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c4f7n/co2混合气体对局部不均匀电场的敏感特性

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电工技术学报 2020年第1期35卷 43-51页

作者：颜湘莲郑宇黄河杨圆周文俊柏长宇中国电力科学研究院有限公司北京100192 武汉大学电气与自动化学院武汉430072 平高集团有限公司平顶山467001

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。c4f7n/co2混合气体是一种有潜力的Sf6替代气体,有必要研究c4f7n/co2对不均匀电场分布的敏感特性。该文从理论上... 详细信息

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。c4f7n/co2混合气体是一种有潜力的Sf6替代气体,有必要研究c4f7n/co2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c4f7n/co2绝缘性能的影响,提出采用优异值来评估c4f7n/co2混合气体对不均匀电场的耐受能力。与Sf6气体对比,发现c4f7n/co2的优异值随c4f7n含量的降低而增大;当c4f7n体积分数低于20%时,c4f7n/co2混合气体的优异值比Sf6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c4f7n/co2混合气体和Sf6气体的放电试验,获得了c4f7n/co2混合气体和Sf6气体的优异值,与计算结果接近。若采用c4f7n/co2混合气体的设备具有与采用Sf6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,Sf6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c4f7n/co2混合气体设备。

关键词： c4f7n/co2混合气体 Sf6 气体电极表面粗糙度气体放电优异值

c4f7n/co2混合气体断路器动态电弧零区特性及影响因素研究

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C4F7N/CO2混合气体断路器动态电弧零区特性及影响因素研究

作者：李雪沈阳工业大学

学位级别：硕士

抑制电弧产生和发展是高压开关领域研究的关键问题。Sf因其电负性极强,易于捕获自由电子形成负离子而被广泛应用于高压开关中。近年来随着人们环保意识的提升,Sf带来的温室效应受到关注,因此寻找Sf替代气体成为当前亟待解决的问题。相比... 详细信息

抑制电弧产生和发展是高压开关领域研究的关键问题。Sf因其电负性极强,易于捕获自由电子形成负离子而被广泛应用于高压开关中。近年来随着人们环保意识的提升,Sf带来的温室效应受到关注,因此寻找Sf替代气体成为当前亟待解决的问题。相比于Sf,新型环保气体cfn在大气中存在寿命短,温室效应远低于Sf,因而备受关注。由于cfn易于液化,常常与缓冲气体混合使用以降低液化温度,co成本低、易于获得,是当前主要采用的缓冲气体。因此对cfn/co混合气体的电弧特性研究对新型环保气体开关的研发尤为重要。零区是交流电弧熄灭的关键,处于零区的电弧参数变化速率快,热电过程直接影响了弧后介质的重燃,因此提取零区电弧特性、分析cfn/co混合气体零区复杂的电热行为及影响因素,对研究Sf替代气体的熄弧有重要意义。本文综述了当前Sf替代气体的研究现状,基于交流电弧开断的基础理论和真实产品灭弧室结构,以cfn/co混合气体和Sf气体为研究对象,建立了二维轴对称电弧模型,考虑了湍流作用对电弧发展的影响,对电场、气流场和温度场进行了耦合求解。仿真首先研究了cfn/co混合气体和Sf气体电弧稳态燃烧阶段的电弧形态、电弧电导及电弧电压和温度分布等参数,通过对稳态阶段的研究获得零区电弧输入参数。接下来从零区电弧形态、电弧电导及电弧电压参数和温度分布进一步对cfn/co混合气体和Sf气体零区电弧进行对比分析。结果表明cfn/co混合气体的零区电弧形态及温度分布和Sf高度相似,但相比于Sf,cfn/co混合气体零区电弧电压较低,零区电弧电导较高。最后通过对比Sf分析了10%cfn/90%co混合气体以及5%cfn/95%co混合气体在5atm下的零区电弧电压及电弧电导;探讨在不同气压下cfn/co混合气体电弧行为及物理场变化,结果表明在5atm充气压下,10%cfn/90%co气体电弧电压和电弧电导变化更接近Sf;适当提高充气压有利于cfn/co混合气体灭弧性能的提升。本文的仿真结果为研究Sf替代气体灭弧及新型环保断路器的研发提供一定的参考。

