C_4F_8/N_2混合气体局部放电特性实验研究

由于SF6气体的温室效应,减少或杜绝SF6气体的使用已成为共识。从局部放电(partial discharge,PD)性能的角度探讨了用C4F8/N2混合气体代替SF6气体用于气体绝缘设备的可行性。通过试验测量C4F8/N2混合气体在不同气压、不同混合比、不同电极距离情形下的局部放电起始电压,得到了这3种因素对混合气体局部放电性能的影响,并与纯SF6气体的局部放电起始电压做了对比。结果表明:纯C4F8气体的局部放电起始电压是纯SF6气体的1.3倍左右;C4F8气体与N2气体具有协同效应,协同系数在0.45左右;C4F8/N2混合气体的局部放电能力与同混合比的SF6/N2混合气体的相似。因此,综合考虑液化温度、环境影响、局部放电性能后,C4F8气体含量在10%～20%的C4F8/N2混合气体有可能替代SF6气体用于气体绝缘设备。     

C_4F_7N/N_2混合气体的分解机理研究

近年来,C_4F_7N(2,3,3,3-四氟-2-(三氟甲基)-丙腈)凭借优良的绝缘和环保性能得到了替代气体研究领域的广泛关注。目前针对C_4F_7N混合气体分解特性的研究较少,为明确其分解特性,文中基于ReaxFF分子动力学方法和量子化学DFT理论对C_4F_7N/N_2混合气体的分解机理进行了研究,同时利用气体绝缘性能测试平台配合气相色谱质谱联用仪对C_4F_7N/N_2混合气体多次工频击穿后的放电分解产物进行了检测。研究发现C_4F_7N/N_2混合气体的主要分解产物有CF_4、C_2F_6、C_3F_8、CF_3CN、C_2F_4、C_3F_6和C_2F_5CN,其中C_2F_6、CF_4及CF_3CN的相对含量较高;ReaxFF-MD分子动力学模拟显示CF_3,CN,F和C3F7是C_4F_7N分解形成的4种最为重要的自由基碎片。该研究成果深入揭示了C_4F_7N/N_2混合气体的分解机理,为混合气体的工程应用提供了重要参考。     

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。     

C_4F_7N/CO_2和C_4F_7N/N_2混合气体热力学物性参数计算

环保型绝缘介质C_4F_7N及其混合气体的热力学物性参数的研究对了解其使用范围及应用前景具有参考价值。因此,采用Riedel蒸气压方程和Raoult定律计算了不同混合配比下C_4F_7N/CO_2和C_4F_7N/N_2混合气体的饱和蒸气压;基于P-R状态方程计算了C_4F_7N/CO_2和C_4F_7N/N_2的压缩因子和密度,根据分子结构特征,采用Joback基团贡献法和Thodos法计算分析了两种混合气体的定压比热容和粘度。计算结果表明:若要气体绝缘开关设备和气体绝缘输电管道在0.5MPa下运行时绝缘介质的液化温度≤253K,混合气体中C_4F_7N摩尔分数分别应≤8%和≤10%,该摩尔分数下混合气体各自的全球变暖潜能值分别约为SF_6的2.45%和3.83%,温室效应较小。上述条件下,两种混合气体均趋于理想气体状态,压缩因子接近于1,两种混合气体中的C_4F_7N含量虽少,但对其混合气体的定压比热容贡献较大,而对粘度贡献不大。所得结果可为C_4F_7N/CO_2和C_4F_7N/N_2两种环保混合气体熄弧特性及其在GIS和GIL中的应用研究提供基础数据。     

C_4F_7N/CO_2混合气体熄弧特性试验研究

为研究全氟异丁腈(C_4F_7N)与二氧化碳(CO_2)混合气体的熄弧特性,利用LC振荡回路搭建电弧试验平台,对六氟化硫(SF_6)、5%C_4F_7N/95%CO_2以及9%C_4F_7N/91%CO_2混合气体在0.6、0.8MPa下进行20kA短路电流开断试验,利用测量得到的电弧电压、电弧电流,计算电弧电导,进而研究C_4F_7N/CO_2混合气体的熄弧性能。研究结果表明,随着C_4F_7N含量的增加,电弧电压熄弧峰值以及电弧电导与SF_6气体逐渐接近,表现出优良的灭弧性能。     

