C_4F_7N/CO_2混合气体中252kV盆式绝缘子工频沿面闪络特性研究

研究SF_6替代气体及其在气体绝缘设备中应用的可行性是近年来电气工程领域的热点之一。C_4F_7N是一种全球变暖潜能值低、绝缘性能优异的环保型绝缘气体,它与CO_2组成的混合气体有望完全替代SF_6。该文通过试验研究C_4F_7N含量为5%、9%、13%的C_4F_7N/CO_2混合气体中252kV盆式绝缘子的工频耐压和沿面闪络特性,并与0.5MPa SF6中的实验结果进行对比。结果表明:绝大部分沿面闪络发生在盆式绝缘子的凹面侧而非凸面侧;C_4F_7N/CO_2混合气体的沿面闪络电压随气压的上升而升高;相同气压下,沿面闪络电压随着C_4F_7N含量的增加而升高,并存在饱和趋势。0.6MPa下9%C_4F_7N/91%CO_2与0.5MPa下SF_6中绝缘子的沿面闪络电压近似相等。最后结合实验数据和仿真结果,制定了绝缘件的电场强度设计基准。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

新型环保气体在35kV断路器中灭弧性能的仿真与实验研究

高压电力设备中常用的灭弧气体是SF_6,其具有良好的灭弧性能和绝缘强度。但是,SF_6是一种强温室效应的气体,在将来将被逐渐禁用。因此,研究以氟化腈C_4F_7N气体为代表的新型环保气体作为SF_6的替代气体并分析其灭弧性能,成为了近年的热点问题。电流开断是一种复杂的多物理场耦合过程,研究气体电弧的发展规律对提升断路器的开断能力意义重大。文中主要针对SF_6、C_4F_7N/CO_2不同气体介质的燃弧过程进行了仿真,得到C_4F_7N混合气体的温度分布和气压分布与SF_6的差异。通过35 kV断路器开断实验,可以解释断路器开断过程中的相关物理现象,并研究C_4F_7N/CO_2的具体灭弧性能,以判断其对SF_6的实际可替代性。最终结果显示,5%C_4F_7N+6%O_2+89%CO_2混合气体在单次分闸以及重合闸工况下都可以成功开断25 k A的短路电流。     

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。     

c-C4F8/CO2混合气体的绝缘子沿面闪络性能研究

对c-C_4F_8/CO_2混合气体的绝缘子沿面闪络性能展开研究,得到了在不同气压、不同电压类型下不同混合比例的c-C_4F_8/CO_2的沿面闪络电压,与CO_2和SF_6的沿面闪络电压进行对比,并观测实验后的绝缘子。结果表明:在工频电压和雷电冲击电压下,c-C_4F_8含量和气压是影响c-C_4F_8/CO_2沿面闪络性能的重要因素;在0.10MPa下,c-C_4F_8含量为30%的c-C_4F_8/CO_2的沿面闪络电压为SF_6的80%;在0.30 MPa下,30%含量的c-C_4F_8/CO_2沿面闪络电压约为0.10 MPa下SF_6的1.4倍,但多次实验之后绝缘子出现损坏。     

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。     

SF6替代气体在隔离开关中的开断性能仿真研究

SF_6气体由于其优秀的绝缘和灭弧性能而被广泛应用于高压电力开关设备中。但是,SF_6是一种强温室效应的气体,因此,研究以氟化腈(C_4F_7N)气体为代表的新型环保气体作为SF_6的替代气体成为了目前高压电器领域的热点问题。文中针对126 kV隔离开关结构,建立了燃弧过程的磁流体动力学模型,采用SF_6气体和C_4F_7N/CO_2混合气体的真实气体模型,对比研究了SF_6和C_4F_7N/CO_2混合气体在不同充气压力和触头运动速度下的燃弧过程。建立了弧后电击穿的评估方法,针对C_4F_7N/CO_2混合气体在隔离开关结构下弧后的温度及气压分布,预测了弧后最有可能发生电击穿的区域。文中的结果可以为新型环保气体在隔离开关设备中的应用和优化设计提供参考。     