关键词： Sf6替代气体 c4f7n/co2混合气体零区电弧特性多物理场耦合磁流体动力学(MHD)

c4f7n/co2混合气体环网柜电弧特性研究

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C4F7N/CO2混合气体环网柜电弧特性研究

作者：李伟大连理工大学

学位级别：硕士

Sf气体依靠其优良的绝缘性能和灭弧性能,在电力开关设备领域被广泛地应用到高压及特高压输配电开关设备中。但是,大量的Sf气体的使用会产生严重的温室效应,对大气环境造成较严重的破坏,已被国际社会列为受限制排放的温室性气体,相关行... 详细信息

Sf气体依靠其优良的绝缘性能和灭弧性能,在电力开关设备领域被广泛地应用到高压及特高压输配电开关设备中。但是,大量的Sf气体的使用会产生严重的温室效应,对大气环境造成较严重的破坏,已被国际社会列为受限制排放的温室性气体,相关行业被要求使用该气体时需要采取相应的管制措施。因此,为了满足低碳、绿色发展,我国电力行业要想实现“双碳”目标,寻找到能够替代Sf气体的性能优良的灭弧介质已然成为了绿色发展的必然需求。本文围绕目前提出的新型环保气体cfn与co的混合气体,基于12 k V环网柜的灭弧室结构对cfn/co混合气体的燃弧特性及其开断特性进行了研究。首先,搭建了合成回路试验平台来提供高压大电流开断,通过试验数据分析了混合气体环网柜长短燃弧开断情况下电弧的运动形态和弧压特性,并测得了环网柜成功开断时所能承受的暂态恢复电压。其次,文中分析了混合气体电弧和Sf气体电弧燃弧特性的区别,其表现在混合气体电弧在电流过零前的熄弧尖峰低于Sf气体电弧,并且其开断能力弱于Sf气体。最后,为了探究不同试验条件对于混合气体环网柜开断能力的影响,文中对不同的气压、分闸速度和混合比等试验条件下的环网柜进行了开断试验并进行了分析。为了提升混合气体环网柜的开断能力,本文基于磁流体动力学模型建立了混合气体灭弧室的三维计算模型,使用气流场仿真软件分析了环网柜在开断过程中电弧的运动形态及其弧压特性,所得到的电弧的运动形态和电压的发展趋势与试验数据相吻合,表明搭建的仿真模型能够定性地分析电弧的燃弧特性。基于此仿真模型,本文对环网柜静触头的结构、栅片底端与动触头顶端的距离、栅片的结构和材料、磁场调控等方面进行了仿真,分析了不同的灭弧系统参数对于燃弧特性及弧压提升的影响规律,为提升混合气体环网柜的开断能力提供了设计依据。本文最后对不同栅片底端与动触头顶端的距离、不同栅片材料以及磁场调控下的环网柜进行了开断能力试验,分析了上述灭弧系统参数对于混合气体环网柜开断能力的影响规律,为采用cfn/co混合气体的环网柜设计提供了实践指导。

关键词： c4f7n/co2混合气体环网柜燃弧特性开断特性弧压提升

c4f7n/co2混合气体放电分解及其分解组分在Al(110)表面吸附的研究

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C4F7N/CO2混合气体放电分解及其分解组分在Al(110)表面吸附的研究

作者：王强沈阳工业大学

学位级别：硕士

Sf被广泛应用于气体绝缘设备,但存在温室效应高和电场不均匀度影响大等问题,使得国内外开始寻求Sf的替代介质。cfn在介电强度、GWP和大气中存在时间等方面均表现优异,引起了学者们的广泛关注。在实际工况下,cfn因液化温度高常与缓冲气... 详细信息