c-C_4F_8/N_2与c-C_4F_8/CO_2混合气体的绝缘性能

为寻找温室效应指数(GWP)低的SF_6替代气体,研究了c-C_4F_8/N_2与c-C_4F_8/CO_2混合气体的绝缘性能,在球板电极下进行了不同间隙距离、不同气压、不同气体体积分数的c-C_4F_8/N_2与c-C_4F_8/CO_2混合气体工频击穿实验。同时进行了SF_6、c-C_4F_8、N_2和CO_2的对比实验,并对击穿之后的分解产物进行了检测。实验结果表明:c-C_4F_8/N_2与c-C_4F_8/CO_2混合气体的击穿电压值都随着间隙距离、气压和c-C_4F_8体积分数的增加而增加;c-C_4F_8气体与N_2、CO_2之间均存在协同效应;稍不均匀场中0.1MPa气压下的c-C_4F_8体积分数为30%的c-C_4F_8/N_2与c-C_4F_8/CO_2混合气体的绝缘性能分别约为SF_6的75%和79%;5%~30%体积分数的c-C_4F_8/N_2与c-C_4F_8/CO_2的协同效应系数分别在0.20~0.79之间和0.15~0.65之间。从绝缘性能、液化温度和环境保护等方面来看,c-C_4F_8/N_2与c-C_4F_8/CO_2混合气体有可能作为SF_6的替代气体,应用在电力设备中。     

c-C_4F_8及其与N_2混合气体传热性能研究

氟碳气体c-C_4F_8温室效应小,耐电强度高,是一种良好的SF_6替代气体。使用氟碳气体与N_2的混合气体作为绝缘介质的气体绝缘开关,将成为一类新型的环境友好的设备。文中以管道输电模型为研究平台,通过散热分析结合实验测量的方法研究了0.1、0.25 MPa两种气压下氟碳气体、20%氟碳气体与80%N_2混合气体的散热性能并与N_2、SF_6散热性能进行比较。结果显示对于同一气体介质气压升高,气体综合传热系数增大,传热性能变好;对于不同的气体介质,气体综合传热系数大小排序有:SF_6≈c-C_4F_8c-C_4F_8/N_2N_2,但在管道输电模型下不同气体综合传热系数的差别对传热总量的影响较小,因而可认为这几种气体的传热性能相差不大。     

环保气体C_4F_7N和C_5F_(10)O与CO_2混合气体的绝缘性能及其应用

近期氟化腈和氟代酮类气体及其混合气体作为潜在的SF_6替代气体受到关注。为此针对C_4F_7N和C_5F_(10)O与CO_2混合气体的绝缘性能及其作为绝缘介质应用时的配比、压力等的选取问题开展了详细的理论研究。首先,基于已报道的C_4F_7N和C_5F_(10)O液化温度数据,通过拟合得到了两种气体的Antoine特性常数;然后,将Antoine蒸汽压方程和汽液平衡基本定律相结合,研究了C_4F_7N和C_5F_(10)O与CO_2混合气体的饱和蒸气压特性,讨论了这两种混合气体在不同温度限制下的应用方案;最后,利用文献报道的实验数据,计算得到了C_4F_7N和C_5F_(10)O与CO_2混合气体的临界击穿场强数据,进而结合饱和蒸气压特性研究了两种环保混合气体的绝缘性能及其应用的可行性。研究结果表明:C_4F_7N-CO_2混合气体在讨论的3种温度(-5℃、-15℃和-25℃)限制下所能达到的绝缘强度明显高于C_5F_(10)O-CO_2混合气体,采取适当混合比的C_4F_7N-CO_2混合气体能满足当前电力设备应用所需的环境温度要求,且绝缘性能较好,全球变暖潜能值(global warming potential,GWP)较低。如在-25℃温度限制下,5%C_4F_7N-95%CO_2混合气体约在0.65 MPa时可达到0.5 MPa下SF_6气体的绝缘强度,C_4F_7N摩尔分数低于20%的C_4F_7N-CO_2混合气体GWP值低于850。     

