基于第一性原理的金掺杂石墨烯对SF_6分解组分的气敏分析

六氟化硫(SF_6)分解组分检测是诊断气体绝缘设备早期潜伏性绝缘故障的最佳方式之一,通过发现早期潜伏性故障可以有效避免突发性事故的发生。功能化石墨烯作为气敏材料在传感器方面展现了良好的应用前景。因此,该文基于第一性原理计算分析了功能化石墨烯基材料即Au原子掺杂石墨烯对SF_6分解组分SO_2F_2、SOF_2、SO_2和H2S的气敏响应特性。理论计算了分解组分的分子吸附能,净电荷转移量,电子态密度,Mulliken电荷布居数,自旋磁矩,最高已占轨道,最低未占轨道等一系列表征气敏响应特性参量。结果表明:SO_2F_2、SOF_2和H2S三种特征气体在Au掺杂石墨烯(金掺杂石墨烯)表面的吸附为较强烈的化学吸附效应,作用强度SO_2F_2H2SSOF_2,而SO_2在Au掺杂石墨烯表面的吸附作用介于物理吸附效应与化学吸附的临界状态。金掺杂石墨烯对SO_2F_2表现出良好的选择性和较高的灵敏性。仿真所得Au掺杂石墨烯对SF_6分解组分气敏响应特性结果,对实验探究用于SF_6绝缘设备的Au掺杂石墨烯气敏传感器具有重要指导作用。     

基于SF_6分解产物融合判断的GIS绝缘劣化趋势划分

为实现用SF_6气体分解产物来诊断和评估气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)绝缘状态,必须寻找出恰当的特征参量,建立气体分解组分与GIS绝缘劣化的判断法则。为此构建了SF_6气体放电分解平台,做针-板缺陷下长期持续性放电分解实验以模拟GIS绝缘劣化全过程。选取SO_2F_2、SOF_2、SO_2、CF4、CO_2为特征组分,获得其在不同阶段的体积分数变化趋势。其中SO_2、SOF_2和SO_2F_2呈类"Logistic"曲线走势,表现出较好的一致性。提出用φ(SO_2F_2+SOF_2+SO_2)/φ(CO_2+CF_4)体积分数比、SO_2体积分数φ(SO_2)和(SO_2F_2+SOF_2+SO_2)体积分数变化率作为特征参量并分析其理化意义,在不同阶段特征参量变化显著,据此采用模糊分析法识别放电严重程度,建立了相应的模糊判断模型,将GIS绝缘劣化趋势划分为"正常阶段"、"劣化阶段"和"饱和阶段",分类结果与实验效果相符合。     

不同吸附剂对GIS局部放电特征气体变化规律的影响

为提高化学诊断法用于气体绝缘组合电器(GIS)绝缘状态判断的准确度,需评估吸附剂对GIS内局部放电产生的特征气体的吸附特性影响。在小型模拟试验平台上设置针-板电极放电模型,研究了不放置吸附剂、分别放置5A、F.03和KDHF-03吸附剂时GIS局部放电特征气体的变化规律。试验结果表明:加入吸附剂后,SO_2、SO_2、SO_2F_2、HF四种主要特征气体的含量有不同程度下降;5A型吸附剂对SOF_2、SO_2F_2的吸附能力明显弱于F.03和KDHF-03;3种吸附剂对SO_2、HF的变化规律影响基本一致,吸附剂存在时SO_2的含量处于定量限范围,且对HF的吸附率均超过96%。诊断特征量C(SOF_2)/C(SO_2F_2)可有效降低利用化学诊断法进行GIS绝缘状态评估时吸附剂类型带来的干扰。     

基于第一性原理的SnO2(101)表面对SF6分解气体气敏性能研究

通过检测SF_6典型分解气体可以诊断出SF_6气体绝缘设备早期绝缘故障。二氧化锡(SnO_2)是应用广泛的气敏材料,文中采用第一性原理计算并分析了SF_6分解气体在SnO_2(101)表面的吸附情况,研究SnO_2(101)表面对SF_6分解气体的气敏性能。通过理论计算,获得了H_2S、SF_6、SO_2、SOF_2和SO_2F_2气体分子在SnO_2(101)表面吸附的吸附能、吸附构型、电荷转移、差分电荷密度、态密度、势能图与功函数等表征吸附特性的参量。分析计算结果发现,SnO_2(101)对H_2S和SO_2有很好的选择性和敏感性,有望成为检测SF_6分解气体的传感器材料。     

