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。     

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。     

c-C_4F_8/N_2混合气体稍不均匀电场下绝缘性能及放电分解产物的试验研究

SF6存在液化温度高和温室效应两大问题,电力行业发展急需新型环保气体。本文对cC_4F_8/N_2混合气体的绝缘性能进行了试验研究,测量了在稍不均匀电场中,不同气压强度以及混合比例条件下的工频交流击穿电压,结果表明,在实验条件范围内,击穿电压随着气压和c-C_4F_8占比的上升而上升;将实验结果与SF6比较发现c-C_4F_8/N_2混合气体具备和SF6相当的绝缘性能。此外,本文还对混合气体击穿后的气体进行了检测,发现了分解产物C_2F_4。本文为今后c-C_4F_8/N_2混合气体在电力行业中的实际应用提供了参考。     

c-C_4F_8在球板电极下的绝缘性能和绝缘子沿面闪络特性研究

文中从c-C_4F_8的绝缘性能和绝缘子沿面闪络特性角度出发,进行了球板电极下对c-C_4F_8的工频击穿实验和雷电冲击实验,以及常压下绝缘子的沿面闪络击穿实验。同时进行了SF_6、N_2和CO_2的对比实验。实验结果表明,对于气隙击穿的工频耐压实验和雷电冲击实验,c-C_4F_8的击穿电压值都随着间隙距离的升高而增加,并呈线性趋势;在稍不均匀电场中,c-C_4F_8的绝缘性能约为SF_6的1.4倍;c-C_4F_8中绝缘子的闪络电压明显大于SF_6。从绝缘性能的角度来看,c-C_4F_8在某些条件下可以作为SF_6的一种替代气体,用在电力设备中。     

CF3I-CO2混合气体在针板电极下局部放电绝缘特性实验研究

由于SF6气体严重的温室效应影响,减少或杜绝SF6气体的使用已经达成共识,有关SF6替代气体的研究围绕一种电负性气体和缓冲气体的混合气体展开。本文在针板电极下通过工频实验同时测量了CF3I-CO2的局部放电起始电压和击穿电压,讨论了混合比、压强对混合气体局部放电性能的影响,并与SF6-CO2混合气体的局部放电起始电压进行比较。实验结果表明:一个大气压下,纯CF3I的击穿电压是SF6的1.2倍;CF3I-CO2的局部放电起始电压是SF6-CO2的0.9～1.1倍,同时,CF3I气体与CO2气体具有很好的协同效应,协同效应值为0.53;CF3I-CO2(30%-70%)混合气体的局部放电能力是纯SF6的0.74倍。因此,从局部放电性能的角度来看,CF3I-CO2(30%-70%)混合气体有可能替代SF6气体用在气体绝缘设备中。     

C_4F_8/N_2混合气体局部放电特性实验研究

由于SF6气体的温室效应,减少或杜绝SF6气体的使用已成为共识。从局部放电(partial discharge,PD)性能的角度探讨了用C4F8/N2混合气体代替SF6气体用于气体绝缘设备的可行性。通过试验测量C4F8/N2混合气体在不同气压、不同混合比、不同电极距离情形下的局部放电起始电压,得到了这3种因素对混合气体局部放电性能的影响,并与纯SF6气体的局部放电起始电压做了对比。结果表明:纯C4F8气体的局部放电起始电压是纯SF6气体的1.3倍左右;C4F8气体与N2气体具有协同效应,协同系数在0.45左右;C4F8/N2混合气体的局部放电能力与同混合比的SF6/N2混合气体的相似。因此,综合考虑液化温度、环境影响、局部放电性能后,C4F8气体含量在10%～20%的C4F8/N2混合气体有可能替代SF6气体用于气体绝缘设备。     

工频交流电压下C_6F_(12)O与N_2混合气体的击穿特性和分解特性

探索了新型环保绝缘气体C_6F_(12)O与N_2混合气体在交流电压下的击穿特性和分解特性。讨论了C_6F_(12)O与N_2在设备中使用的混合比,并在工频交流平台下进行击穿实验,探究C_6F_(12)O与N_2混合气体在准均匀场下的击穿性能并与SF6混合气体进行比较。对3%C_6F_(12)O与N_2混合气体进行100次击穿实验后采用GC-MS定性检测混合气体击穿后的分解产物,最后采用密度泛函理论计算分解产物的生成过程,分析温度对生成能量的影响并计算分解产物分子轨道间隙。实验结果表明:在0.10MPa下3%C_6F_(12)O与N_2混合气体的击穿电压约为纯N_2的1.7倍,与10%SF6与N_2混合气体的击穿电压相当。击穿后检测到的分解产物主要为CF_4、C_2F_6、C3F6、C_3F_8、C_4F_(10)和C_5F_(12)。计算表明:生成主要分解产物的反应能量随着温度升高呈现不同的变化趋势,且分解产物的分子轨道间隙值由大到小的排序依次为CF_4,C_2F_6,C_3F_8,C_4F_(10),C_5F_(12),C_3F_6。CF_4分子的轨道间隙值最大,约为12.590 eV。     