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。     

温度对C_4F_7N/CO_2混合气体工频放电场强的影响规律

C_4F_7N/CO_2混合气体有潜力替代SF_6气体应用于气体绝缘全封闭组合电器(GIS)或环保气体绝缘管道(GIL)等电气设备中作为绝缘电介质,掌握其绝缘性能是进行电气设备绝缘设计的基础。电气设备在实际运行中会遇到不同的环境温度,有必要研究温度变化时C_4F_7N/CO_2混合气体的绝缘性能。常温下C_4F_7N/CO_2混合气体的绝缘性能已有较多研究,但鲜见不同温度下的研究。该文研究了-35～20℃温度范围内,温度对C_4F_7N/CO_2混合气体的工频放电场强的影响规律,建立C_4F_7N/CO_2混合气体的放电场强随温度变化的计算模型。为验证计算模型,开展不同温度下的工频放电试验,采用球板电极下的放电试验得到初始充气压力0.7MPa和0.6MPa下,混合比例9%C_4F_7N/91%CO_2混合气体在不同温度下的工频放电电压,得到0.7MPa下混合比例为9%C_4F_7N/91%CO_2混合气体的液化温度约为-19℃,0.6MPa下的液化温度约为-23℃,试验结果验证了计算模型的有效性。同时发现C_4F_7N/CO_2混合气体在发生液化后,其工频放电场强随温度降低而显著降低。利用该文的计算模型研究0.6MPa和0.7MPa下不同混合比例的C_4F_7N/CO_2混合气体的工频放电场强随温度的变化,获得了不同混合比例不同温度下C_4F_7N/CO_2混合气体的工频放电场强。     

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。     

环保型C_4F_7N/CO_2混合气体试验平台搭建及绝缘特性分析

环保型C_4F_7N/CO_2混合气体是目前最有潜力替代SF6的绝缘介质。基于如何进行C_4F_7N/CO_2混气和工程应用问题,文中结合72.5kV GIS产品中典型隔离断口结构下的试验样机,搭建了混合气体绝缘试验研究平台,研究了雷电冲击电压下,不同充气压力、不同断口开距对气体绝缘性能的影响,并对比分析了20%C4F7N+80%CO2混合气体与相同试验条件下,纯SF6、纯CO2气体的绝缘特性差异。试验及分析结果表明,C_4F_7N/CO_2混合气体的介质恢复需要一定的时间;纯SF6、CO2及C_4F_7N/CO_23种气体的击穿特性与开距、充气压力近似呈线性变化且均呈升高趋势,但C_4F_7N/CO_2混合气体的上升斜率最大;当开距从5 mm增加至15 mm时,0.2 MPa充气压力下,C_4F_7N/CO_2混合气体50%击穿电压值从65.75kV上升至179.88kV;当充气压力为0.15 MPa时,15 mm电极开距下,C_4F_7N/CO_2混合气体50%击穿电压的比纯SF6高35.45kV。     

C_4F_7N/CO_2混合气体在中压负荷开关中的开断性能实验研究

SF_6气体因介电强度高、灭弧能力强等特点被广泛应用于中压气体绝缘环网柜中。然而SF_6气体具有高的温室效应,为减少SF_6气体的使用量,采用环保混合气体来达到与SF6相近的绝缘与灭弧性能,同时满足高压电器在可靠性和小型化等方面的要求是一项非常重要的研究内容。文中采用压气式负荷开关搭建开断实验平台,按照GB/T 3804—2017标准中有功负载开断要求对混合比例20%C_4F_7N+80%CO2、12%C_4F_7N+8%O_2+80%CO_2的混合气体和不同分闸速度的情况在实验平台上进行了开断实验,根据实验结果对这两种混合气体的开断性能进行了分析。开断实验后,发现电弧在C_4F_7N/CO_2混合气体中燃烧产生了黑色固体分解物,并用X射线衍射(X-ray diffraction)方法对分解物进行了检测和分析,验证了其成分和导电性。     

c-C_4F_8和C_5F_(10)O应用于气体绝缘输电线路的温升特性分析

利用有限元方法建立气体绝缘输电管道电-热-流体数值计算模型,模拟采用c-C_4F_8/CO_2和C_5F_(10)O/空气混合气体的管道温度分布,分析c-C_4F_8、C_5F_(10)O含量和气体压力对管道传热的影响。结果表明:主绝缘气体含量相同时,c-C_4F_8/CO_2混合气体的传热性能优于C_5F_(10)O/空气混合气体。提升主绝缘气体含量、升高气体压力均有利于提高混合气体的传热性能。当c-C_4F_8的体积分数为20%时,c-C_4F_8/CO_2混合气体的传热性能与SF6最接近,可在较大载流容量气体绝缘输电设备上作为替代气体。     