Sf被广泛应用于气体绝缘设备,但存在温室效应高和电场不均匀度影响大等问题,使得国内外开始寻求Sf的替代介质。cfn在介电强度、GWP和大气中存在时间等方面均表现优异,引起了学者们的广泛关注。在实际工况下,cfn因液化温度高常与缓冲气体co混合使用,然而cfn/co混合气体放电分解机制和分解产物尚不明确,并且cfn以及分解产物与气体绝缘设备壳体材料Al的相容性也需进一步研究。故本文选取金属Al较为常见的(110)表面作为相容性的研究对象,基于密度泛函理论提出一种精确的计算方法和构建出准确的计算模型,并搭建设备工况下真实放电的平台,由此展开对cfn/co混合气体放电分解及其分解组分在Al(110)表面吸附的研究。本文首先对cfn/co混合气体放电分解展开研究:计算常温常压(1.013×10 Pa,298.15 K)下各分解反应过程中的能量变化,分析各反应的难易并确定分解路径和分解产物;计算放电分解产物的电离参数,分析分解前后的绝缘性能;搭建放电分解产物检测平台,利用试验进一步验证仿真计算结果。随后对cfn与Al(110)表面的相容性展开研究:计算cfn和Sf在Al(110)表面的吸附,分析和对比这两种分子的吸附,也将cfn在Al(110)表面的吸附同Al(100)表面和Al(111)表面进行比较。最后对cfn/co放电分解产物与Al(110)表面的相容性展开研究:计算分解产物(cf、cfcn、cof)在Al(110)表面的吸附,分析它们在Al(110)表面吸附过程,探究其与Al(110)表面的相互作用机制。研究结果表明:cfn/co混合气体放电分解主要体现为cfn生成的自由基相互结合,分解产物为cf、cf、cfcn、cfcfcn、cncn、co等气体。从电离参数角度讲,cfn/co混合气体放电分解后的绝缘性能较分解前略有减弱。cfn在Al(100)表面、Al(110)表面和Al(111)表面的吸附强度均弱于Sf在Al(110)表面的吸附。cfcn和cof比cf与Al(110)表面的相互作用更强,但相对于cfn而言,这三种气体产物均不易吸附于Al(110)表面。cfcn和cof在Al(110)表面吸附时,原子间的轨道杂化促使n原子(cn基团)和O原子(co基团)分别与Al原子之间生成化学键。cfn和分解产物(cf、cfcn、cof)均与Al(110)表面有一定的相容性。本文的研究成果可为cfn/co混合气体放电分解的研究提供数据参数和理论基础,并为环保型绝缘介质cfn的应用及其设备的研发提供借鉴与指导,具有重要的理论价值和实际意义。

关键词： c4f7n/co2混合气体放电分解 Al(110)表面吸附特性相容性

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c4f7n/co2混合气体灭弧特性研究

C4F7N/CO2混合气体灭弧特性研究

作者：王成丽沈阳工业大学

学位级别：硕士

六氟化硫因其优异的绝缘和灭弧性能而广泛用于电力系统中,然而Sf具有严重的温室效应,为消除或降低Sf对环境的影响,各国学者都开始尝试寻找新型环保气体替代Sf。cfn气体其优良的电气性能和较低的温室效应,自推出以来就受到研究人员的广... 详细信息

六氟化硫因其优异的绝缘和灭弧性能而广泛用于电力系统中,然而Sf具有严重的温室效应,为消除或降低Sf对环境的影响,各国学者都开始尝试寻找新型环保气体替代Sf。cfn气体其优良的电气性能和较低的温室效应,自推出以来就受到研究人员的广泛关注,被认为是目前最有潜力替代Sf的环保型气体。但由于cfn本身的液化温度较高,因此需要混合液化温度较低的缓冲气体,降低其液化温度,目前常见的缓冲气体为co。因此对cfn/co混合气体特性进行研究,尤其对其灭弧性能进行研究,在高压电器研究领域有重要意义。本文首先介绍了Sf替代气体的研究现状和趋势,提出cfn/co混合气体替代Sf的可行性,接下来阐述了开断电弧研究的理论基础及后续仿真使用的电弧模型。以Sf、co和cfn/co混合气体为研究对象,建立co、Sf、cfn/co混合气体在直流电源、单一喷口、固定电极条件下的电弧模型。探索不同气体介质产生不同灭弧性能表现的原因,首先从电弧温度分布、电压分布、气压分布以及流体流速分布方面对co、Sf和cfn/co混合气体三种不同灭弧介质进行电弧特性分析。接下来从电弧径向温度分布、有效导热系数分布以及气体材料性能对电弧特性的影响方面进一步对三种灭弧介质的电弧特性对比分析,对比电弧形态上的差别与电弧温度的冷却速度快慢,从而找出决定气体灭弧性能密切相关的物性参数,研究cfn/co混合气体的灭弧性能。在此基础上,研究在不同影响因素下cfn/co混合气体的电弧特性,研究cfn/co混合气体替代Sf气体灭弧的可行性。仿真研究结果给出了两种气体的电弧特性以及可变因素对cfn/co混合气体电弧特性的影响,为研发新型Sf替代气体断路器提供理论依据。

