SF-,6-替代氣體的蒙特卡羅模擬與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、六氟化硫(SF6)是一種優(yōu)良的絕緣和滅弧介質(zhì)，在電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。1997年12月在日本通過(guò)的京都議定書中，SF6(溫室效應(yīng)(GWP)=23900)被列為需全球管制使用的六種氣體之一。減少和控制溫室氣體的排放是迫在眉睫的問(wèn)題。SF6的耐電強(qiáng)度受非均勻電場(chǎng)、導(dǎo)電微粒和電極表面粗糙度的影響而急劇下降。因此，尋找SF6的替代氣體勢(shì)在必行。1997年美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)會(huì)會(huì)議上已把c-C4F8混合氣體列為最有潛力的SF6絕緣替代

2、物。早在20世紀(jì)80年代國(guó)外的研究者就對(duì)c-C4F8混合氣體的直流、脈沖擊穿絕緣特性進(jìn)行了研究。后來(lái)對(duì)c-C4F8混合氣體絕緣特性研究的報(bào)導(dǎo)比較少。近年研究c-C4F8及N2混合氣體的電子崩參數(shù)的報(bào)導(dǎo)較多。2001年日本東京大學(xué)研究了c-C4F8在短電極間距下的交流絕緣性能。本文采用蒙特卡羅模擬方法來(lái)描述氣體放電中的各種碰撞截面和電子能量分布的關(guān)系，即用微觀模型計(jì)算電子崩發(fā)展過(guò)程。其計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和電子碰撞截面的選取及校正密切相關(guān)，而

3、通過(guò)模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較又可修正碰撞截面。 ⑴建立單一氣體電子崩發(fā)展的蒙特卡羅模擬方法，用得出的電子崩參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較的方法，計(jì)算單一氣體的(α-η)/N和漂移速度Ve，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較，以確定碰撞截面的準(zhǔn)確性。本文重點(diǎn)對(duì)c-C4F8的碰撞截面進(jìn)行了分析對(duì)比，c-C4F8的碰撞截面數(shù)據(jù)比較少，而振動(dòng)和電子激發(fā)碰撞截面更有待得出。本文選擇一組c-C4F8的碰撞截面作為初始碰撞截面組，經(jīng)過(guò)反復(fù)的模擬計(jì)算和對(duì)截面的修正，確定了一

4、組比已報(bào)導(dǎo)的碰撞截面更準(zhǔn)確、更完全的c-C4F8的碰撞截面。再用本文建立的混合氣體電子崩發(fā)展的蒙特卡羅模擬方法計(jì)算在均勻電場(chǎng)下，c-C4F8與N2、CO2和CF4混合氣體的電子崩參數(shù)，并對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行了分析。本文對(duì)以往研究者提出的判斷混合氣體中電子與哪種氣體發(fā)生碰撞的方法進(jìn)行了改進(jìn)，比傳統(tǒng)的判斷方法得到的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)(E/N)lim，即(α-η)/N=0時(shí)，(E/N)lim的值更接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。 ⑵通過(guò)模擬計(jì)算得到的三種c-C4F

5、8混合氣體的有效電離系數(shù)密度比(α-η)/N，從而得到它們的臨界擊穿場(chǎng)強(qiáng)(E/N)lim，都大于相應(yīng)的SF6混合氣體的(E/N)lim值；同時(shí)假設(shè)絕緣強(qiáng)度與壓強(qiáng)成比例，三種c-C4F8混合氣體所需的氣體壓強(qiáng)比率與SF6的絕緣特性進(jìn)行了比較，得到在不同的c-C4F8的含量k時(shí)，要達(dá)到與SF6相同的絕緣強(qiáng)度所需的c-C4F8混合氣體的壓強(qiáng)；三種c-C4F8混合氣體的溫室效應(yīng)與相應(yīng)的SF6混合氣體及單一SF6進(jìn)行了比較。從耐電強(qiáng)度和溫室效應(yīng)兩

6、方面考慮，這三種混合氣體代替SF6的優(yōu)勢(shì)排列是c-C4F8/N2＞c-C4F8/CO2＞c-C4F8/CF4. ⑶研究氣體電子崩放電機(jī)理，可采用脈沖湯遜放電法，用單脈沖的高能激光使陰極釋放初始電子，在均勻電場(chǎng)的作用下，向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)。由外電路測(cè)到電子崩電流波形，可確定氣體的碰撞過(guò)程和輸運(yùn)特性。本文設(shè)計(jì)并制作了脈沖湯遜(PT)放電實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置上所選用的一些材料和陽(yáng)極的構(gòu)造都做了比較，已達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求。本實(shí)驗(yàn)所使用的Nd-YAG

7、鎖模皮秒激光器比以前所使用的氮分子激光器，在波長(zhǎng)266nm、每個(gè)光子能量4.66eV和脈沖寬度40ps等參數(shù)上，都保證了實(shí)驗(yàn)的正確性。 ⑷應(yīng)用脈沖湯遜放電法測(cè)量N2、CO2、CF4、c-C4F8、N2O和CHF3電子崩電流波形，根據(jù)氣體本身的性質(zhì)，分析了氣體電子崩中可能發(fā)生的擴(kuò)散、電離、附著、去附著和轉(zhuǎn)化過(guò)程；并得出有效電離系數(shù)與分子數(shù)密度N的比值，即(α-η)/N，和漂移速度Ve。從耐電強(qiáng)度、溫室效應(yīng)和電子崩發(fā)展的過(guò)程等方面綜