应用于直流GIL中低混合比c-C_4F_8/N_2混合气体的绝缘特性

目前GIL中使用的气体绝缘介质均为SF6气体。SF6气体虽然具有优异的电气性能,但是全球变暖潜能值(GWP)极高,因此迫切需要找到能够替代SF6的绝缘气体。文中以混合比k(c-C_4F_8在混合气体中的体积分数)低于20%的c-C_4F_8/N_2混合气体为主要研究对象,通过调节气压(0.1~0.65 MPa)和气隙间距(1~7 mm)测量了不同混合比k下混合气体的击穿电压和闪络电压,并与纯SF6气体的击穿电压和闪络电压进行了对比分析。试验结果表明:c-C_4F_8与N2呈协同效应关系;k=20%时,混合气体绝缘击穿强度约为纯SF6气体的0.6倍,绝缘闪络强度约为纯SF6气体的0.7倍,2 h耐受电压比短时闪络电压降低了5%~10%;通过提高c-C_4F_8/N_2混合气体的气体压强或增大绝缘距离可以实现替代SF6的目的。考虑到c-C_4F_8在放电中的碳析出问题,应避免混合气体用于频繁放电的设备中。     

C_5F_(10)O/CO_2混合气体的绝缘性能

SF_6气体由于其优异的电气性能而广泛应用于电力行业,然而,由于其全球变暖潜能值极高,国内外学者在过去的几十年里对SF_6替代气体做了广泛研究,但由于它们都各有缺陷,故很难在实际生产中加以应用。文中以C_5F_(10)O/CO_2混合气体作为主要研究对象、以SF_6气体作为对照,研究了混合气体中C_5F_(10)O分压力分别为20 k Pa和40 k Pa、总压力为0.1~0.5 MPa时的工频耐压和雷电冲击(lightning impulse,LI)性能,并分析了其作为SF_6替代气体的可能性。实验结果表明,0.2 MPa的混合气体中混入20 k Pa和40 k Pa的C_5F_(10)O,可分别使混合气体的工频放电电压达到相同气压下SF_6气体的61.89%和81.99%。C_5F_(10)O分压力40 k Pa、总压力0.5 MPa的混合气体正、负极性雷电冲击放电电压分别是0.3 MPa时SF_6气体的88.9%和89.9%。因此,通过增加C_5F_(10)O的含量或提高混合气体的总压力,均可有效提高混合气体的绝缘性能,其中,前者更为有效。     

电场不均匀度对C_4F_7N/CO_2混合气体雷电冲击放电特性的影响

不同电场分布下混合气体雷电冲击放电特性是气体绝缘金属封闭输电线路(GILs)的设计基础,文中分别研究了稍不均匀电场(电场不均匀度系数f=1.6)和极不均匀电场(f=5.3和f=10.3)下C_4F_7N/CO_2混合气体雷电冲击放电特性的变化规律。结果表明:稍不均匀场中,C_4F_7N/CO_2混合气体的放电电压在高气压下出现微弱的饱和趋势,当气压小于0.4MPa时,其相对于在0.4MPa下SF_6的绝缘强度达到了最大值,即随气压的升高,混合气体的相对绝缘性能并无显著提升;随着电场不均匀度的增大,C_4F_7N/CO_2混合气体放电电压显著下降,且正极性放电电压远低于负极性,表现出对电场不均匀的极高敏感性;由此定义了电场敏感系数S,以表征绝缘介质在存在电场集中时放电电压的下降程度,研究结果表明,雷电冲击下气体介质对电场不均匀度的敏感性表现为C_4F_7N/CO_2(5%～20%)SF_6CO_2。     

