活性氧化铝和分子筛对C_3F_7CN/CO_2及其过热分解产物的吸附特性

近几年提出的环境友好型气体绝缘介质全氟异丁腈(C3F_7CN),在介电特性和环保方面表现良好,具有替代SF_6气体的可能性。探究常用吸附剂对绝缘介质C_3F_7CN及其分解产物的吸附特性,可为实际设备中吸附剂的选择提供参考。在过热实验基础上,对比分析γ-Al_2O_3和分子筛(3A、4A和5A)对绝缘介质C_3F_7CN和缓冲气体CO_2及其混合气体分解产物的吸附特性。C_3F_7CN/CO_2混合气体在650oC下的过热分解产物主要为CO、CF_4、C_2F_6、C_2F_4、C_3F_8、C_3F_6、i-C_4F_(10)、CF_3CN、CNCN和C_2F_5CN等。实验结果表明:γ-Al_2O_3和分子筛对缓冲气体CO_2及分解产物CO和全氟碳类气体的吸附能力较弱,但能有选择地吸附腈类气体。其中,四种吸附剂均能有效吸附腈类气体CNCN,但只有γ-Al_2O_3和5A分子筛能有效吸附CF_3CN气体,γ-Al_2O_3吸附速率大于5A分子筛。此外,γ-Al_2O_3能吸附绝缘介质C_3F_7CN,故不适合用于以C_3F_7CN混合气体作为绝缘介质的电力设备中。     

环保型绝缘介质C_5F_(10)O放电分解特性

近期,CnF_2nO类物质得到了替代气体研究领域的关注,尤其是C_5F_(10)O和C_6F_(12)O,两者均具有极低的温室效应潜能指数(global warming potential,GWP)且绝缘特性优异。由于其出色的绝缘表现,国内外科研机构和公司开始关注该物质及其混合气体,目前针对其放电分解特性的研究较少。该文基于密度泛函理论从微观层面对C_5F_(10)O的稳定性及可能的分解路径展开分析,首先计算得到C_5F_(10)O的电离能等参数,并基于前线分子轨道理论确定分子结构中可能发生反应的位置。其次,分析C_5F_(10)O可能的分解途径、分解产物的形成机制并计算得到相应的能量变化。最后,利用气体绝缘试验平台对C_5F_(10)O/N2混合气体进行击穿测试,基于气相色谱质谱联用仪对击穿前后气室内气体组分进行分析,探讨分解产物的绝缘性能及放电过程中各类粒子的动态平衡过程。研究结果表明,C_5F_(10)O放电分解形成CF3CO·、C3F7·或C3F7CO·、CF3·自由基的过程最容易发生,各类自由基进一步反应将生成CF_4、C_2F_6、C_3F_8、C_3F_6、C_4F_(10)、C_5F_(12)、C_6F_(14),上述产物均具有较强的绝缘性能,且C_5F_(10)O分子与自由基间存在动态平衡过程,两者共同保障了体系的绝缘性能。试验发现随着击穿次数的增加,C_5F_(10)O各分解产物含量增加,其中CF_4、C_2F_6、C_4F_(10)的增长率高于C_3F_8、C_6F_(14),自由基更易于复合形成小分子产物。相关结论对进一步探究C_5F_(10)O混合气体的绝缘特性及协同效应等课题提供一定理论依据,同时为CnF_2nO类新型环保型介质研究提供一些借鉴。     

环保型气体绝缘介质C5F10O过热分解产物的生成过程分析

C_5F_(10)O气体绝缘介质具有优异的环保性能和绝缘性能,在C_5F_(10)O气体工程化应用时,不可避免地面临设备内部经常出现的局部过热性故障,在局部过热性故障的长期作用下,C_5F_(10)O自身是否还能继续保持稳定是决定其能否工程应用的一个重要因素。本文在已有的气体绝缘介质局部过热实验平台上进行C_5F_(10)O过热实验,通过GC-MS确定C_5F_(10)O在局部过热性故障状态下的分解产物,并根据质谱图确定其分子结构式,结合密度泛函理论计算和分析C_5F_(10)O的分解途径和各个分解产物的生成途径。结果表明:C_5F_(10)O/He混合气体在局部高温550℃下主要生成了CO、CO_2、CF_4、C_2F_6、C_3F_8、C_4F_(10)、C_2F_4、C_3F_6、C_3F_7H等化合物,其中CO和碳氟化合物主要来自于C_5F_(10)O的裂解和重组,CO_2主要由羰基CO·与氧气反应生成,C_3F_7H主要由七氟丙烷和水反应生成。     

