热态CO_2及其与O_2混合气体热动属性及电击穿特性的计算分析

CO2是一种有潜力的SF6的替代气体,研究纯CO2以及CO2/O2混合气体的临界击穿场强对于进一步研究其绝缘和灭弧性能有重要意义。为此,给出了不同压力下,纯CO2以及不同混合比例CO2/O2混合气体电弧等离子体的平衡态化学组成及体积分数90%CO2-10%O2混合气体的热动属性。通过求解两项近似的Boltzmann方程,得到0.4 MPa下,不同混合比例的CO2/O2混合气体,300~3500K温度范围内的折合临界击穿场强(E/N)cr。结果表明:体积分数50%CO2-50%O2混合气体的(E/N)cr在2 000 K以下远高于体积分数90%CO2-10%O2混合气体;50%CO2-50%O2的混合气体(E/N)cr受温度影响较小;当温度高于2 000 K时,90%CO2-10%O2混合气体的(E/N)cr随温度升高迅速增大。     

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。     

热态SF_6介质击穿特性研究

采用质量作用定律法计算压强0.1~2.0 MPa、温度40 000 K到300 K下SF_6等离子体组分体积分数,分析热态SF_6介质(3 500 K到300 K)的成分构成及其变化过程。采用两项近似法求解玻尔兹曼方程,计算不同折合电场下热态SF_6介质中电子能量分布函数,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,得到热态SF_6介质的折合击穿场强,通过300 K下SF_6气体击穿场强实验值验证了计算方法的准确性。研究表明:弧后热态SF_6介质绝缘强度恢复过程中,温度下降到3 500 K到2 300 K时,热态SF_6介质主要成分为绝缘能力较低的F、S、S2、F2,折合击穿场强值在30 Td(1 Td=1×10-21Vm2)左右;温度下降到2 300 K到1 500 K时,分解物迅速复合为绝缘性能优异的SF_6,折合击穿场强急剧上升至355 Td附近。研究结果可为揭示热态SF_6介质绝缘强度恢复机理,解决高压SF_6断路器弧后重击穿导致开断失败等问题奠定理论基础。     

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。     

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。     

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。     

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。     

高压SF_6/N_2混合气体断路器冷态介质恢复特性计算分析

基于N-S方程与拉氏方程对空载SF_6/N_2混合气体断路器灭弧室内的气流场和电场建立数学模型,计算断路器开断过程的气流特性和电场分布,分析混合比对触头间介质强度薄弱区域的气流特性影响。提出SF_6/N_2混合气体的击穿判据,计算不同SF_6/N_2混合比、开断速度及充气压力的介质恢复强度,研究断路器重击穿现象,结合SF_6/N_2混合气体液化温度、全球变暖潜能值,提出适用于断路器空载操作要求的SF_6/N_2配比方案。计算结果表明:在开断过程气流特性的作用下,介质恢复强度曲线呈现随开距增加先上升后下降,再继续升高的趋势。当灭弧室内触头间开距为14mm时,20%SF_6/80%N_2和80%SF_6/20%N_2的介质恢复强度分别是纯SF_6的54.5%和91.5%;对于不同比例的SF_6/N_2混合气体,相同时间内开断速度9.6m/s与4.8m/s相比,介质恢复强度的增长速率明显加快;开距14mm时,60%SF_6/40%N_2在充气压力0.7MPa下的介质恢复强度是0.9MPa下的77.8%。考虑液化和温室效应问题,当灭弧室压力0.7MPa、开断速度9.6m/s时,SF_6/N_2的最佳混合比为60%:40%。     

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。     

C_4F_7N混合气体电弧等离子体热力学参数计算

为探究新型环保绝缘气体C_4F_7N与不同缓冲气体的灭弧性能,理论计算了300～30 000 K温度范围内、不同气压条件下(0.01、0.1、0.3、0.5和1 MPa)、不同混合比例(摩尔分数)下C_4F_7N/CO_2、N_2和空气混合气体平衡组分和热力学参数。假设电弧等离子体处于局部热力学平衡态,基于系统吉布斯自由能最小原理计算得到了粒子平衡组分;利用统计热物理的方法计算了混合气体的热力学参数;并将混合气体电弧等离子体热力学特性计算结果和SF_6等气体进行了分析比较。结果表明:CO_2、N_2和空气的分解温度以及组成元素的差异,导致不同混合气体的热力学参数存在较大差异;相同条件下,与N_2和空气相比,CO_2作为缓冲气体具有更强的径向换热能力。因此,3种混合气体之中C_4F_7N/CO_2混合气体具有更强的热开断能力。     

SF_6混合气体灭弧介质的选择

首先考察了16种常用气体构成的SF_6混合气体。通过分析其液化温度、介电强度、电弧产物的毒性及腐蚀性、热物理性质和传输特性以及价格成本,认为SF_6/N_2混合气体可以代替纯SF_6做为GCB(气体断路器)在低温环境下的灭弧介质。之后,研究了SF_6/N_2的开断特性。研究结果证明,SF_6/N_2混合气体具有较好的开断特性。     