GIS内部缺陷局部放电下SF_6分解特性研究

为研究金属突出物缺陷下的局部放电(PD)与SF_6气体分解组分的关系,研究了110 k V GIS内部金属突出物缺陷下的局部放电,对比分析了两种不同放电量下SF_6的分解情况。选择SO_2F_2、SOF_2、CO_2、SO_2 4种组分作为特征气体,选择c(CO_2)/c(SO_2)、c(SOF_2)/c(SO_2F_2)、c(SOF_2+SO_2F_2)/c(SO_2+CO_2)3组比值来表征金属突出物缺陷下的放电特点。结果表明:GIS中各分解组分变化规律不同于理想试验罐体中得出的数据规律;在GIS中放电量较小的情况下,可以通过SOF_2、SO_2F_2的浓度变化来判断PD强弱;SF6分解特征组分比值c(SOF_2)/c(SO_2F_2)和c(SOF_2+SO_2F_2)/c(SO_2+CO_2)均可以判断GIS内PD的强度;而c(CO_2)/c(SO_2)分散性较大,不宜作为判断GIS内PD强度的特征量。     

TiO2掺杂石墨烯对SO2气体的气敏特性研究

气体绝缘开关设备(GIS)放电过程中产生的SO2组分,与放电故障类型和严重程度具有密切关系.探究具有优异气敏检测能力的SO2气敏传感器,可为在线监测GIS放电故障提供检测基础.基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算,首先,优化了不同数量TiO2在石墨烯表面的掺杂结构,获得最优化掺杂结构;其次,让SO2气体分子以不同方式靠近本征石墨烯,计算分析SO2气体分子在TiO2-graphene表面的吸附结构、吸附能和电荷转移;最后,对比分析气体吸附前后体系的总态密度(DOS)和分波态密度(PDOS),探究SO2与TiO2掺杂石墨烯结构之间相互作用机理.研究发现,两个TiO2掺杂具有最优掺杂结构,对单个和双SO2气体分子均具有良好的吸附性能且都为化学吸附.因此,基于TiO2掺杂石墨烯材料的气敏传感器在GIS放电分解组分检测与故障诊断领域具有良好的应用前景.     

国内文摘与专利

正基于SF_6分解产物融合判断的GIS绝缘劣化趋势划分/王先培;肖伟;胡明字;等/高电压技术,2016(6)为实现用SF_6气体分解产物来诊断和砰估气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)绝缘状态,必须寻找出恰当的特征参量,建立气体分解组分与GIS绝缘劣化的判断法则。为此构建了SF_6气体放电分解平台,做针-板缺陷下长期持续性放电分解实验以模拟GIS绝缘劣化全过程。选取SO_2F_2、SOF_2、SO_2、     

盐酸–磺基水杨酸复合沉积的聚苯胺传感器吸附H_2S和SO_2的气敏性能

H_2S和SO_2是气体绝缘开关设备(gas insulated switchgear,GIS)内部的绝缘缺陷引起局部放电时,绝缘气体SF_6分解生成的典型特征气体。通过监测这些放电分解产物,能为监测GIS设备的运行状态提供关键信息。该文基于质子酸沉积的聚苯胺基气敏材料的优越性能及其在气敏传感器领域的广阔应用前景,利用化学氧化聚合法合成了盐酸和磺基水杨酸复合沉积的聚苯胺气敏传感器,并通过傅里叶红外光谱仪、X射线衍射仪、扫描电子显微镜等表面表征方式评估了制备的气敏基底,继而测试了此传感器对10~100μL/L浓度范围的H_2S和SO_2的气敏响应程度、响应时间、重复性和稳定性等关键参数。结果表明,复合沉积的气敏传感器对10~100μL/L浓度范围的H_2S和SO_2具有良好的敏感度,且敏感度与气体浓度呈现较为理想的线性关系;此外,该传感器还具有优良的长期稳定和热稳定性能。因此,所制备的复合沉积聚苯胺材料为研制室温下监测GIS设备内H_2S和SO_2的实用型敏感器件奠定基础。     