工频交流电压下C_6F_(12)O与N_2混合气体的击穿特性和分解特性

探索了新型环保绝缘气体C_6F_(12)O与N_2混合气体在交流电压下的击穿特性和分解特性。讨论了C_6F_(12)O与N_2在设备中使用的混合比,并在工频交流平台下进行击穿实验,探究C_6F_(12)O与N_2混合气体在准均匀场下的击穿性能并与SF6混合气体进行比较。对3%C_6F_(12)O与N_2混合气体进行100次击穿实验后采用GC-MS定性检测混合气体击穿后的分解产物,最后采用密度泛函理论计算分解产物的生成过程,分析温度对生成能量的影响并计算分解产物分子轨道间隙。实验结果表明:在0.10MPa下3%C_6F_(12)O与N_2混合气体的击穿电压约为纯N_2的1.7倍,与10%SF6与N_2混合气体的击穿电压相当。击穿后检测到的分解产物主要为CF_4、C_2F_6、C3F6、C_3F_8、C_4F_(10)和C_5F_(12)。计算表明:生成主要分解产物的反应能量随着温度升高呈现不同的变化趋势,且分解产物的分子轨道间隙值由大到小的排序依次为CF_4,C_2F_6,C_3F_8,C_4F_(10),C_5F_(12),C_3F_6。CF_4分子的轨道间隙值最大,约为12.590 eV。     

准均匀电场下C5F10O/干燥空气与C5F10O/N2的绝缘特性

SF_6因优异的电气特性广泛应用于电器绝缘设备中,但其产生的温室效应对大气环境具有极大损害。近年来,C_5F_(10)O作为一种环保型SF_6潜在替代气体受到国内外科研工作者的关注。为进一步探究C_5F_(10)O/干燥空气与C_5F_(10)O/N_2的绝缘特性,文中利用气体绝缘性能测试平台,对不同气压、不同C_5F_(10)O分压下的2种混合气体在准均匀电场下进行工频击穿试验。实验结果表明,C_5F_(10)O混合气体绝缘强度随气体压强的增大而增大;提高C_5F_(10)O分压亦可提高两类缓冲气体的绝缘强度,且对N_2绝缘强度提升相对值大于干燥空气。从绝缘强度考虑,适当增大C_5F_(10)O混合气体气压和C_5F_(10)O分压,C_5F_(10)O/干燥空气比C_5F_(10)O/N_2混合气体更具潜力替代室内中低压设备中的SF_6。     

环保型C_6F_(12)O气体绝缘介质过热分解的反应热力学特性

由于电力工业SF6气体引起的温室效应问题已不容忽视,而环保型绝缘气体C_6F_(12)O有在中低压气体绝缘封闭开关设备C-GIS替代SF6气体的潜能,但其在C-GIS发生局部过热性故障时的稳定性问题至今仍未被研究。为此,首先在已有的气体绝缘介质局部过热分解实验系统上初步进行C_6F_(12)O过热分解实验,并结合理论计算分析可知C_6F_(12)O在高温状态下分解的主要产物有CO、CF_4、C_2F_4、C_2F_6、C_3F_6、C_3F_8、C_4F_8、C_4F_(10)、C_5F_(12)和C_6F_(14)等;在实验研究的基础上,利用密度泛函理论Hybrid:B3LYP方法对C_6F_(12)O和主要分解产物进行分子结构优化,计算C_6F_(12)O分子内的各个键的键能,从键能的角度详细分析C_6F_(12)O分子在过热状态下断键的先后顺序和可能性;详细计算整个C_6F_(12)O分子体系在过热状态下发生过热分解的反应热力学特性,从分子层面上初步揭示了C_6F_(12)O的热稳定性,为将来系统研究C_6F_(12)O绝缘热稳定性奠定了理论基础。     

