SF-,6-替代氣體c-C-,4-F-,8-及其混合氣體的絕緣性能研究.pdf

1、六氟化硫(SF<,6>)氣體以其優(yōu)良的絕緣和滅弧性能而廣泛應用于高壓電力設備中。但SF<,6>氣體屬于高溫室效應氣體，其溫室效應指數為CO<,2>的23900倍。于1997年簽訂的《京都議定書》中已將SF<,6>列為禁止使用的高溫室效應氣體，因此尋找絕緣性能與SF<,6>相當或更高而溫室效應指數低的新氣體來替代SF<,6>變得越來越迫切。 在選擇SF<,6>的替代氣體時，需要考慮耐電強度(E/N)<,lim>，溫室效應指數(GW

2、P)和液化溫度T<,b>三個主要指標。1997年美國國家標準和技術協會會議上已把八氟環(huán)丁烷(c-C<,3>F<,8>)混合氣體列為最有潛力的SF<,6>絕緣替代氣體。盡管一些國內外學者們已經對c-C<,4>F<,8>混合氣體的絕緣特性進行了一些研究，但是對于c-C<,4>F<,8>混合氣體的GWP和T<,b>只進行了定性分析或者甚至忽視了這兩個指標。本文在選擇SF<,6>替代氣體時，首次定量分析c-C<,4>F<,8>/CO<,2>，c

3、-C<,4>F<,8>/CF<,4>，c-C<,4>F<,8>/N<,2>以及c-C<,4>F<,8>/N<,2>o四種二元混合氣體和10％c-C<,4>F<,8>/CO<,2>/N<,2>，10％c-C<,4>F<,8>/N<,2>O/N<,2>以及10％c-C<,4>F<,8>/CO<,2>/N<,2>O三種三元混合氣體的(E/N)<,lim>、GWP和T<,b>三個指標，研究c-C<,4>F<,8>及其二元和三元混合氣體取代SF<

4、,6>時的絕緣性能。另外對于c-C<,4>F<,8>/N<,2>O和10％c-C<,4>F<,8>三種三元混合氣體放電參數的測量和計算，在國內外的文獻中尚未見報導。本文在測量和計算c-C<,4>F<,8>二元和三元混合氣體放電參數時，所采用的方法是穩(wěn)態(tài)湯生(SST：Steady State Townsead)實驗法和玻爾茲曼(Boltzmann)方程分析法。 本文改進了SST實驗的數學模型，直接擬合求出電離系數密度比α/N(α：

5、電離系數；N：分子數密度)以及吸附系數密度比η/N(η吸附系數)，改進的方法可以提高計算精度，減少計算量。通過測量均勻電場中SF<,6>的電子崩的增長，確定初始電流的穩(wěn)定性；通過測量中性氣體N<,2>、弱電負性氣體CO<,2>以及強電負性氣體SF<,6>的放電參數，來驗證本文所設計的實驗裝置和改進的數學模型的可行性；分析比較了獲得絕緣氣體耐電強度(E/N)<,lim>的兩種方法，確立了本文求取c-C<,4>F<,8>混合氣體(E/N)<

6、,lim>的方法?；诟倪M的SST、數學模型，本文用SST實驗方法在180Vm<'2>)，1F<,8>/CO<,2>，c-C<,4>F<,8>/CF<,4>，c-C<,4>F<,8>/N<,2>以及c-C<,4>F<,8>/N<,2>O四種二元混合氣體的α/N以及η/N，并求得到它們在不同百分比下的(E/N)<

7、,lim>。SST實驗表明，c-C<,4>F<,8>與CO<,2>混合呈協同效應，c-C<,4>F<,8>與CF<,4>混合呈微協同效應，c-C<,4>F<,8>與N<,2>混合以及c-C<,4>F<,8>與N<,2>O混合呈正協同效應。因此，向c-C<,4>F<,8>中添加CO<,2>，CF<,4>，N<,2>和N<,2>O作為緩沖氣體，不但可以降低c-C<,4>F<,8>的使用量，而且還能保證混合氣體有較高耐電強度。通過比較在c-C