不同气压下两种缺陷的SF_6负极性直流局部放电分解特性

为了探究不同气压下自由金属微粒与金属突出物在引起负极性直流局部放电(PD)导致SF_6特征组分的差异,在搭建SF_6直流局部放电分解实验平台的基础上,开展了不同气压下SF_6 PD分解特性实验研究,获取了SF_6分解特征组分随压强的变化规律。研究表明:在2种缺陷下,SF_6会发生分解生成SO_2F_2、SOF_2、CO_2、SO_2 4种稳定的分解产物,金属突出物缺陷下各分解组分生成量浓度随着气压的增加而逐渐减少,并呈现不同的变化趋势。自由金属微粒缺陷下,SOF_2、CO_2和SO_2随着气压的增加几乎不变,SO_2F_2随着气压的增加而快速减少。有效量浓度比值c(SO_2F_2)/c(SOF_2+SO_2)随气压的增加逐渐减少,在对GIS进行故障诊断时,需要对气压造成的影响进行校正;c(CO_2)/c(SO_2F_2+SOF_2+SO_2)随气压逐渐增加,并在0.3 MPa后达到稳定,对气压处于0.3~0.4 MPa的气体绝缘设备进行故障诊断时,可以不考虑气压对c(CO_2)/c(SO_2F_2+SOF_2+SO_2)的影响。     

基于密度泛函理论的SF_6分解组分在ZnO(0001)吸附及传感性能研究

基于第一性原理密度泛函理论探讨了四种典型SF_6分解组分(SO_2,SOF_2,SO_2F_2以及H_2S)分别在ZnO(0001)表面上的吸附以及传感性能。计算并比较了不同气体吸附所产生的吸附能、吸附距离、电荷转移、差分电荷密度,并通过能态密度计算探讨了气体分子与表面的化学相互作用。结果显示,四种气体分子均能与ZnO(0001)表面产生较强的化学吸附作用。除了SO_2分子在吸附后还保留本身的分子结构外,其他三种分子均发生了不同程度的分解。SOF_2与SO_2F_2表现为S-F键断裂而H_2S表现为S-H键断裂。虽然计算结果显示ZnO(0001)表面对四种组分均有较强的吸附以及气敏性能,但因为较大的吸附能及气体的分解,ZnO对组分的恢复性能有待提升。本文能为基于ZnO及其改性材料的气敏传感器检测SF_6分解组分提供理论基础及指导。     

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。     

一种新型碳纳米管气体传感器的响应特性研究

基于碳纳米管(CNTs)气体传感器的SF6气体分解产物检测技术,是诊断GIS绝缘缺陷引起的局部放电的有效手段。开展传感器对SF6分解气体响应特性的研究,对于将该技术应用于GIS局部放电的监测具有重要意义。笔者测量了CNTs气体传感器对4种标准气体(HF、SO2F2、SOF2/S2OF10、SO2)的响应,并建立了由GIS模拟罐体、基于脉冲电流法的局放仪和CNTs气体传感器构成的实验系统,测量了CNTs气体传感器对局部放电形成的SF6分解气体的响应,研究了传感器在多次测量中的重复性以及其响应随局放的变化规律。结果表明,在SO2F2和SOF2/S2OF10气体环境中传感器响应特性明显,且对SO2F2更加灵敏;SO2和HF则基本不引起传感器的电导变化。传感器能够成功检测到针板电极模型引起的局部放电,传感器的电导值随着放电时间的增加而逐渐增加,其响应也随着局部放电能量的增加近似呈线性增加的趋势,最终传感器响应出现饱和趋势。传感器的测量具有重复性,两次测量相差低于0.5%。SF6气体分解产物的气相色谱及红外光谱分析证实了上述结果的合理性。文中使用的标准气体浓度较低,因此关于SO2和HF无法引起传感器响应的结果仍需要利用高浓度标准气体进一步验证。     

CF_4检测在气体灭弧室绝缘故障诊断中的应用

SF6气体分解产物检测在电气设备故障分析中的应用比较广泛,而由于新气中含有一定量的CF4,所以分析重点集中于H2S、SO2、SOF2、SO2F2、HF几种特征气体。笔者将SF6气体分解产物检测技术应用于一起500 kV气体断路器的故障诊断,气体检测结果和解体检查表明断路器喷口发生非正常的电弧烧蚀,在经历较长一段时间后,仅体现在SF6气体中CF4体积分数的显著增加。从而表明,对于SF6气体绝缘电气设备应该定期进行检测气体分解物,对CF4体积分数的增加也应引起足够的重视,注重数据的横向和纵向的分析比较。     

