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。     

3种缓冲气体对C_4F_7N混合气体绝缘特性的影响

为研究C_4F_7N(全氟异丁腈)与CO_2、N_2和空气3种缓冲气体混合后作为绝缘介质替代SF_6的潜力,在均匀电场下对C_4F_7N/CO_2、C_4F_7N/N_2和C_4F_7N/空气混合气体的工频绝缘性能进行了研究,其中混合气体气压为0.1～0.7MPa、C_4F_7N占比为5%～20%。对比了含不同缓冲气体的C_4F_7N混合气体绝缘特性,分析了气压和混合比例等因素对混合气体工频击穿电压的影响。试验结果表明,C_4F_7N/CO_2和C_4F_7N/空气混合气体击穿电压随气压升高呈线性增长,而C_4F_7N/N_2混合气体在较高气压下呈微弱的饱和趋势;3种C_4F_7N混合气体的工频击穿电压随混合比例的增加大致呈线性增长。C_4F_7N/CO_2、C_4F_7N/N_2和C_4F_7N/空气混合气体相对于SF_6的绝缘强度随气压的变化并非定值,在0.4 MPa附近相对SF_6绝缘强度存在极小值。C_4F_7N/N_2混合气体在放电条件下的碳析出现象较为明显,严重时会导致C_4F_7N/N_2混合气体击穿电压大幅下降。综合考虑C_4F_7N混合气体的绝缘性能、液化温度和放电条件下的碳析出程度,CO_2和空气是C_4F_7N适合的缓冲气体。     

工频电压下电场不均匀度对C_4F_7N/CO_2混合气体绝缘性能的影响

近年来,环保气体C_4F_7N被人们广泛研究来取代SF_6在气体绝缘设备中的地位。为较为全面地揭示不同电场分布、气压、混合比例条件下C_4F_7N/CO_2混合气体的工频击穿特性及其工程应用配置方案,计算了不同C_4F_7N混合比例、气压下C_4F_7N/CO_2混合气体的液化温度,通过不同电极形式下该气体的工频击穿试验,得到不同条件下C_4F_7N/CO_2混合气体和SF_6的击穿特性。试验发现,在电场不均匀度增大过程中,C_4F_7N/CO_2混合气体出现了击穿电压突变的N型曲线特征,SF_6也表现出类似的现象。此外,根据C_4F_7N/CO_2混合气体液化温度为–10℃的限制,当气压范围在0.3 MPa及以上且电场不均匀度为1.05、1.58、9.6、13.8和22.5时,其C_4F_7N体积分数需要分别达到9%、5%、7%、5%、5%,才能使得C_4F_7N/CO_2混合气体绝缘强度可达到SF_6绝缘强度的0.8倍;若要求C_4F_7N/CO_2混合气体绝缘强度达到SF_6的0.9,则需提高C_4F_7N体积分数至13%及以上。     

C_4F_7N/CO_2混合气体对局部不均匀电场的敏感特性

电亲和性气体的放电电压对不均匀电场分布较敏感,高压电气设备电极表面存在的表面粗糙度效应会凸显,从而降低气体绝缘性能。C_4F_7N/CO_2混合气体是一种有潜力的SF_6替代气体,有必要研究C_4F_7N/CO_2对不均匀电场分布的敏感特性。该文从理论上分析电极表面粗糙引起的局部电场畸变,计算电场畸变程度对C_4F_7N/CO_2绝缘性能的影响,提出采用优异值来评估C_4F_7N/CO_2混合气体对不均匀电场的耐受能力。与SF_6气体对比,发现C_4F_7N/CO_2的优异值随C4F7N含量的降低而增大;当C4F7N体积分数低于20%时,C_4F_7N/CO_2混合气体的优异值比SF_6气体的优异值大。为验证计算结果,制作粗糙电极放电模型进行C_4F_7N/CO_2混合气体和SF_6气体的放电试验,获得了C_4F_7N/CO_2混合气体和SF_6气体的优异值,与计算结果接近。若采用C_4F_7N/CO_2混合气体的设备具有与采用SF_6气体相同的绝缘性能时,分析表明当C4F7N体积分数为4%～20%范围时,SF_6气体绝缘设备中电极表面粗糙度控制值6.3μm的标准适用于C_4F_7N/CO_2混合气体设备。     

