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PFAS及含氟气体管控下环保绝缘气体研究与电力装备应用展望

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中国电机工程学报 2024年第1期44卷 362-376,I0030页

作者：张晓星肖淞张博雅李祎田双双李兴文傅明利唐炬唐念赵波曾纪珺新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心(湖北工业大学) 湖北省武汉市430068 电网环境保护全国重点实验室(武汉大学电气与自动化学院) 湖北省武汉市430072 电工材料电气绝缘全国重点实验室(西安交通大学) 陕西省西安市710049 南方电网科学研究院有限责任公司广东省广州市510080 广东电网有限责任公司电力科学研究院广东省广州市510699 氟氮化工资源高效开发与利用国家重点实验室(西安近代化学研究所) 陕西省西安市710065

全球气候变化背景下,SF6的使用将受到更严格的限制。以C_(4)F_(7)N和C_(5)F_(10)O等为代表的低全球变暖潜在值(global warming potential,GWP)、高绝缘强度气体得到了广泛关注,相关高压电气装备已在多个国家推广应用。然而随着2019年《... 详细信息

全球气候变化背景下,SF6的使用将受到更严格的限制。以C_(4)F_(7)N和C_(5)F_(10)O等为代表的低全球变暖潜在值(global warming potential,GWP)、高绝缘强度气体得到了广泛关注,相关高压电气装备已在多个国家推广应用。然而随着2019年《斯德哥尔摩公约》的签署,世界多国逐步出台了针对全氟烷基和多氟烷基物质(polyfluoroalkylsubstances,PFAS)以及含氟气体限制使用的法规和标准,以美国和欧盟为代表的激进PFAS政策也间接导致3M公司计划于2025年底累计停产包括C_(4)F_(7)N、C_(5)F_(10)O在内的58种含氟物质。为此,该文深入剖析PFAS及含氟气体管控背景下环保绝缘气体与装备发展面临的挑战,阐述相关政策对我国气体绝缘装备低碳发展的影响,指出氟碳类环保绝缘气体的全生命周期管控标准的制定及应用监管规范化是目前的重要工作,并对新型绝缘气体分子设计方法、绝缘与放电理论、工程应用技术及产品研发等方面的未来发展进行展望,以期为我国环保电力装备研发及相关政策的制定提供参考。

关键词：环保绝缘气体多氟烷基物质(polyfluoroalkyl substances,PFAS) 含氟气体管控政策

O_(2)对C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体绝缘性能和分解特性的影响

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高压电器 2021年第3期57卷 27-32页

作者：田双双靳小平张晓星袁子安李晓涵兰佳琪吴铁洲熊兰湖北工业大学新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心武汉430068

由于C_(6)F_(12)O具有优良的绝缘性能和环保特性,受到国内外SF_(6)替代气体领域内学者们的广泛关注。为探索C_(6)F_(12)O混合气体应用的最优方案,研究O_(2)对C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体绝缘性能和分解特性的影响。搭建气体工频击穿试... 详细信息

由于C_(6)F_(12)O具有优良的绝缘性能和环保特性,受到国内外SF_(6)替代气体领域内学者们的广泛关注。为探索C_(6)F_(12)O混合气体应用的最优方案,研究O_(2)对C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体绝缘性能和分解特性的影响。搭建气体工频击穿试验平台对不同O_(2)混合比、不同气压的C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体进行工频击穿试验研究,使用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)定性定量分析150次工频击穿后混合气体的分解产物,同时观察击穿后电极表面固体物质析出量的变化,探讨应用于工程的C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体的O_(2)混合比与气压范围。研究结果表明,C_(6)F_(12)O/CO_(2)混合气体中加入3%~7%的O_(2)可以较好地提升气体绝缘性能,此外加入O_(2)在击穿放电时能够抑制固体碳的析出,降低高毒性物质C_(3)F_(6)的体积分数,但是会促进C_(6)F_(12)O的分解,使得CF_(4)、C_(2)F_(6)、COF_(2)、CO的体积分数上升。综合考虑绝缘性能和分解特性后认为气压范围为0.1~0.18 MPa,O_(2)混合比为3%~5%的C_(6)F_(12)O-CO_(2)-O_(2)混合气体具有一定的工程实用价值。

