均匀电场下SF_6/CF_4流注放电数值模拟

文中从气体放电过程中微观粒子的运动特性出发,针对均匀电场中SF_6/CF_4混合气体的流注放电特性进行数值模拟。基于两项近似求解Boltzmann方程的方法,得到不同压强、混合比下SF_6/CF_4的电子能量分布(electron energy distribution function,EEDF)。根据EEDF计算折合电离系数和折合吸附系数,将该放电参数引入流体模型,以气体压强0.1 MPa、间隙距离5 mm为例模拟SF_6/CF_4的流注放电过程,研究放电过程中空间电子数密度随时间和空间的变化规律。结果表明:混合比一定时α/N随E/N的增大显著提高,E/N一定时混合气体中CF_4体积分数越高α/N值越大;随着电子崩向前发展,崩头的电子迅速增长,放电5 ns时电子数密度峰值达到9.7×10~(12)m~(-3),当间隙完全击穿,电极间形成等离子体导电通道,此时空间电子数密度分布基本均匀,电子数密度达到10~(17)数量级。     

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/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。     

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。     

CF_4及其N_2混合物微观放电参数计算与绝缘特性仿真研究

为研究SF_6替代气体CF_4及其N_2混合物微观放电参数,通过两项近似Boltzmann方程对室温环境下CF_4及CF_4/N_2混合物在混合比为20%～80%区间内的有效电离系数(α-η)/N进行了求解分析。利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件首次对CF_4及CF_4/N_2混合物在均匀场下,不同混合比,不同压力条件下放电通道进行了一维模拟。仿真结果表明,CF_4/N_2混合物放电过程存在明显协同效应;CF_4放电延时随气压增大而增大,仿真结果与数值计算结果吻合。     

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。     

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。     

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)。     

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。     

c-C4F8/CF4替代SF6可行性的SST实验分析

SF6以其良好的灭弧性能和绝缘特性广泛应用于高压电力设备中,但是随着<京都议定书>的签订及其要求,寻找温室效应指数(GWP)低的SF6替代气体变得越来越迫切,本文用稳态汤生(SST)实验方法探索了c-C4F8/CF4混合气体替代SF6的可行性.文中用SST实验方法测量了c-C4F8/CF4混合气体的电子崩电流I;基于本文改进的SST模型,用非线性最小二乘法拟合出c-C4F8/CF4混合气体的归一化放电参数(归一化电离系数α/N,归一化吸附系数η/N和归一化有效电离系数(α-η)/N);在(α-η)/N～E/N函数关系曲线中,令(α-η)/N=0,得到c-C4F8/CF4混合气体的耐电强度(E/N)lim;将c-C4F8/CF4的(E/N)lim及GWP与SF6的进行了比较,结果表明,c-C4F8/CF4在混合比大于50/50的情况下的(E/N)lim比纯净SF6的约高1.2%～32.6%,而GWP比纯净的SF6的约低63.6%～68.2%,因此c-C4F8/CF4替代SF6可行.     

SF_6／Ar和SF_6／Kr的绝缘特性及分析

本文在Ｅ／Ｐ值为１５．０～９４．０ｋＶ／（ｍｍ·ＭＰａ）范围内，采用稳态汤逊法（ＳＳＴ）测量了ＳＦ６／Ａｒ和ＳＦ６／Ｋｒｊ昆合气体的电子崩电流，用最小二乘法求出了α／Ｐ、／Ｐ、／Ｐ与Ｅ／Ｐ的关系，还求出了各混合比下的ＳＦ６／Ａｆ和ＳＦ６／Ｋｒ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。     

电极表面粗糙度对SF_6、SF_6/N_2及SF_6/CO_2绝缘特性的影响

本文采用机加工形成的不同粗糙度的电极,研究SF_6,SF_6/N_2及SF_6/CO_2的绝缘特性,并与计算结果进行比较。     

SF6／N2和SF6／CO2的绝缘特性及其比较

介绍在Ｅ／Ｐ值为２６．３～９４．０ＫＶ／ｍｍＭＰａ的范围内采用稳态汤逊法（ＳＳＴ）测量ＳＦ６／Ｎ２和ＳＦ６／ＣＯ２的电离系数α和吸附参数η，求出了各混合比下的ＳＦ６／Ｎ２，ＳＦ６／ＣＯ２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及SF_6混合气体火花放电生成物分析

采用质谱分析和红外光谱吸收分析的方法,分析了SF_6以及SF_6/N_2,SF_6/空气混合气体火花放电前后的成分,测得了放电后生成的物质,并讨论了放电生成物形成的理机。     