C4F7N/CO2混合气体中绝缘子工频沿面闪络特性

C_4F_7N/CO_2环保混合气体作为SF_6的潜在替代气体,被国内外研究学者广泛关注。目前研究主要集中在C_4F_7N/CO_2混合气体的间隙绝缘特性,未见在混合气体中绝缘子沿面绝缘特性的研究。为此,建立了C_4F_7N/CO_2混合气体中绝缘子沿面闪络实验平台,联立PR方程以及安托万方程,对气体混合方法进行了修正,研究了均匀电场下,C_4F_7N/CO_2混合气体的工频间隙击穿电压以及沿面闪络电压与气压及C_4F_7N摩尔百分比的关系。结果表明,5%C_4F_7N/95%CO_2绝缘强度达到SF_6的70%,温室效应降低了99.5%;13%C_4F_7N/87%CO_2的相对绝缘强度可达到80%;17%C_4F_7N/83%CO_2的相对绝缘强度可达到90%以上。综合考虑绝缘强度、液化温度、温室效应以及经济性,对工程应用中C_4F_7N的摩尔百分比及混合气体气压选择方案进行讨论,得出选择低混合比下高气压的方案优于高混合比低气压方案。     

不均匀电场SF_6/N_2混合气体击穿特性的实验研究

文中对SF_6/N_2混合气体在不均匀场下的击穿特性展开研究,通过测量棒—板电极在不同电极间距、混合比、压强下的正、负极性击穿电压值,分析电场不均匀度及气体压强对SF_6/N_2混合气体极性效应的影响。研究结果表明:在0.1 MPa时,击穿电压随着电极间距的增大而增大,N_2负极性的击穿电压高于正极性的击穿电压,在电极间距为12 mm时,负极性击穿电压是正极性击穿电压的1.71倍,而SF_6气体与N_2极性效应相反,表现为正极性的击穿电压略高于负极性的击穿电压;电极间距为4 mm时,随气体压强的升高负极性击穿电压增大,正极性的击穿电压出现饱和效应甚至出现击穿电压跌落现象,SF_6气体体积分数为20%时,0.4 MPa下的正极性击穿电压是0.35 MPa的91.3%。SF_6/N_2混合气体的极性效应随着混合气体中SF_6气体所占比例的下降发生极性反转现象。     

SF_6—CO_2混合气体的绝缘强度

研究表明,虽然SF_6—CO_2混合气体在均匀电场中的击穿强度稍逊于同样混合比的SF_6—N_2混合气体,但在不均匀电场中的击穿强度、特别是在雷电冲击电压下的击穿强度,却优于SF_6—N_2.此外,SF_6—CO_2在气膜复合绝缘中的局部放电特性也优于SF_6—N_2混合气体.     

均匀电场中SF6及其替代气体雷电冲击特性实验研究

SF_6气体因其温室效应所带来的问题被越来越多的人所重视,C_5F_(10)O(C5)、C_4F_7N(C4)及其与Air或CO_2的混合气体被认为是目前最具潜力替代SF_6的绝缘介质。文中基于搭建的可拆实验装置和平台,以板板、同轴两种典型电极结构,实验研究了均匀电场中SF_6及其替代气体雷电冲击特性。结果表明:SF_6、C5/Air和C4/CO_2气体50%击穿电压均随充气压力的升高而增大,SF_6气体的上升率最大,C4/CO_2上升率最小;在同轴结构下,施加雷电冲击电压的极性对SF_6和C4/CO_2气体的击穿电压影响相对较大,对C5/Air气体的影响相对较小;在板板电极结构下,3种气体50%击穿电压随电极开距均呈近线性增加趋势,并且充气压力越高,线性度越高。通过替代气体绝缘特性与SF_6的比值发现,在充气压力较高的设备中,仅靠提高C5/Air、C4/CO_2混合气体的充气压力来改善其绝缘性能,在应用可行性方面会受到很大的局限;在充气压力较低的设备中应用,C4/CO混合气体更具替代SF的可行性。     

C4F7N/CO2二元混合气体雷电冲击绝缘特性研究

SF_6替代气体在电力设备中的应用研究越来越广泛,其中氟化腈C_4F_7N被认为是目前最具潜力实现SF_6替代的气体之一。文中结合隔离开关断口结构,研究了C_4F_7N/CO_2二元混合气体的雷电冲击绝缘特性。基于混合气体绝缘试验平台,重点分析了气体种类,电压极性、充气气压、电极距离、C_4F_7N占比对50%击穿电压的影响规律。试验结果表明:在研究范围内,50%击穿电压随着充气气压、电极距离和C_4F_7N占比的增大均呈升高趋势。当充气气压升高到100、150、200 k Pa时,对应50%击穿电压(20:80,15 mm)分别为109.7、152.9、179.6 kV;当电极距离为5、10、15 mm时,50%击穿电压(35:65,200 k Pa)分别为73.4、138.5、203.0 kV;当C_4F_7N占比为20%、35%和50%时,50%击穿电压(15 mm,200 kPa)分别为180.0、203.0、218.4 kV。     