关键词： C_(6)F_(12)O-CO_(2)-O_(2)混合气体绝缘性能分解特性环保绝缘气体

C_(6)F_(12)O/N_(2)混合气体与环氧树脂相容性研究

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高压电器 2021年第3期57卷 97-103页

作者：张晓星袁子安田双双兰佳琪靳小平李晓涵吴铁洲湖北工业大学新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心武汉430068

C_(6)F_(12)O气体绝缘性能优异,温室效应潜在值低,与缓冲气体混合后具有作为绝缘介质运用于中低压电气设备的潜力。同时,中低压电气设备常使用环氧树脂作为绝缘材料,环氧树脂与绝缘气体相容性是设备长期稳定运行的关键因素之一。为探究C... 详细信息

C_(6)F_(12)O气体绝缘性能优异,温室效应潜在值低,与缓冲气体混合后具有作为绝缘介质运用于中低压电气设备的潜力。同时,中低压电气设备常使用环氧树脂作为绝缘材料,环氧树脂与绝缘气体相容性是设备长期稳定运行的关键因素之一。为探究C_(6)F_(12)O混合气体与环氧树脂相容性,文中搭建了气固相容性实验平台,结合实际环境进行不同温度下C_(6)F_(12)O/N_(2)混合气体与环氧树脂相容性试验,通过扫描电镜对试验前后样品表面形貌进行观测;同时采用分子动力学仿真软件对本试验进行模拟,计算了扩散系数、Flory-Huggins相互作用参数和混合能,对试验结果从分子层面加以验证。结果表明,各温度下环氧树脂表面相比于对照组无明显变化,当温度为110℃时,N_(2)在环氧树脂中的扩散系数达到最大值1.84×10^(-9)m^(2)·s^(-1),而N_(2)化学性质稳定难以与环氧树脂反应。不同温度下C_(6)F_(12)O/环氧树脂、N_(2)/环氧树脂两种共混体系的相互作用能参数与混合能均大于0,气体分子与环氧树脂难以互溶,结合试验与仿真结果可得C_(6)F_(12)O、N_(2)与环氧树脂表现出良好相容性。

关键词： C_(6)F_(12)O/N_(2) 环氧树脂相容性分子动力学模拟

轴向磁通无铁心永磁电机多层矩形扁线绕组涡流损耗解析计算及优化

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电工技术学报 2023年第12期38卷 3130-3140页

作者：王晓光尹浩余仁伟湖北工业大学新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心武汉430068 锐革机电(武汉)有限公司武汉430073

轴向磁通无铁心永磁电机的定子为无铁心结构,采用扁线绕制的定子绕组盘,具有槽满率高、平整度好、加工简单等特点。但是相对于圆形导线,矩形扁线具有截面积较大、涡流损耗大的缺点,导致电机损耗偏高、效率偏低。该文根据轴向无铁心电机... 详细信息

轴向磁通无铁心永磁电机的定子为无铁心结构,采用扁线绕制的定子绕组盘,具有槽满率高、平整度好、加工简单等特点。但是相对于圆形导线,矩形扁线具有截面积较大、涡流损耗大的缺点,导致电机损耗偏高、效率偏低。该文根据轴向无铁心电机磁场的三维分布特性,针对矩形扁线涡流损耗分布不均匀的特点,推导了定子无铁心扁线绕组特有的涡流损耗快速计算方法。在此基础上,基于涡流损耗的产生机理并以绕组铜耗最小为优化目标,建立了扁线绕组最优参数的求解公式。采用三维有限元软件仿真及样机测试的方法,验证了涡流损耗解析计算方法的有效性和准确性。结果表明,该文提出的涡流损耗计算公式以及导线参数优化方法可以实现扁线绕组的低损耗及电机的高效率,所得结论可为轴向无铁心电机定子绕组的设计及优化提供理论依据。

关键词：无铁心永磁电机扁线绕组涡流损耗绕组优化

外加H2O和H2对氩气介质阻挡放电降解硫酰氟的影响

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高电压技术 2023年第1期49卷 382-390页

作者：张晓星周畅伍云健李亚龙高朋张英湖北工业大学新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心贵州电网有限责任公司电力科学研究院

硫酰氟(SO2F2)是一种常用的熏蒸杀虫剂，然而其具有强温室效应，且目前缺乏针对性手段处理其废气，随意排放会对大气环境造成巨大危害。介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)低温等离子体(non-themal plasma,NTP)技术是一种... 详细信息

