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。     

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。     

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...     

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。     

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。     

非平衡态SF_6等离子体弛豫特性研究

从等离子体动力学的角度出发,求解描述带电粒子碰撞过程的Fokker-Planck动力学方程,计算非平衡态下SF_6等离子体中电子的慢化频率、偏转频率、平行扩散频率和动能交换频率,分析了电子速度减慢、动能耗散以及电子与重粒子间动能传递的能力;求解粒子间能量变化率,得到电子-电子、电子-重粒子、重粒子-重粒子间通过碰撞达到温度平衡所用的时间。研究结果表明:SF_6等离子体由非平衡态向平衡态过渡所需的时间应该采用电子-重粒子间的温度平衡时间表征,压强0.1~2.0 MPa下,当SF_6气体处于绝缘介质和导电通道临界状态时(等离子体温度3 500~4 000 K),SF_6等离子体由非平衡态过渡到平衡态所用的时间在9.5~535.9μs;高压SF_6断路器介质恢复(热恢复过程持续时间10μs左右)和隔离开关多次重燃(单次燃弧持续时间小于10μs)等过程中的非平衡态SF_6等离子体很难过渡到平衡态。     

SF_6电弧等离子体平衡成份计算及其光谱特性

本文计算了SF_6电弧等离子体的平衡成份,温度范围为5000K—30000K,气压为0.2MPa。考虑到等离子体中的主要组成为SF_6、SF_4、SF_2、S_2、F_2、S、F、S~+、F~+、F~-、e,在计算过程中仅考虑一次电离。在SF_6电弧等离子体平衡成份的计算基础上,本文计算了一些SF_6等离子体光谱分析中常选用的几条谱线的线光谱发射系数。     

高压SF_6断路器介质绝缘强度恢复机理研究

高压SF_6断路器弧后介质恢复特性机理研究是断路器设计制造的基础性科学问题,对断路器开断、压气、绝缘等性能具有重要影响。该文基于库伦碰撞能量平衡方程与双温度电离平衡方程建立介质绝缘强度恢复数学模型,充分考虑双温度条件下电子与重粒子间的能量传递数学关系,动态表征带电粒子的电离与附着过程。通过对数学模型的求解,给出不同电场、压强下的电子温度和密度变化曲线,求解不同工况下的击穿场强值。针对126kV SF6断路器数值计算介质恢复过程中的粒子变化与击穿电压值,分析断路器压气过程对介质恢复过程的影响,给出开断速度对介质恢复机理的作用规律。搭建断路器空载介质恢复特性动态击穿过程试验电路,测量开断过程不同开距下的击穿电压值。通过对计算结果的分析可以看出,该文提出的介质恢复数学模型计算结果与试验结果相近,流注理论计算结果要大于试验结果。充分分析开断速度对断路器开断介质恢复特性的影响可以看出,开断速度选择9.62m/s符合断路器开断要求。     

CO_2气体断路器弧后击穿特性计算分析

六氟化硫(SF_6)具有优良的绝缘与灭弧性能,广泛应用于电力设备中,但该气体是一种强温室气体,已被要求限制甚至停止使用。二氧化碳(CO_2)灭弧性能优良,作为一种潜在的灭弧介质替代SF_6气体具有较大应用前景。针对CO_2气体在高压气体断路器中的应用,围绕弧后击穿特性这一核心问题,通过磁流体动力学电弧仿真和弧后热击穿与电击穿特性评估,分析了CO_2气体电弧的弧后介质恢复特性,及其与SF_6气体的差距,进而探讨了采用CO_2气体作为高压气体断路器灭弧介质的可行性与关键问题。结果表明:文中断路器结构下CO_2电弧热开断能力约为SF_6气体的28.7%;弧后CO_2气体介质恢复速度较SF_6气体慢,动触头前端的区域电击穿发生概率较高;提高CO_2气体充气压力可有效提高电弧热开断能力和弧后介质恢复强度;该研究可为环保型高压气体断路器的研制与优化提供参考。     