关键词： c4f7n/co2混合气体 Sf6替代气体电弧物性参数

c4f7n/co2混合气体环网柜燃弧分解特性研究

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C4F7N/CO2混合气体环网柜燃弧分解特性研究

作者：袁枫大连理工大学

学位级别：硕士

全氟异丁腈气体(cfn)具有良好的环保的特性和优异的电气性能,成为替代Sf气体的新型绝缘环保介质的热门研究对象。cfn及其混合气体的分解特性是衡量其是否能够替代Sf的关键,对cfn的工程应用具有十分重要的意义。本文针对环网柜中cfn/co... 详细信息

全氟异丁腈气体(cfn)具有良好的环保的特性和优异的电气性能,成为替代Sf气体的新型绝缘环保介质的热门研究对象。cfn及其混合气体的分解特性是衡量其是否能够替代Sf的关键,对cfn的工程应用具有十分重要的意义。本文针对环网柜中cfn/co混合气体的燃弧分解特性开展研究。本文首先基于12k V环网柜对cfn/co混合气体进行了燃弧实验,对微正压下混合气体的分解特性进行了研究。采用气相色谱-质谱技术对混合气体的环网柜燃弧分解产物进行了测试与分析。测试结果确定了混合气体燃弧后的分解产物种类,包括cf、cf、cfn、cf、cf、cfn、cf、cn、cf等物质。分解产物的生成量与燃弧次数呈正相关性,不同气体混合比的分解产物在种类和含量上各有差异,各类分解产物在生成时间上存在先后顺序。产物cf是该实验条件下的特征产物,产物cf是cfn的混合比较高时的特征产物。其次基于热力学平衡原理,利用密度泛函理论(DfT)计算和反应分子动力学模拟对cfn/co混合气体的分解机理进行了理论研究。通过量子化学计算,从分子能量角度对cfn的分解路径进行了计算与推测,确定cfn的分解机理的实质是与碳链相连的自由基的取代过程。通过反应分子动力学模拟对cfn/co混合气体在温度变化下的分解过程进行了动态分析,得到了cfn分解过程中自由基数量的动态变化情况。结合计算与模拟结果,分析了cfn的分解路径,揭示了完整的cfn的分解过程。最后对cfn/co混合气体的分解产物的绝缘性能进行了计算,对分解产物的形成规律以及混合气体电气性能老化进行了初步研究。计算结果表明,主要分解产物的绝缘强度计算值比cfn气体本身要低。通过分析分解产物的反应复杂程度与产物含量之间的关系,得出反应过程总焓变值越低、反应路径越简单、分子本身结构越简单的分解产物,其相对生成量也会越多。本文通过确定产物的种类及其生成量之间的比例关系,得出一种判断cfn/co混合气体的电气性能老化程度的新方法,可以为气体老化判断提供参考依据。

关键词： c4f7n/co2混合气体环网柜分解机理绝缘性能

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c4f7n/co2混合气体熄弧特性研究

C4F7N/CO2混合气体熄弧特性研究

作者：王佳田沈阳工业大学

学位级别：硕士

电网规模随着电力技术的不断发展迅速扩大,Sf电气设备也得到了广泛的应用。然而Sf气体具有严重的温室效应,电力行业需要大幅减少甚至禁用Sf气体,世界各国的学者一直致力于寻求可以替代Sf的环保型气体。近些年来,全氟异丁腈(cfn)气体以... 详细信息