局部电场畸变对SF_6/N_2和SF_6/CO_2混合气体耐电强度的影响

本文用半椭球凸出物模型计算了在SF_6/N_2和SF_6/CO_2中电极表面粗糙度对耐电强度的影响。计算表明:在电场畸变严重时,两种混合气体的击穿强度均高于纯SF_6,且SF_6/CO_2优于SF_6/N_2。这一结论并为实验结果所证实。     

SF_6气体净化处理系统及应用

SF6气体由于具有优越的绝缘性和稳定性,而被广泛地应用于高压电器设备中。文中所研制的SF6气体净化处理系统,组合使用了变压吸附、空气分离、机械制冷式深冷分离等多种净化处理方式,满足了处理后SF6气体符合GB/T 1202《工业六氟化硫》的技术指标要求,而且可使处理后SF6气体的质量分数达到99.98%以上,实现了SF6气体的循环再利用。     

SF_6开关室环境中SF_6及氧气含量在线监测的应用研究

通过对电力系统用户对SF6实际需求的分析和了解国内外对SF6相关研究的最新进展,在分析了当前行业上已有的SF6浓度和氧气含量在线监测的原理及功能的基础上,着重介绍了基于数字式的实用化室内SF6气体设备(尤其是GIS设备)状态监测的解决方案,增加了室内气体的温度和湿度检测,实现了对SF6气体状态的综合在线监测,并提出了对SF6气体设备安全运行的进一步设想。     

550kV SF_6/N_2充气母线绝缘性能研究

由于SF6气体的温室效应,减少SF6气体的使用具有深远的社会意义,用SF6/N2混合气体取代纯SF6气体作为高压电器设备的绝缘介质是减少使用SF6气体的有效措施。介绍了SF6/N2混合气体的优点。从气体放电理论出发,对不同比例SF6/N2混合气体的绝缘性能进行了分析,结果表明:SF6体积分数仅为20%的SF6/N2混合气体击穿强度为相同气体压力纯SF6的70%左右;若SF6体积分数为20%的SF6/N2混合气体的击穿强度要达到纯SF6气体的击穿强度,其总压力应为纯SF6气体的1.4倍。新东北电气集团高压开关有限公司研制的采用20%SF6和80%N2混合气体绝缘,总压为0.6 MPa的550 kV SF6/N2混合气体母线在机械工业高压电器产品质量检测中心(沈阳)顺利通过了绝缘型式试验,且其雷电冲击耐受水平高达1 842.5 kV。因此,用SF6/N2混合气体作为550 kV母线的绝缘介质是切实可行的。     

以SF_6为背景气体的SF_6气体分解特征组分标准物质研制

利用SF6分解组分对GIS绝缘状态进行诊断,必须解决SF6分解特征组分的定性和定量检测的关键技术难题,这直接关系到对设备故障性质和程度判断的准确性。文中采用称量法,研究以SF6为背景气的气体标准物质的制备过程与方法,成功研制了CO2/SF6、CF4/SF6、SOF2/SF6、SO2F2/SF64种标准气体物质,解决了SF6分解特征组分标准气体物质的存储问题,考察了4种气体标准物质的一致性、压力稳定性以及长期稳定性。结果表明:CO2/SF6、CF4/SF6、SOF2/SF6和SO2F2/SF6的标准不确定度均小于0.2%,4种标准气体物质一致性、6个月的长期稳定性和均匀性良好,标准气体扩展不确定度都小于3%,可用于SF6分解特征组分的定量分析。     

高压SF_6开关设备气体分解物浓度在线监测装置研制

高压SF_6断路器气体分解产物体积分数是SF_6断路器内部放电模式和放电能量的重要判据。为了通过SF_6气体分解产物实现SF_6断路器的运行状态在线监测,文中研制了一种基于碳纳米材料的电离式碳纳米管传感器和一套用于检测传感器输出微电流的检测装置。笔者以SF_6气体重要的分解产物之一SOF_2作为被测气体进行实验测试,结果表明,电离式碳纳米管传感器输出电流与SOF_2气体体积分数成单值关系,其电流大小能够反映出SOF_2气体体积分数;文中开发的微电流检测装置能够完成传感器输出的纳安级微弱电流的检测,具有较高的检测精度。该检测装置可用于实时监测SF_6气体分解生成的SOF_2气体体积分数,为研究SF_6断路器内部放电和实现SF_6气体分解物在线监测提供了可能。