8、<,4>F<,8>的含量大于50％的情況下c-C<,4>F<,8>混合氣體與SF<,6>的(E/N)<,lim>，研究了這四種c-C<,4>F<,8>二元混合氣體取代SF<,6>的可行性。 Boltzmann方程分析法不僅可以計算氣體的α/N和η/N，還可以計算氣體的輸運參數(漂移速度V<,e>和擴散系數D)。因此本文用Boltzmann方程分析法在較寬的E/N范圍(180F<,8>百分比(10％

9、，25％，50％，75％，80％，90％)范圍內來求解c-C<,4>F<,8>/CO<,2>，c-C<,4>F<,8>/CF<,4>，c-C<,4>F<,8>/N<,2>以及c-C<,4>F<,8>/N<,2>O的放電參數，并求出它們的耐電強度。通過分析V<,e>與E/N以及D與E/N的關系曲線，從分子運動的角度解釋緩沖氣體CO<,2>，CF<,4>，N<,2>和N<,2>O對c-C<,4>F<,8>耐電特性的影響，擴展了SST實驗方法

10、的研究成果。通過分析GWP與c-C<,4>F<,8>在混合氣體中的含量K的函數關系曲線發(fā)現，c-C<,4>F<,8>/CO<,2>，c-C<,4>F<,8>/CF<,4>，c-C<,4>F<,8>/N<,2>與c-C<,4>F<,8>/N<,2>O在耐電強度與SF<,6>的耐電強度相當的時候，它們的溫室效應指數遠小于SF<,6>的溫室效應指數。因此，當這四種二元混合氣體用作絕緣氣體時，與SF<,6>相比，將大大減少對大氣環(huán)境的破壞。

11、 c-C<,4>F<,8>的液化溫度比較高，考慮到絕緣氣體在較低的溫度環(huán)境的應用，本文也用Boltzmann方程分析法研究了低含量c-C<,4>F<,8>三元混合氣體10％c-C<,4>F<,8>/CO<,2>/N<,2>，10％c-C<,4>F<,8>/N<,2>O/N<,2>和10％c-C<,4>F<,8>/CO<,2>/N<,2>O的絕緣特性。 本文計算求出了c-C<,4>F<,8>一元氣體的GWP、與SF<,6>耐電

12、強度相當時所需的充氣氣壓以及在該氣壓下的死；計算求出了c-C<,4>F<,8>/CO<,2>，c-C<,4>F<,8>/CF<,4>，c-C<,4>F<,8>/N<,2>以及c-C<,4>F<,8>/N<,2>O四種二元混合氣體與SF6耐電強度相當時的最佳混合比，以及在該混合比下的GWP和死；計算求出了10％c-C<,4>F<,8>/CO<,2>]N<,2>，10％c-C<,4>F<,8>/N<,2>O/N<,2>以及10％c-C<,4

13、>F<,8>/CO<,2>/N<,2>O三種三元混合氣體耐電強度與SF<,6>相當時所需的氣壓比以及在該氣壓比范圍內的GWP和T<,b>。研究結果表明c-C<,4>F<,8>一元氣體因為適用的溫度環(huán)境太窄，取代SF<,6>不可行。在本文所研究的四種c-C<,4>F<,8>二元混合氣體中，當溫度環(huán)境為0℃以上時，c-C<,4>F<,8>/N<,2>和c-C<,4>F<,8>/N<,2>O取代SF<,6>比c-C<,4>F<,8>/CO<,

14、2>和c-C<,4>F<,8>/CF<,4>更有優(yōu)勢，在本文所研究的三種c-C<,4>F<,8>三元混合氣體中，當溫度環(huán)境為-20℃以上時，10％c-C<,4>F<,8>/N<,2>O/N<,2>取代SF6比10％c-C<,4>F<,8>/CO<,2>/N<,2>和10％c-C<,4>F<,8>/CO<,2>/N<,2>O更有優(yōu)勢。本文中給出的所研究的c-C<,4>F<,8>二元混合氣體以及10％c-C<,4>F<,8>三元混合氣體在不