六氟化硫绝缘替代气体的构效关系与分子设计技术现状及发展

SF_6是一种全球变暖潜势最高的温室气体,寻找能够替代SF_6的新型绝缘气体是一项富有挑战性的研究课题。为了突破目前SF_6替代气体研究的实验与理论瓶颈,该文对环保绝缘气体的构效关系与分子设计研究进行了综述,着重阐述了国内外针对气体绝缘强度所建立的构效关系模型,详细分析各种模型的思想、方法、适用范围以及局限性。通过比较各种构效关系模型与分子设计技术的优缺点,提出基于量子化学的SF_6替代气体分子设计新方法,为推动新型替代气体在电气绝缘领域的发展与应用提供理论依据。     

SF_6替代气体研究现状综述

较高的温室效应使得六氟化硫(SF_6)在气体绝缘设备中的使用受到限制,国内外学者致力于寻找可以替代SF_6的环境友好型气体,并取得了相关的研究成果。常规气体、SF_6混合气体和电负性气体及其混合气体等多种气体作为绝缘或灭弧介质表现出不同的优势,同时也存在一些劣势。总结目前研究的主要替代气体及取得的进展,并从理化性质、绝缘性能、灭弧特性以及机理研究等方面进行详细的归纳总结,分析不同替代气体在工程应用上的适用范围和局限性。在现有研究的基础上分析SF_6替代气体当前的发展趋势和应用前景。     

SF6替代气体的分子构效关系研究进展

目前对SF6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SF6替代气体的分子设计与筛选提供方向,提高SF6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...     

替代SF_6的环保型绝缘气体研究进展与趋势

综述了近些年国内外替代SF_6的环保型绝缘气体的研究进展,阐述了单一绝缘气体和混合绝缘气体的研究现状。提出了替代气体理化、环保及电气特性的评价指标和方法,确定了评价指标的优先级。考虑到臭氧消耗效应,明确替代气体分子中应避免出现氯元素和溴元素。展望了SF_6替代气体的研究趋势,提出利用量子化学方法研究SF_6替代气体,需列入长期研究计划;同时,通过调控已有环保绝缘混合气体,以及设计满足环保气体绝缘要求的新结构是短期内解决SF_6替代问题的有效手段。     

关于SF_6混合绝缘气体几个重要问题的探讨

六氟化硫(SF_6)气体的温室效应及低温易液化的特性限制了它的应用。目前,SF_6混合绝缘气体(SF_6/N_2、SF_6/CF_4等)因其较低的液化温度及较好的电气性能,被认为是目前最具发展前景的替代介质,开始被应用于电气设备中。由于与纯SF_6气体在性质上有较大的区别,SF_6混合绝缘气体大规模推广应用之前,需要先研究解决许多关键的技术难题。文中对SF_6混合绝缘气体应用过程中混合气体水分、混合比、分层以及泄漏问题进行探讨,有助于SF_6混合绝缘气体的推广应用。     

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。     

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。     

SF_6混合绝缘气体电气设备中气体泄漏检测技术研究

《京都议定书》将SF_6气体列为限制排放的6种温室效应之一。为减少SF_6气体的使用量,采用SF_6/N_2和SF_6/CF_4混合绝缘气体作为SF_6替代气体是现实可行的,国内外已在部分设备中投入使用。目前,国内外关于SF_6混合绝缘气体电气设备泄漏检测技术的研究较少,现有SF_6检测技术能否直接应用于混合绝缘气体的检测是目前亟须解决的问题。文中以SF_6/N_2和SF_6/CF_4两种混合绝缘气体为试验对象,模拟不同混合比的混合绝缘气体在不同距离和风力等条件下的泄漏情况,利用红外成像仪等仪器进行检测,得出了仪器的检出限值,并提出检测的的最佳条件,证明SF_6泄漏检测技术可以应用于混合绝缘气体的现场检测,对于SF_6混合绝缘气体泄漏现场检测具有一定的指导意义。     

SF_6替代气体的研究进展综述

SF_6气体作为绝缘与灭弧介质广泛应用于电力设备中,但由于存在温室效应和液化温度高这两个严重的环境问题,几十年来国内外众多研究机构与学者针对该问题开展了大量的研究工作,取得了很多有价值的成果。从绝缘与灭弧等方面综述了国内外对SF_6替代气体的研究现状及进展情况,并着重介绍了目前该领域较为关注的几种气体,分别从单一常规气体、SF_6混合气体和CF_3I、c-C_4F_8、C_nF_(2n)O等环保气体3个方面展开讨论。基于目前的研究现状,分析了SF_6替代气体的研究中面临的主要问题,提出了气-固复合绝缘技术、新型环保气体分解和复合特性、散热性能、组分监测及补气策略等亟待研究的内容,旨在为我国SF_6替代气体的探索与新型环保电力设备的研究提供一定的参考与借鉴。     

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。     

绿色环保型气体绝缘材料研究进展

SF_6是中高压领域应用最广的气体绝缘与灭弧介质,但该气体是一种强温室气体,对环境存在严重威胁。长期以来,国内外在SF_6替代气体探索方面开展了大量研究工作,近期取得了许多积极进展。本文综述了SF_6替代气体的最新研究进展,重点介绍了SF_6替代气体的绝缘性能和灭弧性能研究情况,并在此基础上汇总了环保型中高压电力设备的研制与应用进展。最后,对该领域的现状与下一步的研究方向进行了探讨。     