CF_3I及微氧条件下放电分解组分形成机理

CF_3I作为一种性能稳定且安全环保的强电负性气体近年来受到替代气体研究领域的关注,但CF_3I放电分解组分的微观形成机理及微氧对CF_3I放电分解组分的影响鲜有研究。为此首先基于密度泛函理论(DFT)探究了CF_3I分解产生的CF_3·、CF_2:自由基间相互反应生成C_2F_6等物质的能量变化,借助过渡态理论对反应路径中的能量变化进行了分析,获得了各分解组分的反应热及活化能;其次分析了微氧条件下CF_3I放电分解过程中的主要反应及产物;最后基于傅里叶变换红外吸收光谱法(FTIR)对CF_3I气体及CF_3I和O_2混合气体的放电分解组分进行了试验验证。研究结果表明,CF_3I放电分解产生的自由基反应生成CF4、C2F6、C2F4、C2F5I的过程无能量势垒,产生C_3F_6和C_3F_8则需要一定的活化能;微氧条件下CF_3I放电分解产生的自由基及组分分子与O·和O_2可以通过三条反应路径生成COF2;试验结果表明O_2的存在可促进消耗CF_3I,破坏其绝缘自恢复过程,使绝缘强度劣化;高气压条件下的CF_3I气体绝缘性能优于低气压,更为可靠。     

锐钛矿型(101)晶面吸附SF_6局部放电分解组分的气敏机理分析

气体绝缘组合开关(GIS)内部的局部放电会导致绝缘气体SF_6分解,生成多种特征气体。通过检测特征气体的成分和浓度能够及早发现GIS设备内部潜伏性绝缘缺陷,在设备绝缘状况恶化前提前预警,避免突发性故障发生。作为气敏传感领域的研究热点,TiO_2纳米管在GIS故障气体监测领域应用前景广阔。该文从微观层面上研究TiO_2纳米管气体传感器的气敏机理。利用Materials Studio软件仿真计算了锐钛矿型TiO_2(101)晶面的完美晶面、缺陷晶面以及Pt掺杂晶面对特征气体SO_2、SOF_2、SO_2F_2的吸附参数,理论分析了气体分子与晶面的作用过程,建立起晶面导电性能与气体分子吸附的联系。此外,通过气敏实验研究了本征及Pt掺杂TiO_2纳米管传感器对SO_2、SOF_2、SO_2F_2的气敏响应,并基于仿真结果解释实验现象,完善了TiO_2纳米管的气敏机理,为制备GIS设备局部放电监测的气敏传感器奠定了基础。     

环保型C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体分解仿真与实验研究EI北大核心CSCD

环保型C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体分解过程的仿真研究较多,但基于反应分子动力学的研究较少。为研究典型局部放电下环保型C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的分解过程,搭建发射光谱测试平台,测试悬浮放电下的电子温度和分子振动温度。利用动态温度变化模拟局部放电物理过程,建立基于实测数据的仿真计算模型。结果表明,悬浮放电下的C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中电子温度约为6400K,分子振动温度约为4000K,悬浮放电会生成CF_(3)、CF_(2)、F和CN等自由基,自由基复合生成的分解产物包括CO、CF_(4)、C_(2)F_(4)、C_(3)F_(6)、C_(3)F_(8)、CF_(3)CN和COF_(2)等。分解产物类型及其生成量随时间的变化规律与试验结果基本一致,相较于分子振动温度,电子温度对气体分解的影响更为显著。在C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体分解过程中,温度分布特征与气体分解特性密切相关,解析气体分解机理时,应重点关注温度对分解过程的影响。     

直流电压下CF_3I/N_2混合气体的放电副产物

CF_3I/N_2混合气体被认为有希望取代SF6气体而应用于气体绝缘设备。为了研究CF_3I/N_2混合气体在放电后的副产物,该文基于密度泛函理论(density functional theory,DFT),运用BFGS算法建立并优化了CF_3I分子及其潜在副产物分子的结构模型,并在此模型的基础上通过GGA-PBE算法计算了副产物分子的基态总能量,得到了各分子生成反应的自由能。结果表明副产物的可能组分为C2F6、C_2F_5I和I_2。而采用色质联用法和离子色谱法分别对CF_3I/N_2混合气体直流放电实验后的气体和固体成分进行分析,结果表明气体放电后副产物的主要成分为C_2F_5I,固体副产物为I_2。同时还发现,当气体放电后,将产生少量固态I单质,这导致CF_3I气体含量减少。但经过一个较长时间,CF_3I/N_2气体绝缘性能可恢复到放电前的水平,说明在CF_3I/N_2中决定其绝缘性能的主要因素是自由基对电子的吸附性,而不是I的电负性。研究结果表明,直流电压作用下,CF_3I/N_2绝缘气体放电后可检测到的分解产物是C_2F_5I和I_2。     

基于SF6电气设备故障判断的脉冲氦离子化色谱检测法

为了有效地诊断SF6电气设备内部运行情况,介绍一种新型的SF6电气设备故障气体检测方法.该方法利用脉冲氦离子化色谱,一次进样可以检测SF6、O2、N2、H2S、SC2、SOF2、SO2F2、S2OF10、CF4、C3 F8、CO2及CO等组分,克服了其他检测方法灵敏度不高、响应非线性、检测组分少等缺点,是目前较具前景的SF6电气设备故障气体检测方法.     