硫酰氟(SO2F2)是一种常用的熏蒸杀虫剂，然而其具有强温室效应，且目前缺乏针对性手段处理其废气，随意排放会对大气环境造成巨大危害。介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)低温等离子体(non-themal plasma,NTP)技术是一种良好的气体污染物处理手段，而外加气体能有效改善其处理效果。为此基于NTP技术研究了外加H2O和H2对DBD降解SO2F2的影响。发现NTP协同活性气体降解SO2F2具有显著优势，外加H2O和H2均能够显著促进SO2F2降解，在该实验条件下，对于体积分数为2%的SO2F2，外加H2O或H2体积分数为1%时，降解率分别达到最大值86.26%和80.29%，而过量的H2O和H2反而会限制降解；外加H2O和H2主要气体降解产物均为SO2、SOF2和HF，而外加H2时还会生成固体S单质，H2体积分数越高，S单质生成更为明显，有利于产物的回收处理，但H2体积分数过量时少量S单质会进一步还原生成H2S，不利于降解尾气处理。该研究结果能够为SO2F2废气无害化降解提供理论支撑。

关键词： SO2F2降解介质阻挡放电外加H2O 外加H2 无害化降解

环保绝缘介质C_(5)F_(10)O混合气体体积分数比定量检测

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电工技术学报 2022年第8期37卷 2117-2125页

作者：李亚龙张晓星卫卓王毅李祎肖淞武汉大学电气与自动化学院武汉430072 湖北工业大学新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心武汉430068

C_(5)F_(10)O混合气体在中低压电压等级电气设备中替代SF_(6)气体作为绝缘介质具有很好的应用前景。因C_(5)F_(10)O的体积分数比对其混合气体的电气性能起到决定性作用,而已有的研究中,C_(5)F_(10)O混合气体大多是采用道尔顿分压法配制... 详细信息

C_(5)F_(10)O混合气体在中低压电压等级电气设备中替代SF_(6)气体作为绝缘介质具有很好的应用前景。因C_(5)F_(10)O的体积分数比对其混合气体的电气性能起到决定性作用,而已有的研究中,C_(5)F_(10)O混合气体大多是采用道尔顿分压法配制,存在配气误差无法确定的问题。该文基于紫外差分光谱法提出快速准确的定量检测C_(5)F_(10)O混合气体体积分数比的方法,实验发现,C_(5)F_(10)O气体在237~350nm波段有紫外吸收峰,峰值位于299nm处,通过对C_(5)F_(10)O气体的吸收峰进行检测,标准气体的体积分数比反演曲线线性确定系数高达0.99998,检测绝对误差小于0.05%,理论检测下限低至200×10^(-6)。该文的研究成果可用于指导配制体积分数比更加精确的C_(5)F_(10)O混合气体以及在工程应用中实时在线监测C_(5)F_(10)O混合气体的体积分数比变化和监测环境中C_(5)F_(10)O的泄漏,为运维人员制定运维计划提供参考。

关键词： C_(5)F_(10)O混合气体紫外吸收光谱法道尔顿分压法定量检测 SF_(6)替代气体

C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体PD作用下气体和固体副产物生成特性

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高电压技术 2023年第11期49卷 4507-4516页

作者：叶凡超湛奡田双双李祎肖淞张晓星湖北工业大学新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心武汉430068 武汉大学电气与自动化学院武汉430072

C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体以其优异的环保和绝缘性能成为目前最具潜力替代SF6应用于电力工业的气体绝缘介质。尽管O_(2)的加入可以在一定程度上提升C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的绝缘性能和化学稳定性,但O_(2)加入及其体积分数... 详细信息

C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体以其优异的环保和绝缘性能成为目前最具潜力替代SF6应用于电力工业的气体绝缘介质。尽管O_(2)的加入可以在一定程度上提升C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体的绝缘性能和化学稳定性,但O_(2)加入及其体积分数变化对混合气体局部放电(partial discharge,PD)作用下气体和固体副产物生成特性的影响规律尚不清楚。因此通过针–板电极模拟设备内的金属突出物缺陷开展C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)96 h PD及其分解特性试验。研究发现C_(4)F_(7)N/CO_(2)混合气体中加入体积分数2%~4%的O_(2)可以显著抑制大部分副产物的生成,O_(2)体积分数大于6%时每秒累积放电量和平均放电量急剧增加,导致混合气体分解加剧;C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)在长时间PD作用下板电极表面中心区域出现较为明显的圆环状固体析出物,主要成分包括金属氧化物(CuO)、氟化物(CuF、CFx)、碳氧化合物(CO、CO_(2))和氮氧化合物(NO、NO_(2));体积分数4%的O_(2)加入对PD固体析出物的元素组成及其价态影响较小,但可以一定程度上减少其生成量,混合气体中O_(2)对金属导体的腐蚀作用弱于C_(4)F_(7)N。

