热态SF_6/N_2混合气体击穿特性研究

研究了热态SF_6/N_2混合气体的电击穿特性。在局部热力学和化学平衡假设下,采用质量作用定律法,计算压强0.01～2.00 MPa、温度300～4 000 K范围内的SF_6/N_2电弧等离子体各组分的摩尔分数,分析电弧熄灭过程热态SF_6/N_2电弧等离子体各粒子组分随温度和压强的变化过程。采用两项近似方法求解玻尔兹曼方程,得到了不同折合电场下热态SF_6/N_2混合气体的电子能量分布函数,分析不同碰撞过程中各微观粒子的折合电离系数和折合吸附系数,得到了热态SF_6/N_2混合气体的折合击穿场强(E/N)_(cr)。研究表明:SF_6/N_2混合气体的折合击穿场强(E/N)_(cr)随着电弧等离子体温度的降低而增大,其增大的速率主要与混合气体中SF_6的分解复合特性有关,增大气压可有效抑制SF_6在高温下的分解速度,加速电弧等离子体各粒子的复合过程,从而提高SF_6/N_2混合气体的(E/N)_(cr);40%SF_6/60%N_2和30%SF_6/70%N_2混合气体在2 000～3 500 K高温范围内的(E/N)_(cr)分别至少高出相同条件下纯SF_63 Td和6 Td;2 000 K温度以下,随着SF_6的大量复合,混合气体折合击穿场强(E/N)_(cr)快速增强,SF_6含量越多增强速率越大,但仍低于相同条件下纯SF_6的(E/N)_(cr)。研究结果可为解决高压SF_6/N_2混合气体断路器弧后重击穿导致开断失败等问题奠定理论基础。     

SF_6-He和SF_6-Ne的耐电强度及其比较

在E/p 值为7.52～94.0kV(/mm·MPa)的较大范围内,采用稳态汤逊法(SST)测量了SF_6-He和SF_6-Ne的电离系数α和吸附系数η,求出了在各混合比下的SF_6-He、SF_6-Ne的临界耐电强度值(E/p)_(lim),并分析了两种混合气体的绝缘特性.     

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。     

密闭空间中温度对SF_6/N_2混合气体工频击穿电压的影响规律

气体绝缘组合电器会遇到不同的环境温度,为优化SF_6/N_2混合气体设备的设计,研究SF_6/N_2混合气体在工频电压下的击穿电压随温度的变化规律,并分析温度对气体绝缘性能的影响机理。首先分析SF6气体中的电子崩发展过程,发现温度降低导致SF6的附着反应减弱,从而降低其绝缘性能。为验证理论分析,通过试验得到-50℃、-35℃、-18℃、20℃四个温度下,稍不均匀和极不均匀电场中SF_6/N_2混合气体的工频击穿电压。发现在稍不均匀电场中,从20℃降低到-50℃时,SF_6/N_2混合气体的击穿电压降低约10%,在极不均匀电场中降低约12%。与SF_6的试验结果对比发现,稍不均匀电场中SF6的击穿电压随温度下降更显著,但极不均匀电场中SF_6/N_2混合气体的击穿电压随温度下降更明显。考虑导体温升,进一步对比了100℃高温下的情况,发现在-50℃至100℃温度范围内,SF_6/N_2混合气体的工频击穿电压随温度升高呈非线性增大趋势,试验现象验证了理论分析。为补偿极寒条件下SF_6/N_2混合气体的绝缘性能,应适当提高混合气体充气密度或提高SF_6比例。     

SF_6/N_2混合气体用于GIS可能性探讨

本文给出SF_6/N_2和SF_6/CO_2混合气体的相对耐电强度的实验数据。实验表明,电极表面粗糙但无突出物时,SF_6/N_2优于SF_6/CO_2。50/50的SF_6/N_2混合气体的相对耐电强度可按0.9估算。     