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。     

PTFE蒸气对热态SF_6气体电击穿特性的影响

PTFE蒸气对SF_6断路器的开断特性有重要影响。为此研究了压力范围0.01~1.6 MPa、温度范围300~3 500K内PTFE蒸气对热态SF_6气体电击穿特性的影响。基于Gibbs自由能最小化的方法计算了不同混合比例和压力下SF_6与PTFE蒸气混合气体的平衡态化学组成随温度的变化;接着利用Boltzmann解析法计算分析了混合气体中电离与吸附反应系数随混合比例、温度、压力等因素的变化规律;然后通过混合气体在折合电场作用下自由电子产生与消失达到平衡的条件,确定了SF_6-PTFE混合气体的临界折合击穿场强随温度、压力、混合比例的定量关系。结果表明:在较低温度范围内,纯SF_6气体的电击穿特性明显优于SF_6-PTFE混合气体,然而在较高温度范围内,SF_6-PTFE混合气体的临界折合击穿场强高于纯SF_6气体。此外,提高压力能够将临界折合击穿场强随温度的变化推移至更高的温度范围。     

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。     

SF_6/N_2混合气体微观电弧特性研究

氮气(N_2)易获取、无污染、在不均匀电场下有很高的稳定性等特点,采用SF_6/N_2混合气体替代有强温室效应的六氟化硫(SF_6)气体逐渐成为研究的热点,并且在部分电气设备中已经有所应用。本文以气体动力学方程为基础,考虑了带电粒子的碰撞,仿真得到SF_6/N_2混合气体电弧形成过程及其中微观电子密度的时变规律,并分析了混合气体组分对电弧形成过程的影响,从微观上加深了对SF_6/N_2混合气体特性的认识。     

SF_6/N_2混合气体在高温下的平衡成分及其输运特性的计算

本文首先在电器开关电弧的温度范围(1000～30000K)计算了各不同种配比和气压条件下SF_6(N_2混合气体的平衡成分。其次,在以上平衡成分计算的基础上,计算了SF_6/N_2混合气体的输运特性:热导率和电导率随温度变化的特性。     

C_5F_(10)O-CO_2和C_5F_(10)O-N_2电弧等离子体热动属性与输运参数对比分析

C_5F_(10)O及其混合气体为潜在的SF_6替代气体,研究其热动属性与输运参数特性对于进一步研究其灭弧性能和掌握气体性质具有重要意义。由于C_5F_(10)O的液化温度较高,需要添加缓冲气体,为此计算对比C_5F_(10)O分别与CO_2和N_2混合气体电弧等离子体的热动属性与输运参数。首先计算300~30 000 K温度范围内两种混合气体的平衡态化学组成;在此基础上,对比分析了两种混合气体电弧等离子体的热动属性(质量密度、比焓、比热),以及输运参数(电导率、热导率、黏性系数)的变化规律。结果表明,N_2和CO_2气体的分解温度及组成元素的差异,导致C_5F_(10)O-N_2和C_5F_(10)O-CO_2在该温度范围内的化学组成、热动属性和输运参数存在较大差异,此差异会影响气体电弧特性。此外,计算结果可为进一步研究C_5F_(10)O混合气体电弧特性及灭弧性能提供基础,同时有助于理解不同气体的灭弧性能差异及原因。     

热态C5F10O/CO2混合气体电击穿特性研究

热态气体的临界击穿场强是评估高压断路器弧后电击穿特性的基础数据,文中研究了C5F10O/CO2混合气体在C5F10O混合比例k=0～10%、压强0.1～2.0 MPa、温度300～4 000 K范围内的临界击穿场强。基于质量作用定律数学模型,得到不同温度下混合气体的平衡组分,采用两项近似方法求解玻尔兹曼方程,分析混合气体的电子能量分布函数、折合电离和吸附系数,获得混合气体的临界折合击穿场强和临界击穿场强。结果表明：0.6 MPa下,温度低于3 000 K时,随着温度降低,k=0～10%混合气体的临界击穿场逐渐低于SF6;在温度高于3 000 K时,混合气体的临界击穿场强为SF6的1.2倍以上,具有较强的绝缘能力。研究结果可为C5F10O/CO2混合气体高压断路器弧后电击穿特性研究提供参考。     

热态SF6/CF4击穿特性研究

热态介质折合临界击穿场强是判断开关设备弧后介质是否发生重击穿的依据,获取热态SF6/CF4的折合临界击穿场强,对于评估和优化SF6/CF4高压开关设备开断特性具有重要意义.文中采用质量作用定律计算压强为0.1～1.6 MPa下SF6/CF4等离子体粒子组分含量,分析300～4000 K温度范围内混合气体50％SF6/5...