C4F7O-CO2混合气体自由燃弧电弧特性实验研究

C_4F_7N-CO_2混合气体有可能替代SF_6作为绝缘和灭弧介质,研究其燃弧特性具有重要意义。文中通过棒-棒电极下的自由燃弧实验,研究了CO_2、体积分数40%C_4F_7N-60%CO_2以及SF_6几种气体的电弧特性。实验中测量了电弧电压、电流、零区特性以及光谱分布等众多参量,基于Mayr电弧模型分析了电弧能量累积和耗散过程,结合Abel逆变换和玻耳兹曼斜率法得到电弧径向温度分布。实验发现:CO_2气体电弧稳定性极差,燃弧期间电弧电压高于SF_6电弧且多次剧烈波动,加入C_4F_7N后,电弧稳定性得到改善,电弧电压降低;加入C_4F_7N后,自由燃弧期间其电弧能量累积量减小,电流过零前的能量耗散系数降低;电流峰值时刻CO_2、40%C_4F_7N-60%CO_2以及SF_6几种气体电弧弧芯温度分别为20 000、18 900、14 900 K,电弧直径分别为13、17、23 mm,C_4F_7N对降低CO_2电弧弧芯温度有明显作用。     

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和C4F7N/N2混合气体工频击穿实验与协同效应分析

为获得C_4F_7N混合气体最优缓冲气体类型,测量了均匀电场0.1～0.7 MPa下,5%～20%C_4F_7N/CO_2和C_4F_7N/N_2混合气体的工频击穿强度,并分析了2种混合气体的协同特性。基于密度泛函理论的M06-2X-D3/6-311G(d, p)方法建立并优化C_4F_7N、CO_2、N_2分子及C_4F_7N与CO_2、C_4F_7N与N_2的双分子复合物构型,并由M06-2X-D3/6-311+G(d, p)方法获得分子/复合物总能量、相互作用能和键能等。实验和理论计算结果表明,C_4F_7N/CO_2和C_4F_7N/N_2 2种混合气体绝缘强度随混合比例变化时均表现出协同效应,且2种混合气体的协同效应随C_4F_7N占比的增大而增强,同时C_4F_7N/CO_2混合气体协同效应和绝缘强度都强于C_4F_7N/N_2混合气体;C_4F_7N与CO_2双分子间的相互作用强于C_4F_7N与N_2双分子结构。研究发现,C_4F_7N混合气体协同效应与分子间相互作用存在一定的关联性,可通过计算C_4F_7N与缓冲气体分子的相互作用定性分析C_4F_7N混合气体协同效应的强弱。     

电极表面粗糙程度对环保型绝缘气体C6F12O/CO2工频击穿电压的影响

由于电力工业排放SF_6的温室效应已不容忽视,环保型绝缘气体C_6F_(12)O在中低压开关柜中具有替代SF_6的潜力。为了探索设备内金属导体表面粗糙程度对C_6F_(12)O/CO_2气体工频击穿电压的影响规律,通过实验对比研究不同气压、不同体积分数的C_6F_(12)O/CO_2与SF_6和CO_2在不同电极表面粗糙程度时的工频击穿特性,以探究C_6F_(12)O/CO_2混合气体绝缘特性对金属表面粗糙程度和气压的协同敏感度。结果表明:C_6F_(12)O/CO_2混合气体的绝缘强度与金属电极表面粗糙程度关系较大,但相比于SF_6,其对金属电极表面粗糙程度的敏感度更小;金属电极表面粗糙程度对C_6F_(12)O/CO_2混合气体工频击穿电压的影响随着气压的增大而不断增强。     

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。     

操作冲击电压下C4F7N/CO2混合气体252kV GIL间隙及沿面放电特性

C4F7N/CO2混合气体作为有望在高电压等级气体绝缘输电管道(GIL)中替代SF6的环保绝缘气体被广泛研究.在高电压等级下,操作冲击电压下的介质绝缘特性成为绝缘配合中无法忽略的重要因素,然而现阶段操作冲击电压下C4F7N/CO2混合气体中间隙击穿和沿面闪络特性研究很少.该文通过实验研究操作冲击电压下C4F7N摩尔百分比为5％、9％、13％的C4F7N/CO2混合气体中252kV GIL中间隙和沿面放电特性,并与0.5MPa SF6中的实验结果进行对比.结果表明,放电电压随压强及混合气体C4F7N摩尔百分比升高而上升;放电存在盆式绝缘子凹面侧间隙-沿面闪络和间隙击穿两种形式;0.5MPa 13％C4F7N/87％CO2、0.6MPa 9％C4F7N/91％CO2混合气体下沿面绝缘强度达到0.5MPa下SF6绝缘强度的87％以上,而0.7MPa 9％C4F7N/91％CO2混合气体下沿面绝缘强度已超过0.5MPa下SF6的绝缘强度.     

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。