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(yīng)用于高壓電力設(shè)備中。但SF<,6>氣體屬于高溫室效應(yīng)氣體，其溫室效應(yīng)指數(shù)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(yīng)氣體，因此尋找絕緣性能與SF<,6>相當(dāng)或更高而溫室效應(yīng)指數(shù)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(shí)，需要考慮耐電強(qiáng)度(E/N)<,lim>，溫室效應(yīng)指數(shù)(GW

2、P)和液化溫度T<,b>三個(gè)主要指標(biāo)。1997年美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)會(huì)會(huì)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(nèi)外學(xué)者們已經(jīng)對(duì)c-C<,4>F<,8>混合氣體的絕緣特性進(jìn)行了一些研究，但是對(duì)于c-C<,4>F<,8>混合氣體的GWP和T<,b>只進(jìn)行了定性分析或者甚至忽視了這兩個(gè)指標(biāo)。本文在選擇SF<,6>替代氣體時(shí)，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(gè)指標(biāo)，研究c-C<,4>F<,8>及其二元和三元混合氣體取代SF<

4、,6>時(shí)的絕緣性能。另外對(duì)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(shù)的測量和計(jì)算，在國內(nèi)外的文獻(xiàn)中尚未見報(bào)導(dǎo)。本文在測量和計(jì)算c-C<,4>F<,8>二元和三元混合氣體放電參數(shù)時(shí)，所采用的方法是穩(wěn)態(tài)湯生(SST：Steady State Townsead)實(shí)驗(yàn)法和玻爾茲曼(Boltzmann)方程分析法。 本文改進(jìn)了SST實(shí)驗(yàn)的數(shù)學(xué)模型，直接擬合求出電離系數(shù)密度比α/N(α：

5、電離系數(shù)；N：分子數(shù)密度)以及吸附系數(shù)密度比η/N(η吸附系數(shù))，改進(jìn)的方法可以提高計(jì)算精度，減少計(jì)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(fù)性氣體CO<,2>以及強(qiáng)電負(fù)性氣體SF<,6>的放電參數(shù)，來驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置和改進(jìn)的數(shù)學(xué)模型的可行性；分析比較了獲得絕緣氣體耐電強(qiáng)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(jìn)的SST、數(shù)學(xué)模型，本文用SST實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)表明，c-C<,4>F<,8>與CO<,2>混合呈協(xié)同效應(yīng)，c-C<,4>F<,8>與CF<,4>混合呈微協(xié)同效應(yīng)，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(xié)同效應(yīng)。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(qiáng)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(jì)算氣體的α/N和η/N，還可以計(jì)算氣體的輸運(yùn)參數(shù)(漂移速度V<,e>和擴(kuò)散系數(shù)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(nèi)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(shù)，并求出它們的耐電強(qiáng)度。通過分析V<,e>與E/N以及D與E/N的關(guān)系曲線，從分子運(yùn)動(dòng)的角度解釋緩沖氣體CO<,2>，CF<,4>，N<,2>和N<,2>O對(duì)c-C<,4>F<,8>耐電特性的影響，擴(kuò)展了SST實(shí)驗(yàn)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(shù)關(guān)系曲線發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)度與SF<,6>的耐電強(qiáng)度相當(dāng)?shù)臅r(shí)候，它們的溫室效應(yīng)指數(shù)遠(yuǎn)小于SF<,6>的溫室效應(yīng)指數(shù)。因此，當(dāng)這四種二元混合氣體用作絕緣氣體時(shí)，與SF<,6>相比，將大大減少對(duì)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(yīng)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(jì)算求出了c-C<,4>F<,8>一元?dú)怏w的GWP、與SF<,6>耐電

12、強(qiáng)度相當(dāng)時(shí)所需的充氣氣壓以及在該氣壓下的死；計(jì)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(qiáng)度相當(dāng)時(shí)的最佳混合比，以及在該混合比下的GWP和死；計(jì)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(qiáng)度與SF<,6>相當(dāng)時(shí)所需的氣壓比以及在該氣壓比范圍內(nèi)的GWP和T<,b>。研究結(jié)果表明c-C<,4>F<,8>一元?dú)怏w因?yàn)檫m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(dāng)溫度環(huán)境為0℃以上時(shí)，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(dāng)溫度環(huán)境為-20℃以上時(shí)，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