c-C_4F_8和C_5F_(10)O应用于气体绝缘输电线路的温升特性分析

利用有限元方法建立气体绝缘输电管道电-热-流体数值计算模型,模拟采用c-C_4F_8/CO_2和C_5F_(10)O/空气混合气体的管道温度分布,分析c-C_4F_8、C_5F_(10)O含量和气体压力对管道传热的影响。结果表明:主绝缘气体含量相同时,c-C_4F_8/CO_2混合气体的传热性能优于C_5F_(10)O/空气混合气体。提升主绝缘气体含量、升高气体压力均有利于提高混合气体的传热性能。当c-C_4F_8的体积分数为20%时,c-C_4F_8/CO_2混合气体的传热性能与SF6最接近,可在较大载流容量气体绝缘输电设备上作为替代气体。     

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。     

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。     

c-C4F8/CO2混合气体的绝缘子沿面闪络性能研究

对c-C_4F_8/CO_2混合气体的绝缘子沿面闪络性能展开研究,得到了在不同气压、不同电压类型下不同混合比例的c-C_4F_8/CO_2的沿面闪络电压,与CO_2和SF_6的沿面闪络电压进行对比,并观测实验后的绝缘子。结果表明:在工频电压和雷电冲击电压下,c-C_4F_8含量和气压是影响c-C_4F_8/CO_2沿面闪络性能的重要因素;在0.10MPa下,c-C_4F_8含量为30%的c-C_4F_8/CO_2的沿面闪络电压为SF_6的80%;在0.30 MPa下,30%含量的c-C_4F_8/CO_2沿面闪络电压约为0.10 MPa下SF_6的1.4倍,但多次实验之后绝缘子出现损坏。     

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。     

改进的击穿模型研究c-C4F8/N2混合气体绝缘性能

从绝缘强度和温室效应指数两方面研究了八氟环丁烷(c-C4F8)混合气体的绝缘性能.建立了改进的c-C4F8及混合气体的电击穿模型,理论计算c-C4F8混合气体在不同气压、不同混合比及不同电极距离下的击穿电压,并与SF6/N2混合气体在相同条件下进行了对比.研究结果表明:理论计算与实验结果相吻合.气体混合比在30%之内时,c-C4F8/N2混合气体绝缘强度非常接近相同混合比的SF6/N2混合气体.综合考虑温室效应指数和绝缘性能,c-C4F8混合气体中,c-C4F8气体含量以10%～20%为宜.     

环保型C_4F_7N/CO_2混合气体在极不均匀电场下的雷电冲击绝缘特性

C_4F_7N/CO_2混合气体作为最新一代的环保型绝缘气体,具有优良的电气性能和低温室效应潜能值,有极大的替代SF_6的应用前景。目前,国内外的相关研究才刚刚起步。使用针–板电极模拟极不均匀电场,实验研究C_4F_7N/CO_2混合气体的雷电冲击击穿特性,分析气压、间距、混合比例等因素对混合气体绝缘特性的影响及其极性效应,并与相同条件下纯SF_6进行对比。结果表明:极不均匀电场中,C4F7N混合比5%～10%的C_4F_7N/CO_2混合气体正极性雷电击穿电压随气压的升高呈现明显饱和趋势,存在显著的"驼峰"现象,而负极性时击穿电压在较高气压时才逐渐趋于饱和;混合比为5%的C_4F_7N/CO_2混合气体正极性雷电击穿电压最高能够达到相同条件下SF_6的0.8倍,混合比为10%时最高可达相同条件下SF_6的0.9倍,负极性时C_4F_7N/CO_2混合气体相对SF_6绝缘强度略低于正极性;极不均匀电场中,C_4F_7N/CO_2混合气体雷电击穿电压存在明显的极性效应和极性反转现象,总体上负极性击穿电压显著高于正极性,仅在较低气压时正极性稍高。研究结果表明,C_4F_7N/CO_2混合气体非常有潜力替代SF_6。     