基于红外检测法针板缺陷下的SF_6分解情况研究

利用自行设计的GIS缺陷模拟装置研究针板缺陷下的SF6分解情况,脉冲电流法配合PDcheck绝缘状态在线诊断系统监测局部放电电流。对样气进行红外检测,提取典型分解产物特征,并对比分析不同充装气压、施加电压下的SF6分解情况。典型分解产物为SOF4、SO2F2、CO2,其体积分数均随加压时间延长呈增大趋势。其中SOF4饱和时间较短,SO2F2体积分数一直呈近线形增长,而CO2在加压一段时间后呈近线形增长。不同气压下的分解情况有其共通性,不同处在于,低气压相同加压时间下SOF4和SO2F2的体积分数较高气压下高,但CO2体积分数较低,可能与绝缘材料参与反应速率较慢有关。SO2F2反应气体分解灵敏度较其他两种产物高。对比不同试验条件下PRPD(局部放电相位分布)谱图,发现其图形特征有明显区别。     

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。     

氯化镍掺杂的碳纳米管对SF6放电分解产物的气敏响应

检测和分析六氟化硫（SF6）气体放电分解产物对于气体绝缘组合电器（gas insulated switchgear,GIS）设备的安全运行有着重要意义。分析碳纳米管的气敏响应机制及掺杂对其气敏性能的改善,研制了一种氯化镍掺杂的多壁碳纳米管传感器,将NiCl2×6H2O和浓酸处理过的碳纳米管悬浊液超声掺杂,然后涂布在以印...     

针-板缺陷模型下局部放电量与SF6分解组分的关联特性

为了定量判断气体绝缘组合开关电器(GIS)内金属突出物缺陷所产生局部放电(PD)的严重程度,在自建的SF6放电分解实验平台上,用针-板缺陷模型产生PD使SF6发生放电分解形成特征组分,分别在不同电压等级下进行96h实验,采用气相色谱法对分解组分进行定量测定,同时用50Ω无感电阻检测PD量大小,深入研究了PD量与SF6气体分解组分之间的关联特性,结果表明,针-板缺陷PD下SF6分解可产生CF4、CO2、SO2F2、SOF2等组分,SO2F2和SOF2的体积分数及产气速率与每秒平均放电量Qsec关联性良好,SO2F2和SOF2的体积分数及产气均方速率随Qsec增大而增加,而(SOF2+SO2F2)与(CO2+CF4)的体积分数比值随Qsec近似呈线性增长,CF4与CO2以及SOF2与SO2F2的体积分数比值可作为较大Qsec的辅助判据,因此,可以通过SF6气体组分定量分析来判断GIS设备内部PD的程度。     

GIS设备气体分解物及其影响因素研究

文章利用专门设计的110 kV气体绝缘封闭组合电器(gas insulated switchgear,GIS)故障仿真装置,研究了GIS设备在局部放电作用下,气体分解物的产生规律,以及局部放电强度、放电形式、SF6湿度及吸附剂等对气体分解物含量的影响,初步探讨了气体分解物在GIS设备诊断中的应用价值和应注意的问题。     

火花放电下SF6特征分解产物演化特性研究

高压SF6开关设备运行中的放电故障(火花放电、电弧、局部放电等)诱导SF6分解为低氟硫化物,放电温度降低带来的SF6复合过程仍可保证设备具有良好的绝缘和灭弧能力。然而,当低氟硫化物与设备内无法避免的水蒸气和氧气杂质发生反应时,产生的腐蚀性产物会对设备的正常运行带来威胁,从而为利用SF6特征分解产物进行故障诊断提供依据。因此,文中利用气相色谱仪诊断技术对火花放电下SF6特征分解产物SOF2,SO2F2和SO2的演化特性进行研究,结果表明产物的摩尔分数随水蒸气和氧气体积分数的增加而升高,火花放电能量的提升也对分解产物的生成具有促进作用。文中工作可以为高压开关设备故障诊断和运行状态在线监测奠定理论基础。     

局部放电中的SF6分解产物及其影响因素研究

通过在110 kV GIS(气体全封闭组合电器)设备中模拟局部放电故障,研究了在局部放电作用下电极材料、放电强度、气体湿度和吸附剂对SF6分解产物中S02+SOF2和HF体积分数的影响及其变化规律.结果表明,电极材料、放电强度和吸附剂对SF6分解产物的生成有较大影响,而气体湿度对分解产物的生成影响不大.研究结果为通过S...