雷电冲击下极不均匀电场中SF_6/N_2混合气体的协同现象EI北大核心CSCD

近年来在气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中开始逐步使用低SF6混合比的SF6/N2混合气体作为绝缘介质,用以替代纯SF6气体。为了在电力设备中更好地应用SF6/N2混合气体,在极不均匀电场、正负两种极性雷电冲击(LI)下,通过实验分析研究了较低SF6混合比的SF6/N2混合气体的放电特性与协同现象,并在负极性雷电冲击下发现了反常的负协同效应。研究发现:负极性雷电冲击下,N2的击穿电压随气压的升高趋势显著高于SF6与SF6/N2混合气体,当气压超过0.3 MPa后,N2的击穿电压明显高于SF6/N2混合气体,甚至在0.5 MPa时超过了纯SF6的击穿电压,即出现了显著的负协同效应,且随着气压的升高,负协同效应明显增强;正极性下仍存在一定的协同效应,但协同效应随着气压降低而减弱,当气压低至0.2 MPa,亦出现了负协同效应。     

雷电冲击下极不均匀电场中SF_6/N_2混合气体的协同现象

近年来在气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中开始逐步使用低SF6混合比的SF6/N2混合气体作为绝缘介质,用以替代纯SF6气体。为了在电力设备中更好地应用SF6/N2混合气体,在极不均匀电场、正负两种极性雷电冲击(LI)下,通过实验分析研究了较低SF6混合比的SF6/N2混合气体的放电特性与协同现象,并在负极性雷电冲击下发现了反常的负协同效应。研究发现:负极性雷电冲击下,N2的击穿电压随气压的升高趋势显著高于SF6与SF6/N2混合气体,当气压超过0.3 MPa后,N2的击穿电压明显高于SF6/N2混合气体,甚至在0.5 MPa时超过了纯SF6的击穿电压,即出现了显著的负协同效应,且随着气压的升高,负协同效应明显增强;正极性下仍存在一定的协同效应,但协同效应随着气压降低而减弱,当气压低至0.2 MPa,亦出现了负协同效应。     

极不均匀电场中CF3I-CO2混合气体雷电冲击绝缘特性的研究

以含10%CF_3I气体的CF_3I-CO_2混合气体为研究对象,研究了极不均匀电场中CF_3I-CO_2混合气体在正、负极性雷电冲击电压下的绝缘特性。结果表明:在0.1～0.3 MPa气压内,极不均匀电场中CF_3I-CO_2混合气体在正、负极性雷电冲击电压下的50%击穿电压均随着电极间隙距离的增大而逐渐升高,且增长趋势近似为线性,但在0.3 MPa气压下,正极性雷电冲击电压下的50%击穿电压曲线则呈现出一定程度的饱和趋势;当间隙距离较大时,极不均匀电场中CF_3I-CO_2混合气体在正极性雷电冲击电压下的50%击穿电压均比负极性雷电冲击电压下的低;但当间隙距离较小时,CF_3I-CO_2混合气体在正极性雷电冲击电压下的50%击穿电压比负极性雷电冲击电压下更高。     

切向电场主导下C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中环氧复合材料表面电荷积聚特性及机理研究北大核心CSCD

气固界面的电荷积聚问题是诱发沿面闪络的重要原因,而当前C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中电荷积聚特性的相关研究还不够充分。为研究C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中表面电荷积聚特性及机理,本文通过指型电极构建极不均匀电场,测量了环氧复合材料在C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中的表面电荷分布特性;进一步的,为理清表面电荷来源及迁移特性,测量了冲击电压下C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中材料表面电位,比较了附加背板电极前后的表面电荷分布。研究表明,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体与SF_(6)中表面电位分布形态相似,均表现为高压电极附近积聚大量同极性电荷,地电极附近积聚少量异极性电荷。随着C4F7N含量升高,C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体抑制电荷积聚能力增强。表面电荷来源于气体电离和高压电极注入并且随着电场强度的改变,电荷来源也发生变化,切向电场促进了电荷沿表面向更大范围的迁移。该工作对于明确C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中表面电荷积聚特性及环保型绝缘气体的推广应用具有重要意义。     