低温下SF_6/N_2混合气体的雷电冲击绝缘特性

SF_6/N_2混合气体作为绝缘介质在不要求灭弧性能的设备内可部分替代SF6,因此以SF_6/N_2混合气体为例,研究了低温对SF_6/N_2混合气体绝缘性能的影响,通过击穿试验得到了其在-35℃、-18℃和7℃三个温度点下的雷电冲击绝缘强度。试验采用铝质球–板和棒–板电极分别模拟稍不均匀电场和极不均匀电场,得到了SF_6/N_2与纯SF6气体击穿电压的极性效应以及电场敏感系数,结果发现:在正极性电压下,0.7 MPa含体积分数20%SF6的SF_6/N_2混合气体的电场敏感系数低于0.4 MPa纯SF6的,负极性电压下两者对不均匀电场的敏感程度相当。实际气体的温度–压力特性偏离理想气体状态方程,且温度越低偏差越大;得到了0.7 MPa含20%SF6的SF_6/N_2混合气体的压缩因子,发现当温度从0℃下降到-35℃时,压缩因子随温度降低而线性增大。     

SF_6/N_2混合气体放电过程的PIC/MCC仿真模拟

为了研究SF_6/N_2混合气体中圆柱形绝缘子的放电过程,采用粒子网格法(PIC法)与蒙特卡罗碰撞模型(MCC模型)相结合的方法 (PIC/MCC法)仿真模拟了放电过程中带电粒子的运动轨迹,同时充分考虑了电子与SF_6分子及N_2分子的各种电离碰撞过程以及复合过程。仿真结果表明:放电过程中,电子主要与SF_6分子发生电离碰撞过程以及复合过程。放电过程初始阶段,空间电子数呈现出上下波动的规律,当t≥20 ns时,空间电子数将迅速减少直至完全复合。此外,在整个放电过程中,正离子分布范围始终大于负离子分布范围。PIC/MCC仿真模拟从纯微观角度展现了SF_6/N_2混合气体放电过程,对研究SF_6/N_2混合气体放电过程具有重要意义。     

短间隙SF_6/N_2混合气体放电的光谱实验研究

SF_6气体具有较高的温室效应,减少SF_6气体的使用量已达成共识。笔者从SF_6混合气体的角度,对短间隙SF_6/N_2混合气体完全击穿时的光谱特性开展研究。采用光谱仪测量压强0.1~0.4 MPa、电极间距2~12 mm时SF_6及SF_6/N2混合气体完全击穿时的电子温度、电子数密度等参数,从微观和宏观相结合的角度研究混合气体放电时形成等离子体通道的物理特性。研究结果表明:0.1~0.4 MPa下随着气体压强的升高SF_6气体完全击穿时的电子温度由6.06×10~4 K下降到2.67×10~4 K,电子密度由3.15×10~(17) m~(-3)增大到6.91×1017 m~(-3);0.1 MPa下随着SF_6混合比的升高混合气体完全击穿时的电子温度由N_2时的1.17×10~4 K上升到SF_6时的6.06×104 K,电子数密度由N_2时的5.94×1017 m~(-3)下降到SF_6时的3.15×10~(17) m~(-3)。     

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。     

SF_6/N_2混合气体电击穿特性仿真及实验

通过求解两项近似Boltzmann方程,得到SF_6/N_2的放电参数,并将该参数引入流体模型。结合有限元法和通量校正传输法对SF_6/N_2的流注放电过程进行循环迭代求解,计算其击穿电压。以均匀电场中压强0.1~0.6MPa、间隙5mm为例进行数值模拟,通过气体放电实验对计算结果进行验证。根据计算及实验结果得到不同混合比、压强下SF_6/N_2的协同效应系数,分析采用上述计算方法研究混合气体协同效应的准确性。为更全面地反映混合气体应用条件,进一步开展压强低于0.1MPa的SF_6/N_2击穿特性实验研究。研究表明:随着电子崩不断向前发展,放电间隙的空间电子数密度快速增长,SF_6放电过程中的空间电子数密度增长速度低于SF_6/N_2。0.1MPa下20%SF_6/80%N_2放电5ns时的电子数密度峰值达到4.6×1014m~(-3),而SF_6中该值仅为3.7×1012m~(-3)。当气压为0.1~0.6MPa时,SF_6/N_2击穿电压计算值与实测值的最大误差为9.23%,协同效应系数计算值随压强、混合比的变化趋势与实验结果相符,误差均值为5%。0.02~0.08MPa下SF_6/N2击穿电压、协同效应系数随压强、混合比的变化趋势与0.1~0.6MPa下的基本相同。     

含SF_6及N_2、CO_2、CCl_2F_2、CCl_4二元三元混合气体电击穿特性的试验研究

本文研究了含SF_6及N_2、CO_2,CCl_2F_2、CCl_4二元三元混合气体的电击穿特性。研究结果表明:二元混合气体SF_6/N_2、SF_6/CO_2中SF_6含量(50—60)％时,其耐电强度可达SF_6的85％以上;上述二元混合气体中加入适量CCl_2F_2,可以提高其耐电强度,甚至可接近SF_6的耐电强度并维持低价格。     

