综合考虑,15%~20%CF_3I/CF_4混合气体可以作为SF_6替代气体在合适的电气设备中使用。     

SF_6/CF_4混合气体的饱和蒸气压与绝缘特性计算

为分析SF_6/CF_4混合气体的饱和蒸气压与绝缘特性,进而探讨SF_6/CF_4混合气体替代SF_6气体应用于高寒地区的可行性。首先,采用全局最优化算法拟合得到了SF_6和CF_4的Antoine特性常数,然后通过Antoine蒸汽压方程和汽液平衡基本定律相结合,计算了SF_6/CF_4混合气体的饱和蒸气压特性。然后,基于Boltzmann解析法获得了SF_6/CF_4混合气体的临界击穿场强数据。最后,综合SF_6/CF_4混合气体的饱和蒸气压特性与临界击穿场强数据,讨论了SF_6/CF_4混合气体的绝缘特性及在高寒地区应用的可行性。结果表明:在低温条件下,SF_6/CF_4混合气体所允许的压力明显高于纯SF_6,从而可以获得较纯SF_6更高的绝缘强度,如–40℃时摩尔分数50%SF_6/50%CF_4混合气体和SF_6气体的饱和蒸气压分别约为0.64 MPa和0.35 MPa,相应压力下的临界击穿场强分别约为43.5 k V/mm和31.34 k V/mm,即50%SF_6/50%CF_4混合气体的绝缘强度可以达到纯SF_6气体的1.4倍,说明SF_6/CF_4混合气体采用恰当的混合比例和充气压力能够有效解决SF_6在高寒地区的液化问题。     

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。     

高压断路器用SF_6/CF_4混合气体状态参数计算及液化分析

高压断路器采用混合气体作为绝缘和灭弧介质,可有效降低其液化温度。文中以SF_6/CF_4混合气体为例,分别计算SF_6、CF_4状态参数。计算SF_6气体状态参数采用工程上常用的Beattie-Bridgman经验公式作为状态方程,同时应用一种新的SF_6饱和蒸汽压曲线拟合公式。计算CF_4气体状态参数应用SRK方程作为状态方程,同时采用Riedel公式作为CF_4气体的饱和蒸汽压方程。通过计算SF_6、CF_4的状态参数,绘制出具有工程应用价值的SF_6、CF_4饱和蒸汽压曲线和等密度曲线,同时对SF_6/CF_4混合气体的液化特性进行分析。在此基础上,举例说明SF_6、CF_4状态参数在高压混合气体断路器工程中的应用。     

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。     

环保型绝缘混合气体的应用特性分析

为研究气体绝缘金属封闭输电线路采用环保气体替代SF_6的可行性,比较了c-C_4F_8/N_2、CF_3I/N_2等几种潜在SF_6替代混合气体的绝缘、理化性能和空间分布特性。结合环保气体的液化温度和绝缘强度,在优化的混合比例下得到了气体可使用的最高压力;同时,为研究混合气体的压力和比例在垂直高度上是否呈现分层分布,采用力学平衡模型计算了几种混合气体的混合比例在重力作用下的空间分布特性,得到了高度落差、摩尔质量和温度对分布特性的影响;最后,通过应用特性分析了这几种混合气体的分解产物及产生条件,比较了导热特性。研究结果表明,由于混合气体添加了大量的N_2或CO_2,导致混合气体的导热性能均不如纯SF_6,设备载流能力降低。     

基于电子输运参数的CF_3I及CF_3I-N_2混合气体绝缘性能分析

三氟碘甲烷(CF3I)因其优异的电气和物化性能被认为是最有可能替代六氟化硫(SF_6)的气体之一。采用玻耳兹曼方程计算纯CF3I及CF3I-N2混合气体的电子输运参数,分析这些参数随约化电场强度E/N和CF3I混合比例的变化规律,从微观角度研究CF3I及CF3I-N2混合气体的绝缘性能。结果表明,纯CF3I气体在均匀场中的绝缘强度约为SF_6的1.19倍;且当CF3I所占比例达到70%时,CF3I-N2混合气体能够达到与纯SF_6相当的绝缘性能。此外,CF3I混合气体在电场敏感性方面优于SF_6,但协同效应不如SF_6-N2混合气体显著。     

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。     

电力设备中SF_6混合绝缘气体净化分离技术的探究

为解决SF_6气体的温室效应及低温易液化问题的日益突出,SF_6/N_2、SF_6/CF_4等混合绝缘气体被认为是目前最有发展前景的替代介质,开始在气体断路器(GIC)以及气体输电管线(GIL)、GIS母线等非灭弧气室中推广应用。然而,大规模推广应用前,必须先解决混合气体的回收、净化处理等关键问题。由于SF_6混合绝缘气体与纯SF_6气体性质上有较大的区别,文中针对SF_6/N_2和SF_6/CF_4混合绝缘气体特性,提出了用多级高分子膜、深冷相变分离和低温精馏方法联用的混合气体分离净化方案,经过处理后能得到较高纯度的SF_6气体和CF_4气体,N_2纯度达到99%,可直接排放至大气。     

SF_6混合气体及替代气体研究进展

SF_6气体性能优异,广泛用于电气设备中,但其温室效应严重,被列为国际上限制使用的气体之一。国内外研究人员寻求替代SF_6的环保气体,对SF_6混合气体及替代气体开展了大量研究,取得了较大的研究进展。分析了SF_6混合气体的绝缘、灭弧和理化特性及其分层分布特性,提出了混合气体检测、充气和回收等关键技术方案,表明SF_6混合气体具有推广应用价值。针对不含SF_6的替代气体,总结了CO_2、N_2和干燥空气等常规气体的特性及应用,探讨了新环保气体CF_3I、c-C_4F_8、C_5F_(10)O和C4F7N的研究现状及存在的问题,综述了新环保气体设计取得的进展,同时指出了环保绝缘气体设备面临的技术问题。最后,给出了环保气体未来的研究方向,包括推广SF_6混合气体设备,研制采用C5F_(10)O或C_4F_7N的更高电压等级电气设备,及采用理论化学计算方法设计性能优异的SF_6替代气体等,以期推动SF_6替代技术快速发展。     

稍不均匀场下CF_4/N_2混合物雷电冲击绝缘特性研究

减少SF_6温室气体的使用,对绿色电网有重要意义。目前对SF_6替代气体的研究主要集中在常温环境下,对能够在极寒地区使用的替代气体研究还不多。CF_4具有明显的电负性,同时液化温度较低。文中在稍不均匀电场下、正负两种极性雷电冲击作用下,研究了CF_4及其N_2混合物绝缘特性。研究结果表明:CF_4/N_2混合气体击穿电压随混合比增加有明显的饱和效应,20%混合气体具有较低液化温度和GWP指数,同时绝缘强度良好,具备在极寒地区使用的潜力;通过对混合气体的协同效应分析发现:CF_4/N_2混合气体协同效应随气压升高而变得明显,CF_4/N_2负极性雷电冲击条件下协同效应比正极性雷电冲击条件下为显著,协同系数小于0.4。