羧基修饰石墨烯吸附SF6分解组分的DFT计算

为研制高灵敏度SF6气体分解组分检测传感器,利用基于第一性原理的密度泛函理论(DFT)方法,采用分子模拟软件对SF6主要放电分解组分(SO2,SOF2,SO2F2,CF4)在羧基修饰石墨烯表面的吸附特性进行了模拟计算,从微观角度研究了羧基修饰石墨烯检测SF6气体放电分解组分的气敏机理。理论计算了单分子吸附过程中表征吸附性能特征参量的吸附能、吸附距离、净电荷转移量、分子前线轨道以及态密度。结果表明:羧基的修饰能够有效提高石墨烯的吸附性能,且羧基石墨烯效果更好,对4种分子吸附效果强弱依次为SO2>SOF2>SO2F2>CF4,其中SO2在羧基石墨表面发生较为强烈的化学吸附效应。     

交流电压下C4F7N/CO2混合气体中线性金属微粒放电特性研究

为了研究环保型气体C4F7N的绝缘性能,本文开展了绝缘子表面线性金属微粒在C4F7N/CO2混合气体下的放电特性实验并结合仿真和理论对实验结果进行了分析。研究结果表明,在0.1MPa气压条件下,C4F7N/CO2混合气体中,绝缘子表面附有金属微粒时,闪络电压会随金属微粒和接地电极之间距离的增加而先增大后减小。分析上述原因,线性金属微粒端部电晕放电产生的空间电荷削弱了空间电场的畸变程度;同时,C4F7N/CO2混合气体分解产生的CF3CN分子是一种高电气强度的物质,也会促使闪络电压升高。绝缘子倾角的变化对C4F7N/CO2混合气体闪络电压的影响要大于对SF6气体闪络电压的影响。绝缘子倾角为90度条件下,C4F7N/CO2混合气体下的闪络为SF6气体下闪络电压的0.96倍,两种气体绝缘性能相当。但C4F7N/CO2混合气体对不均匀电场的敏感性要高于SF6气体,电场不均匀系数由1变化到1.84时,C4F7N/CO2混合气体条件下闪络电压降低约26%。     

不均匀电场下CF_3I/N_2混合气体工频击穿特性试验

从工频击穿性能的角度探讨CF_3I/N_2混合气体替代SF6气体用于气体绝缘设备的可能性。通过工频击穿试验探究气压、混合比和电极间距三种因素对CF_3I/N_2混合气体工频击穿电压的影响,并与相同条件下的SF6/N2混合气体进行对比分析,提出使用协同效应指数C值判定混合气体协同效应类型及协同效应强弱的定量分析方法。结果表明,随着混合比、气压的升高,CF_3I/N_2混合气体工频击穿性能逐渐接近SF6气体,较高气压下的CF_3I/N_2混合气体更具有应用潜力。CF_3I/N_2混合气体工频击穿电压呈正协同效应,而且CF3I气体具有优良的自恢复绝缘性能。综合考虑工频击穿性能、液化温度和环境影响三种因素,在特定的场合下,CF3I含量为20%~50%的CF_3I/N_2混合气体有可能替代SF6气体用于气体绝缘设备。     

c-C4F8及其与N2混合绝缘气体在典型故障时分解生成物的试验分析

氟碳气体由于其温室效益小,同时具有很高的耐电强度,是较好的替代SF6的气体。使用氟碳混合气体作为绝缘介质的气体绝缘开关和变压器,将成为一类新型的环境友好的输变电设备。因此用试验方法研究氟碳气体及其与N2的混合气体在局部过热、局部放电、火花放电及电弧放电等故障下的分解生成物,并对故障生成物的危害性进行了探讨。试验在自建的模型上进行,故障后的生成物使用气相色谱与质谱联用(gas chromatography-mass spectrometry,GC-MS)的方法来检测。试验结果表明:可稳定存在的过热故障下主要生成物为C2F4、C3F6;纯气体放电性故障的主要生成物为CF4、C2F6、C2F4、C3F8、C3F6;混合气体放电性故障另外产生C3F6N2;故障分解生成物毒性很小。根据故障生成物的特点,提出可根据故障生成物组分来区分氟碳气体绝缘电气设备中的过热性故障与放电性故障。     