同轴场中SF_6及SF_6/N_2混合气体交流击穿特性及导电微粒的影响

本文介绍了在φ80/230同轴电场中SF_6和SF_6/N_2的绝缘特性,导电微粒杂质的运动特性和它对SF_6、SF_6/N_2混合气体击穿特性的影响;还介绍了气压和微粒尺寸、形状、材质对这些特性的影响,指出SF_6/N_2代替SF_6在工程上应用以含50～60%的SF_6为宜。     

基于Boltzmann方程的C_3F_8及C_3F_8-N_2混合气体绝缘性能

为研究一种替代SF_6的气体绝缘介质,通过采用基于稳态汤逊(SST)法的两项近似Boltzmann方程对300 K下C_3F_8及其混合气体的绝缘特性进行了研究。由于C3F8的电子碰撞截面不完全,提出了一组新的C_3F_8气体电子碰撞截面,运用此组碰撞截面对纯C3F8的约化电离系数α/N、约化吸附系数η/N、约化有效电离系数(α-η)/N和电子漂移速度ve进行了仿真计算,并与其他文献的实验结果进行了对比。进而计算出了不同比例下C3F8-N_2混合气体的(α-η)/N、ve,并得到了不同比例下C_3F_8-N_2混合气体的约化临界击穿场强(E/N)lim。结果表明,C3F8的(E/N)lim为SF6的0.93倍,其绝缘性能与SF_6相当,因此具有很大的潜力作为SF_6的替代气体应用于中低压气体绝缘开关柜(C-GIS)中。     

温度变化对SF_6/N_2混合气体放电特性的影响

不同温度下SF_6/N_2混合气体的周围离子平均自由行程和热运动速度不同,使SF_6/N_2混合气体放电过程呈现不同特性。为此,在极不均匀电场、雷电冲击电压下研究了温度对SF_6/N_2混合气体放电特性的影响。在正负极性的雷电冲击电压下分别测量冲击击穿电压和预放电电流波形,并分析了不同温度下SF_6/N_2混合气体的预放电现象、步长时间、电晕起始场强及击穿场强。此时试验温度范围设为-20~20℃。结果表明:步长时间、电晕起始场强、击穿场强呈现较大的随机性。负极性雷电冲击电压下步长时间均长于正极性雷电冲击电压下步长时间。负极性冲击电压下10%SF_6-90%N_2混合气体的电晕起始场强和击穿场强随着温度升高而增高。本研究结果对柜式气体绝缘开关设备和气体绝缘金属封闭输电线路设计具有一定的研究意义。     

SF6/N2混合气体的工频击穿特性研究

通过理论分析对SF_6/N_2混合气体的工频击穿特性进行了研究,得出SF_6/N_2混合气体中SF_6气体的最优比例是20%～30%,同时在其他条件不变的情况下将混合气体压力提高至1.4倍即可具备与纯SF_6气体相同的工频击穿电压。试验结果也验证了分析结论的正确性,表明SF_6/N_2混合气体代替纯SF_6气体作为绝缘介质是完全可行的。     

SF_6/N_2混合气体1100 kV GIL产品研制及应用

1 100 kV气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中SF_6使用量较大,由于SF_6气体具有很大的温室效应,因此,采用SF6/N2混合气体作为绝缘介质以减少SF6气体的使用量具有重要的社会意义。通过研究SF_6/N_2混合气体的绝缘、温升等特性,提出了适用于1 100 kV GIL的SF_6/N_2混合气体压力及混合比,研制了1 100 kV GIL样机,并进行了绝缘、温升试验研究,试验结果与仿真一致:混合气体压力不变的条件下,气体的绝缘强度随SF_6比例的增加而增大,GIL导体、触指温升随SF_6比例的增加而降低,壳体温升与混合气体中SF_6比例的关系不大;在相同绝缘耐受场强条件下,SF6/N_2混合气体压力与纯SF_6气体压力成正相关关系,且混合气体中SF_6比例越低,气体压力增加的幅度越大。研制的SF6/N_2混合气体绝缘1 100 kV GIL样机通过型式试验及长期带电运行试验,验证了产品长期带电运行的可靠性。     

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。     

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。     

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。