不同电极结构下SF_(6)气体临界击穿场强计算北大核心CSCD

SF_(6)气体在电力绝缘设备中的应用已经非常广泛,计算多种电极结构下SF_(6)气体临界击穿场强对于研究SF_(6)气体放电击穿特性具有重要意义。文中针对SF_(6)气体在多种电极结构下的放电击穿过程开展了详细的理论研究与计算分析。首先,基于已有的SF_(6)气体击穿过程进行理论总结并加以完善;然后,引入阶段先导发展模型,针对稍不均匀电场条件下SF_(6)气体放电击穿过程进行建模,将放电击穿分为3个主要过程:首电子产生阶段、流注初始阶段及先导发展至击穿阶段;最后,结合气体物性参数建立多种电极结构下SF_(6)气体折合临界击穿场强计算综合模型,计算得到SF_(6)气体在多种电极结构下的临界击穿场强。研究表明:相同压强情况下,交流电压下的临界击穿场强要比雷电冲击电压下的折合临界击穿场强低。雷电冲击电压下临界击穿场强极性随电极结构和压强条件的变化而改变。并且,受电极曲率较大处局部放电所产生空间电荷的影响,随着压强的增大和突出物尖端的加长,正极性雷电冲击电压下的临界击穿场强趋向施加交流电压下的临界击穿场强。     

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。     

不同介质灭弧室串联的混合断路器仿真研究

提出采用真空与SF_6灭弧室串联构成的混合式断路器应用于高压直流领域,充分利用真空介质恢复强度快和SF_6介质恢复强度高的优点,在弧后初始阶段,真空灭弧室承受主要的暂态恢复电压(TRV),后期TRV主要由SF_6灭弧室承担。搭建了混合式高压直流断路器的仿真分析模型,分析了弧后动态电压分布与动态绝缘特性配合,并研究了混合式高压直流断路器的电流转移过程。在电流转移过程中不同介质灭弧室在不同阶段承受TRV可以提高混合直流断路器的开断能力,得到了最佳配合工作方式。为混合式高压直流断路器的研究奠定了理论基础。     

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%。     

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。     

C4F7O-CO2混合气体自由燃弧电弧特性实验研究

C_4F_7N-CO_2混合气体有可能替代SF_6作为绝缘和灭弧介质,研究其燃弧特性具有重要意义。文中通过棒-棒电极下的自由燃弧实验,研究了CO_2、体积分数40%C_4F_7N-60%CO_2以及SF_6几种气体的电弧特性。实验中测量了电弧电压、电流、零区特性以及光谱分布等众多参量,基于Mayr电弧模型分析了电弧能量累积和耗散过程,结合Abel逆变换和玻耳兹曼斜率法得到电弧径向温度分布。实验发现:CO_2气体电弧稳定性极差,燃弧期间电弧电压高于SF_6电弧且多次剧烈波动,加入C_4F_7N后,电弧稳定性得到改善,电弧电压降低;加入C_4F_7N后,自由燃弧期间其电弧能量累积量减小,电流过零前的能量耗散系数降低;电流峰值时刻CO_2、40%C_4F_7N-60%CO_2以及SF_6几种气体电弧弧芯温度分别为20 000、18 900、14 900 K,电弧直径分别为13、17、23 mm,C_4F_7N对降低CO_2电弧弧芯温度有明显作用。     

用光谱法及激光干涉法测量SF_6、N_2中直流稳态电弧的温度分布

采用光谱法,测量了SF_6、N_2气体中电流为10A的直流电弧弧柱区的径向及轴向温度分布;同时采用Wollastone差分干涉法,对弧柱周围热边界区的温度场进行了测量并拍摄了热区的干涉照片。通过测量和分析计算获得了弧柱和热区的径向及轴向温度分布。两种方法的测量结果衔接较好。实验结果证明,在相同的试验条件下,与N_2气体相比SF_6介质中的电弧半径小、电弧平均温度低,由此说明作为熄弧介质,SF_6比N_2有较好的熄弧特性。     

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。     

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/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。