气隙缺陷下不同局部放电强度的SF6分解特性

为掌握SF6绝缘气体在气隙绝缘缺陷下产生不同强度局部放电引起的分解特性,作者用构建的气隙绝缘缺陷物理模型在SF6分解实验平台上,分别对不同外施电压大小下的SF6进行了96 h局部放电分解实验,采用气相色谱法对分解组分进行定量检测与分析,结果表明,SF6在局部放电下均会产生CF4、CO2、SO2F2和SOF2这4种稳定的分解组分,CF4含量最少,SO2F2含量少于SOF2。局部放电强弱对4种组分含量变化及增长率的影响有所不同,且CF4/CO2、SOF2/SO2F2和(SOF2+SO2F2)/(CO2+CF4)3组分解组分比值也与局部放电强弱有着一定的关系,可以利用CF4、SO2F2和SOF2的含量变化与增长速率以及组分比值范围作为判断局部放电强弱的特征量。     

Effects of different morphologies of ZnO films on hydrogen sensing properties

This paper describes the characteristics of chemiresistor hydrogen (H₂) sensors with different ZnO film structures in which ZnO dense films, nanoparticles (NPs), and nanorods (NRs) were prepared by RF magnetron sputtering, the sol–gel method, and the hydrothermal method, respectively. These were decorated with a Pt NP catalyst to investigate the performance of devices comprised of these structures. The effects of the ZnO morphology and operating temperature on the gas sensing behavior of the sensor are reported in detail. The various ZnO film morphologies, which contributed significantly to differences between sensors, play a very important role in enhancement of the supported Pt catalyst area and initial oxygen absorption on the ZnO surface. ZnO dense films prepared by sputtering showed the fastest response with a 13.5 % resistance variation at 1,000 ppm H₂ because gas adsorption occurred only on the film surface. The sensor with ZnO NRs showed a slower response, but the highest change in resistance of 65.5 % occurred at 1,000 ppm H₂ at room temperature. H₂ sensing performance of the chemiresistor sensors was improved due to the Pt catalyst, which was more efficient in dissociating H₂ gas molecules even at low temperature. The best chemiresistor sensor was fabricated using ZnO NRs and had a response time of approximately 10 s, a 27 s recovery time, and an 81.5 % change in resistance at 200 °C.     

基于热重和红外光谱分析研究大电机定子绝缘中环氧的老化过程

研究了绝缘常用材料环氧在大电机运行应力作用下的老化过程。对运行了23年的和备用的定子线棒主绝缘进行了热重和红外光谱分析。结果表明老化绝缘的热失重增加或增加了两个失重区,红外光谱分析表明C＝O和-OH吸收峰强度明显增强,-CH3和-CH2吸收峰强度明显减弱, C-C吸收峰强度减弱。探讨长期承受运行应力作用的定子绝缘中环氧的老化机理为主链断裂、支链氧化。     

诱导触发型气体间隙开关快速绝缘恢复特性研究

气体间隙开关结构简单、成本低,在电力系统中应用前景良好,但绝缘恢复特性研究尚少。为此,本文采用“双脉冲法”研究开关间隙、触发介质气压及其种类对气体开关绝缘恢复特性的影响规律。结果表明：喷射等离子体诱导型气体间隙开关绝缘恢复经历过渡期、f快速恢复期和饱和期3个阶段,饱和期的持续时间远大于前两阶段之和,且在快速恢复期无“平台现象”出现;减小开关间隙距离,气体开关绝缘恢复速率渐进增大,其绝缘基本恢复时间（绝缘恢复系数RU>90%）可降低50%;气压对气体开关绝缘恢复影响显著,对绝缘恢复过程的影响特性存在差异,增大气压会减缓气体开关的绝缘恢复过程,0.1 MPa~0.3 MPa压缩干燥空气中,气体间隙开关绝缘基本恢复时间对应11 ms~40ms;强电负性SF6对气体开关绝缘恢复速率具有明显增强作用,其绝缘恢复速率接近于空气中的4倍。研究结果可为气体间隙开关快速绝缘恢复技术提供理论指导。