关键词： C_(4)F_(7)N/CO_(2)/O_(2)混合气体局部放电气固副产物金属突出物缺陷相容性

环保型介质HFO-1234ze(E)的分解路径及其化学反应速率分析

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电工技术学报 2021年第17期36卷 3553-3563页

作者：柯锟田双双张晓星许正望王宇非湖北工业大学新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心武汉430068 国网湖北省电力公司黄石供电公司黄石435000

近年来,HFO-1234ze(E)被电力行业研究者们视为一种具有较大潜力应用于中低压电气设备中的新型环保气体,但是对该分子的分解过程及化学反应速率还缺乏研究。该文首先基于密度泛函理论(DFT)计算了HFO-1234ze(E)的基本性质、气体分子断键... 详细信息

近年来,HFO-1234ze(E)被电力行业研究者们视为一种具有较大潜力应用于中低压电气设备中的新型环保气体,但是对该分子的分解过程及化学反应速率还缺乏研究。该文首先基于密度泛函理论(DFT)计算了HFO-1234ze(E)的基本性质、气体分子断键和成键的规律、反应的焓值变化和化学反应速率,推断出可能的分解及其复合路径,并对分解产物的频率特性进行分析;最后通过工频击穿放电试验,采用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)对分解产物进行定性分析。研究发现HFO-1234ze(E)分子的初步解离途径主要为C=C双键、C-H以及C-F单键;自由基F产生的路径较多,且相应的焓值变化较低,在分解过程中占主导地位;通过化学反应速率的计算,发现C-H键反应较为容易发生,验证了C-H键具有较高的化学反应活性且反应中存在大量自由基H;对分解产物的频率特性分析发现,除顺式C_(3)H_(2)F_(4)以外均具有稳定的结构,同时试验分解产生的CF_(4)、C_(2)F_(6)和C_(3)F_(6)等产物,与仿真结果基本相一致,验证了仿真计算结果。

关键词： HFO-1234ze(E) 环保气体密度泛函理论分解路径化学反应速率

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基于管状结构的液–固接触摩擦纳米发电机

中国电机工程学报 2022年第16期42卷 6094-6103页

作者：唐炬吴豪颖李祎肖淞张晓星武汉大学电气与自动化学院湖北省武汉市430072 新能源及电网装备安全监测湖北省工程研究中心(湖北工业大学) 湖北省武汉市430068

构建微能量收集系统并将其作为传感器分布式电源或自驱动传感器具有重要意义。基于摩擦起电原理,设计并制作一种管状结构的单电极液-固接触摩擦纳米发电机(liquid-solid triboelectric nanogenerator,LS-TENG),实现对固–液摩擦过程所... 详细信息

构建微能量收集系统并将其作为传感器分布式电源或自驱动传感器具有重要意义。基于摩擦起电原理,设计并制作一种管状结构的单电极液-固接触摩擦纳米发电机(liquid-solid triboelectric nanogenerator,LS-TENG),实现对固–液摩擦过程所产生电荷的直接提取,无需传统摩擦纳米发电机的静电感应过程。首先,基于多物理场耦合分析液-固接触摩擦纳米发电机工作原理,解析电荷转移过程中的电势分布。其次,试验探究液体流量、管道长度、内径和材料对摩擦纳米发电机输出特性的影响情况。最后展示所构建的摩擦纳米发电机作为微电源的负载供能特性。研究发现,LS-TENG的输出电压、电流、转移电荷与流量成正比,与管道内径成反比;LS-TENG输出电能经过整流桥可实现对电容充电储能,在610 mL·min-1的流量下可驱动至少40个LED灯珠。相关研究成果为构建基于管状结构的微水能收集系统提供参考。

关键词：摩擦纳米发电机微水能收集管状结构自供能系统