电网规模随着电力技术的不断发展迅速扩大,Sf电气设备也得到了广泛的应用。然而Sf气体具有严重的温室效应,电力行业需要大幅减少甚至禁用Sf气体,世界各国的学者一直致力于寻求可以替代Sf的环保型气体。近些年来,全氟异丁腈(cfn)气体以其优良的电气性能和较低的全球变暖系数,受到了许多科研人员的青睐,并被认为是最具潜力在高压领域替代Sf的环保气体。但因其液化温度较高限制了其使用范围,需要与某些缓冲气体(目前应用较多的是co气体)进行配合使用。对cfn混合气体的熄弧性能研究具有重要意义,而目前国内外对这方面的研究工作相对较少,因此本文对cfn/co混合气体的熄弧性能进行了研究。本文首先介绍了替代气体的研究现状,指出cfn/co混合气体最具潜力替代Sf气体,接着引进了电弧理论,为后续试验分析奠定了理论基础,通过设计试验回路,进而搭建电弧试验平台,并对试验回路进行调试,使其满足试验所需精度。对Sf、co、1%cfn/99%co、5%cfn/95%co以及9%cfn/91%co混合气体在0.4Mpa～0.8MPa下,回路电压为1.6kV时开展不同大小的短路电流开断试验。通过分析电弧电压、电弧电导、电弧能量、不同开断相角以及利用麦也尔方程计算出来的散能系数,研究cfn/co混合气体的熄弧性能。研究结果表明,随着cfn含量的增加,其熄弧性能逐渐增加,15kA开断电流时,0.6MPa的5%cfn/95%co混合气体中的电弧电压熄弧峰值约为Sf的0.67倍,9%cfn/91%co混合气体约为Sf的0.76倍;在同等条件下,cfn熄弧性能与Sf气体仍有一定的差距,cfn/co混合气体的散能系数低于Sf气体的散能系数;可以通过提高cfn/co混合气体的气体压强,在一定的场合可以实现对Sf气体的替代,在20kA开断电流时,0.8MPa的9%cfn/91%co混合气体的电弧电导要低于0.6MPa Sf的电弧电导;减小开断相角,有利于电弧的熄灭;在cfn/co混合气体中多次开断电流之后,会有大量的黑色粉尘,对气体的熄弧性能造成影响,应及时进行清理。

关键词： c4f7n/co2混合气体电弧试验平台熄弧性能

工频电压下电场不均匀度对c4f7n/co2混合气体绝缘性能的影响

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高电压技术 2020年第3期46卷 1019-1027页

作者：张天然周文俊王凌志胡世卓喻剑辉武汉大学电气与自动化学院武汉430072

近年来,环保气体c4f7n被人们广泛研究来取代Sf6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c4f7n/co2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c4f7n混合比例、气压下c4f7n/co2混合气... 详细信息

近年来,环保气体c4f7n被人们广泛研究来取代Sf6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c4f7n/co2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c4f7n混合比例、气压下c4f7n/co2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c4f7n/co2混合气体和Sf6的击穿特性。试验发现,在电场不均匀度增大过程中,c4f7n/co2混合气体出现了击穿电压突变的n型曲线特征,Sf6也表现出类似的现象。此外,根据c4f7n/co2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c4f7n体积分数需要分别达到9%、5%、7%、5%、5%,才能使得c4f7n/co2混合气体绝缘强度可达到Sf6绝缘强度的0.8倍;若要求c4f7n/co2混合气体绝缘强度达到Sf6的0.9,则需提高c4f7n体积分数至13%及以上。

关键词： c4f7n/co2混合气体电场不均匀度工频击穿 n型曲线液化温度

电场不均匀度对c4f7n/co2混合气体雷电冲击放电特性的影响

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高电压技术 2020年第4期46卷 1372-1378页

作者：宋佳洁李晓昂吕玉芳袁勰雨张乔根苏镇西西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室西安710049 国网安徽省电力公司电力科学研究院合肥230022

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c4f7n/co2混合气体雷电冲击放电特性的变化规律。结果表明:... 详细信息

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c4f7n/co2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,c4f7n/co2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Sf6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,c4f7n/co2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c4f7n/co2(5%~20%)>Sf6>co2。

关键词：雷电冲击电场不均匀度 c4f7n/co2混合气体击穿特性 Sf6替代气体