环保绝缘介质C_4F_7N/CO_2/O_2混合气体的放电分解特性

近年来,环保绝缘介质C_4F_7N/CO_2混合气体凭借优良的绝缘性能得到了广泛关注。为避免C_4F_7N/CO_2混合气体在高能放电后出现碳析出,需要加入O_2作为第二种缓冲气体。然而目前鲜有针对C_4F_7N/CO_2/O_2混合气体放电分解特性的相关报道。该文通过一系列工频击穿放电实验,利用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)对含不同体积分数O_2的C_4F_7N/CO_2/O_2混合气体的放电分解特性进行了分析。研究发现,C_4F_7N/CO_2/O_2混合气体多次击穿后分解的主要产物有CF_4、C_2F_6、C_3F_8、CF_3CN、C2F5CN、C_3F_6、CO、COF_2、C_2N_2等,其中CF_4、CO、C_2F_6的生成量相对较高。当O_2的体积分数从0%增加到2%时,上述分解产物的生成量均出现了一定程度的下降;随着O_2的体积分数进一步升高,主要分解产物中CF_4、CO的生成量会持续下降,相反COF_2的生成量会增加,而其他分解产物的含量变化趋势不是很明显。     

C_4F_7N/CO_2、C_5F_(10)O/C_6F_(12)O/Air的环保绝缘气体特性研究及应用

研究环保绝缘气体具有深远的社会意义。C_4F_7N、C_5F_(10)O混合气体是最有希望替代高温室效应SF_6的环保绝缘气体。对C_4F_7N/CO_2、C_5F_(10)O/C_6F_(12)O/Air混合气体的GWP值、液化性能和绝缘性能进行了详细研究。C_4F_7N/CO_2(总压7 bar,C_4F_7N分压0.466 bar)的GWP值503,是SF_6的2.13%;C_5F_(10)O/C_6F_(12)O/Air(总压8 bar,C_5F_(10)O分压0.285 bar,C_6F_(12)O分压0.100 bar)的GWP值0.33,是SF_6的0.001%。C_4F_7N、C_5F_(10)O气体沸点较高,C_4F_7N气体在-25℃环境,其饱和蒸气压为0.466 bar;C_5F_(10)O气体在-5℃环境,其饱和蒸气压为0.285 bar。C_4F_7N/CO_2、C_5F_(10)O/Air混合气体属于正协同效应气体,具有冲击特性,对负极性冲击电压更为敏感。420 k V GIS用母线在雷电冲击耐受电压1 425 kV下,最大电场强度为20.4 kV/mm;可以选择C_4F_7N/CO_2(C_4F_7N分压0.466 bar,最低功能充气总压7 bar)作为绝缘介质,满足户外GIS-25℃的低温环境要求;也可以选择C_5F_(10)O/C_6F_(12)O/Air(C_5F_(10)O分压0.285 bar,C_6F_(12)O分压0.100 bar,最低功能充气总压8 bar)混合气体作为绝缘介质,满足户内GIS-5℃的低温环境要求。研究结果为进一步研发环保型GIS提供参考。     

环保型C_4F_7N/CO_2混合气体在极不均匀电场下的雷电冲击绝缘特性

C_4F_7N/CO_2混合气体作为最新一代的环保型绝缘气体,具有优良的电气性能和低温室效应潜能值,有极大的替代SF_6的应用前景。目前,国内外的相关研究才刚刚起步。使用针–板电极模拟极不均匀电场,实验研究C_4F_7N/CO_2混合气体的雷电冲击击穿特性,分析气压、间距、混合比例等因素对混合气体绝缘特性的影响及其极性效应,并与相同条件下纯SF_6进行对比。结果表明:极不均匀电场中,C4F7N混合比5%～10%的C_4F_7N/CO_2混合气体正极性雷电击穿电压随气压的升高呈现明显饱和趋势,存在显著的"驼峰"现象,而负极性时击穿电压在较高气压时才逐渐趋于饱和;混合比为5%的C_4F_7N/CO_2混合气体正极性雷电击穿电压最高能够达到相同条件下SF_6的0.8倍,混合比为10%时最高可达相同条件下SF_6的0.9倍,负极性时C_4F_7N/CO_2混合气体相对SF_6绝缘强度略低于正极性;极不均匀电场中,C_4F_7N/CO_2混合气体雷电击穿电压存在明显的极性效应和极性反转现象,总体上负极性击穿电压显著高于正极性,仅在较低气压时正极性稍高。研究结果表明,C_4F_7N/CO_2混合气体非常有潜力替代SF_6。