CF3I/N2混合气体局部放电特性实验研究

CF3I气体是SF6气体的一种可能替代,然而其较高的液化温度使其难以用在气体绝缘设备中。为此,将CF3I气体和氮气混合,通过实验研究了压强、电负性气体(CF3I或SF6气体)与混合气体的气压比值(混合比)、电极距离3个因素对CF3I/N2混合气体局部放电起始电压的影响,并与相同情况下SF6/N2混合气体的局部放电起始电压进行了对比。实验结果表明:随着混合比和电极距离的增大,CF3I/N2混合气体与SF6/N2混合气体局放起始电压的比值呈现增长趋势;气压的变化对2种混合气体局放起始电压的影响大致相同;N2能较大程度地改善纯CF3I气体对不均匀电场的敏感程度,且N2体积分数为20%的CF3I/N2混合气体液化温度为-22.35～-18.35°C,其局放起始电压为纯SF6气体的0.7倍左右。因此从局放特性角度看,混合比为20%的CF3I/N2混合气体有可能代替SF6气体被用于气体绝缘设备。     

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。     

雷电冲击下极不均匀电场中SF_6/N_2混合气体的协同现象EI北大核心CSCD

近年来在气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中开始逐步使用低SF6混合比的SF6/N2混合气体作为绝缘介质,用以替代纯SF6气体。为了在电力设备中更好地应用SF6/N2混合气体,在极不均匀电场、正负两种极性雷电冲击(LI)下,通过实验分析研究了较低SF6混合比的SF6/N2混合气体的放电特性与协同现象,并在负极性雷电冲击下发现了反常的负协同效应。研究发现:负极性雷电冲击下,N2的击穿电压随气压的升高趋势显著高于SF6与SF6/N2混合气体,当气压超过0.3 MPa后,N2的击穿电压明显高于SF6/N2混合气体,甚至在0.5 MPa时超过了纯SF6的击穿电压,即出现了显著的负协同效应,且随着气压的升高,负协同效应明显增强;正极性下仍存在一定的协同效应,但协同效应随着气压降低而减弱,当气压低至0.2 MPa,亦出现了负协同效应。     

高气压下O2对C4F7N/N2混合气体绝缘性能和分解特性的影响

由于SF_6的大量使用对环境产生的影响巨大,因此替代气体的研究受到了广泛关注。C_4F_7N混合气体具有优良的绝缘性能和环保特性,有望替代SF_6作为绝缘介质应用于气体绝缘设备中。为了减少放电过程中产生的有害固体副产物,需要在C_4F_7N/N_2混合气体中加入一定体积分数的O_2。文中探究了C_4F_7N/N_2/O_2混合气体应用于高气压电气设备的潜力,利用气体绝缘试验平台对0.6 MPa下含不同体积分数氧气的C_4F_7N/N_2/O_2混合气体开展击穿试验,同时利用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)分析混合气体击穿后的分解产物及体积分数。研究发现在C_4F_7N/N_2混合气体中加入一定量的O_2可以提高混合气体在高气压下的绝缘自恢复性能,混合气体多次击穿后分解的主要产物有CF_4、C_2F_6、C_3F_(6、)C_3F_8、CF_3CN、C_2F_5CN、CO、COF_2、C_2N_2等,这些产物的体积分数随氧气体积分数的增加均呈先增加后减少的趋势。综合考虑O_2的添加量对C_4F_7N/N_2混合气体绝缘性能的影响和放电分解后产物的绝缘性能及毒性,C_4F_7N/N_2/O_2混合气体应用于高气压电气设备时,O_2的添加量为6%比较适合。     

雷电冲击下极不均匀电场中SF_6/N_2混合气体的协同现象

近年来在气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中开始逐步使用低SF6混合比的SF6/N2混合气体作为绝缘介质,用以替代纯SF6气体。为了在电力设备中更好地应用SF6/N2混合气体,在极不均匀电场、正负两种极性雷电冲击(LI)下,通过实验分析研究了较低SF6混合比的SF6/N2混合气体的放电特性与协同现象,并在负极性雷电冲击下发现了反常的负协同效应。研究发现:负极性雷电冲击下,N2的击穿电压随气压的升高趋势显著高于SF6与SF6/N2混合气体,当气压超过0.3 MPa后,N2的击穿电压明显高于SF6/N2混合气体,甚至在0.5 MPa时超过了纯SF6的击穿电压,即出现了显著的负协同效应,且随着气压的升高,负协同效应明显增强;正极性下仍存在一定的协同效应,但协同效应随着气压降低而减弱,当气压低至0.2 MPa,亦出现了负协同效应。