新型环保绝缘气体的研究进展

随着全球能源互联网的不断发展,对于电力设备的小型化、智能化、环保清洁化要求越来越高。SF_6气体由于其具有良好的绝缘性能和灭弧性能被广泛地应用到气体绝缘全封闭组合电器(gas-insulated switchgear,GIS)和气体绝缘金属封闭输电线路(gas-insulated transmission lines,GIL)中,对于提高输电容量及电力设备的小型化、智能化具有重要作用,但是SF_6气体的排放会加剧全球温室效应。因此,研究能够有效替代SF_6的新型环保绝缘气体得到越来越多的关注。从绝缘性能和灭弧性能两方面介绍国内外对SF_6替代气体的研究现状及最新研究成果,旨在为我国在SF_6替代气体的研究方面提供一定的参考。     

SF_6绝缘电流互感器SF_6/N_2混合气体替代技术研究

SF_6绝缘电流互感器是广泛应用的电力设备,其气体用量巨大,是SF_6气体替代或减量应用的重要领域。为此,研究SF_6/N_2混合气体替代技术具有重要意义。文中提出了针对SF_6电流互感器进行混合气体改造的技术方案,并开展了理论分析、关键部件研制、绝缘性能试验和实际挂网运行校验,同时对该改造技术的可行性进行了探索。研究表明,两种气体混合比例(20%SF_6/80%N_2与30%SF_6/70%N_2)的电流互感器均通过了工频耐压试验和雷电冲击耐压试验,SF_6/N_2混合气体替代技术现场可行。文中研究成果对于SF_6/N_2混合气体绝缘电流互感器技术发展和推广具有重要意义。     

C_4F_8混合气体的应用研究

SF_6是气体绝缘金属封闭开关设备中最常用的绝缘气体,由于其属于高温室效应气体,近些年在全世界范围内已经逐步被限制使用。1997年美国国家标准和技术协会会议上把八氟环丁烷(C_4F_8)混合气体列为最有潜力的SF_6绝缘替代气体。本文用C_4F_8混合气体替代SF_6,通过调整N_2、N_2O和C_4F_8气体的混合比例,在12k V气体绝缘开关设备上进行绝缘和温升试验,试验结果与SF_6气体的绝缘和温升试验结果进行比较,结果表明:C4F_8混合气体在12k V气体绝缘开关设备上能够替代SF_6气体作为绝缘介质使用。     

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。     

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。     

六氟化硫替代气体研究进展综述

采用气体绝缘的电气设备,通常都使用六氟化硫(SF_6)气体作为绝缘介质。然而,SF_6是一种很强的温室气体,其对全球气候变暖的影响程度是二氧化碳(CO_2)的23900倍。随着全球范围对温室气体排放的管控日益严苛,SF_6存在的环境问题逐渐成为制约我国乃至全球电网绿色发展的重要因素。因此,寻找到电气性能与之相当且环境友好的SF_6替代气体成为近年来国内外研究的热点。本文从绝缘性能角度介绍了国内外SF_6替代气体的研究现状及最新的研究进展,为我国SF_6替代气体的研究工作提供有益的参考。     

SF_6/N_2混合气体用于GIS母线的研究与应用

GIS母线使用SF_6/N_2混合气体主要考虑气体的绝缘性能,已有研究成果表明,使用SF_6/N_2混合气体替代纯SF_6气体可显著降低SF_6使用量,在不降低绝缘性能的前提下减少温室气体使用量,但国内尚未在GIS上进行工程应用。国家电网公司响应国家节能减排号召,组织开展了SF_6/N_2混合气体用于GIS母线的研究工作,包括混合比、在运GIS母线替换为SF_6/N_2混合气体的适应性研究等,确定了SF_6/N_2混合气体GIS母线可采用统一的30%混合比,多个产品已通过型式试验和新产品技术鉴定,并在8座变电站开展了工程试用,为实现混合气体在GIS母线的推广应用奠定基础。     

330 kV SF_6/N_2混合气体介质绝缘母线的紧凑化设计

为实现气体绝缘变电站(gas insulated substation, GIS)母线小型化、紧凑化和环保化,开展了混合气体介质条件下330kV GIS母线紧凑化设计研究。首先根据小型化原则确定母线结构为三相共箱式,利用已有的SF_6/N_2混合气体研究结合工程应用试点经验,确定了SF_6/N_2混合气体的混合比,并提出了SF_6/N_2混合气体的绝缘击穿判据。在此基础上建立了考虑通流损耗、气体流动及重力等多物理场耦合的绝缘裕度计算模型。为了精确的求解,考虑了混合气体的协同效应对材料物性参数的影响,采用Aspen软件计算了混合气体物性参数并拟合出其随温度变化的规律。为得到最优紧凑化母线结构,定义了紧凑化系数,采用参数化设计的方法得到绝缘裕度随紧凑化系数的变化规律。研究结果表明,提出的紧凑化原则能有效指导共箱式母线尺寸设计,设计得到的SF_6/N_2混合气体介质条件下330kV三相共箱GIS母线在正常运行状态下的绝缘水平满足要求。最紧凑化尺寸下可将母线体积减小37%,SF_6气体用量减少80%。     

环保型绝缘气体的发展前景

阐述了气体绝缘发展的3个阶段,描述了环保型气体绝缘的研究现状。分析了绝缘气体的基本物理化学性能,分析了碳碳双键结构的气体提高气体的绝缘性能的影响机理,指出了卤族元素对气体电气强度影响的特性,提出了几种具有潜力替代SF_6的环保型绝缘气体。预测了环保型气体绝缘的发展前景,对两种目前最有有潜力取代SF_6的环保型气体c-C4F_8和CF_3I进行了的分析研究,提出了它们目前的应用可行性及适用范围,指出了进一步的研究方向。