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。     

新型环保绝缘气体1-C3F6与CO2混合气体的绝缘性能研究

文中介绍了一种新型环保绝缘气体六氟丙烯(1-C_3F_6),并重点研究了1-C_3F_6与CO_2混合气体在不同电极结构和电压特性下的绝缘特性。研究表明:在均匀电场中,1-C_3F_6/CO_2混合气体的50%击穿电压随着电极间距、气压的增加而增加,工频击穿电压随着充气压力的升高而近似线性升高,纯1-C_3F_6气体在1.25 bar(1 bar=100 k Pa)时的工频击穿电压与SF_6接近。此外,在各个充气压力下,1-C_3F_6/CO_2混合气体的工频击穿电压都比C_5F_(10)O/Air混合气体高。在稍不均匀电场中,1-C_3F_6/CO_2混合气体直流和工频击穿电压随着充气压力的升高而升高,表现出较好的线性度。在极不均匀电场下,1-C_3F_6/CO_2混合气体工频击穿电压随着充气压力的升高而缓慢升高,逐渐趋于饱和。文中的试验结果可以为电力产品设计提供参考和依据。     

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。     

直流电场下C_4F_7N/CO_2与SF_6/N_2混合气体中铝质球形自由微粒放电敏感度对比分析

直流气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)充SF_6混合气体或SF_6替代气体时,其绝缘性能将受到自由金属微粒的影响。本文重点针对C_4F_7N/CO_2以及SF_6/N_2混合气体,开展绝缘强度的影响分析。选用的实验气体组份为:C_4F_7N/CO_2(4%/96%)、SF_6/N_2(其中SF_6比例分别为20%、30%、50%和70%)以及纯SF_6气体,在球-碗电极直流电场下,开展微粒影响下的气隙击穿实验。提出微粒放电敏感度(DSP)的概念及定义,用以评估不同组分气体绝缘强度对金属微粒导致的局部电场强度剧变的敏感程度。实验结果表明,在0.1~0.5MPa气压范围内,不存在微粒时,4%C_4F_7N/96%CO_2绝缘强度与30%SF_6/70%N2混合气体相当;存在微粒影响时,4%C_4F_7N/96%CO_2混合气体的DSP值低于30%SF_6/70%N2混合气体的,而高于20%SF_6/80%N2混合气体的,且放电电流呈现双峰值特征。C_4F_7N/CO_2混合气体具有绝缘强度高、对微粒放电敏感度低的特性,这与C_4F_7N具有强电负性和高吸附系数有关。本文还结合微粒运动触发放电的物理模型,阐明了气隙击穿电流出现双峰特征的原因。     

冲击电压下CF_3I/N_2混合气体放电极性效应研究

SF_6气体具有极强的温室效应,寻找新型SF_6替代气体成为国内外学者需要解决的迫切问题。该文研究了CF_3I/N_2混合气体针–板间隙和球–板间隙在正负雷电冲击电压作用下的绝缘特性,对CF_3I及其混合气体在电力设备中的应用具有重要意义。实验结果表明:极不均匀电场与稍不均匀电场下,CF_3I/N_2混合气体的间隙放电均存在显著的极性效应。在电极间隙为5mm时随着气压的升高还出现了极性反转现象。针–板电极下原本较高的负极性50%击穿电压在气压较低时出现了低于正极性击穿电压的情况,球–板电极下原本较高的正极性50%击穿电压也出现了低于负极性击穿电压的情况。分析表明,CF_3I/N_2混合气体出现极性效应以及在短间隙下的极性反转是由于电极间隙间空间电荷的迁移和扩散与气压的共同作用造成的。因此,使用CF_3I/N_2混合气体作为绝缘介质的电力设备应着重考虑不同气压及均匀度下的极性效应及反转问题。     

SF_6/空气混合气体用于C—GIS的研究

实验表明,在SF_6中加入10％的空气可明显提高在极不均匀电场中的雷电冲击击穿电压。因此在气体绝缘开关柜中采用混合比为90/10的SF_6/空气混合气体,可望使开关柜尺寸进一步缩小。     

雷电冲击下稍不均匀电场中SF_6/N_2混合气体的协同效应

近年来,在气体绝缘金属封闭输电线路(GIL)中开始使用低SF6体积分数的SF6/N2混合气体作为绝缘介质,但对这种混合气体的协同效应相关研究还不多。为此,在稍不均匀电场、正负2种极性雷电冲击(LI)下,研究了较低SF6体积分数的SF6/N2混合气体的击穿特性及协同效应受电压极性和气压的影响。结果表明:在较低气压和负极性雷电冲击下的击穿电压高于正极性;当气压超过某一临界值后,正极性下的击穿电压将高于负极性。引入协同效应系数对混合气体的协同效应进行了分析,发现:负极性雷电冲击下协同效应系数0.1,且受气压影响不明显;正极性下的协同效应相对较弱,但随着气压升高协同效应增强。