CF4、N2及混合物在普冷溫區(qū)下絕緣特性及機(jī)理研究.pdf

1、SF6作為電氣領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的氣體絕緣介質(zhì)，具有高溫室效應(yīng)指數(shù)，高液化溫度等多種缺陷，極大的限制了其在極寒條件下的正常使用。目前有關(guān)于SF6替代氣體絕緣性能的研究幾乎都集中在室溫條件，為了彌補(bǔ)這一研究空白，本文對(duì)相關(guān)氣體進(jìn)行了甄選，擬尋找適應(yīng)低溫環(huán)境的替代氣體。
　　同時(shí)，在低溫環(huán)境下溫度對(duì)氣體放電機(jī)理的影響一直不明朗。本研究通過營造普冷溫區(qū)環(huán)境，對(duì)具有較低液化溫度的CF4、N2及混合物進(jìn)行了絕緣特性研究，揭示了該溫區(qū)內(nèi)溫度、壓

2、力以及氣體電負(fù)性強(qiáng)度對(duì)氣體放電機(jī)理的影響。本文主要研究內(nèi)容如下:
　　調(diào)研了多種SF6常溫替代氣體的液化溫度，研究了混合氣體液化溫度計(jì)算方法。本文采用兩參數(shù)模型，使用立方型狀態(tài)方程結(jié)合Panagiotopolous—Reid混合規(guī)則，對(duì)具備普冷溫區(qū)條件下研究潛力的CF4、C3F8氣體及其N2混合物進(jìn)行了液化溫度計(jì)算，并最終確定CF4、N2混合物為最終研究對(duì)象。隨后利用非理想氣體狀態(tài)方程研究了在降溫過程中，溫度對(duì)氣體混合比的影響。計(jì)

3、算結(jié)果表明，降溫過程會(huì)導(dǎo)致氣體混合比小幅下降。在普冷溫區(qū)溫度段內(nèi)CF4、N2混合物混合比下降幅度為7.4×10-4。
　　為營造普冷溫區(qū)環(huán)境，本研究設(shè)計(jì)了一套氣體低溫電氣特性測試平臺(tái)。該試驗(yàn)平臺(tái)首次實(shí)現(xiàn)了正壓、負(fù)壓雙向密封。同時(shí)，還設(shè)計(jì)了配套的溫度監(jiān)視和控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)控腔體內(nèi)被測氣體溫度，控溫精度為±2K。利用該平臺(tái)對(duì)CF4、 N2混合物在普冷溫區(qū)條件下進(jìn)行了絕緣試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，綜合液化溫度，溫室效應(yīng)指數(shù)，絕緣強(qiáng)度

4、等指標(biāo)考慮，20％CF4-80％N2混合氣體是最佳混合比;在工頻電壓作用下，高氣壓條件下，保持試驗(yàn)氣體混合比和分子密度數(shù)不變情況下，氣體擊穿電壓隨溫度變化不明顯;在直流電壓作用下，低氣壓條件下，保持試驗(yàn)氣體混合比和分子密度數(shù)不變條件下，擊穿電壓隨溫度下降有明顯變化;該變化情況與氣體電負(fù)性強(qiáng)弱有關(guān)。強(qiáng)電負(fù)性氣體SF6隨溫度降低，擊穿電壓升高。電負(fù)性偏弱的氣體CF4隨溫度降低，擊穿電壓下降。電中性氣體N2隨溫度降低，擊穿電壓隨溫度下降出現(xiàn)波

5、動(dòng)。
　　為分析普冷溫區(qū)環(huán)境下溫度對(duì)氣體擊穿電壓微觀機(jī)理的影響，本文采用Lennard-Jones模型結(jié)合反應(yīng)速率理論研究了溫度對(duì)氣體綜合碰撞截面的影響。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，溫度降低會(huì)使得氣體的電離、吸附截面都增大。由于高氣壓下，氣體初始碰撞截面極大，溫度變化后，電離、吸附碰撞截面都趨于飽和，兩者增長率接近，且電子在電場中獲得能量較低，因此溫度變化導(dǎo)致氣體碰撞截面變化后對(duì)氣體擊穿電壓的影響不明顯。在低氣壓下，由于氣體初始碰撞截面較小

6、，電離、吸附截面具有較大的變化空間，同時(shí)電子在電場中獲得的能量較高，因此溫度變化導(dǎo)致碰撞截面變化對(duì)氣體擊穿電壓有明顯影響。
　　為進(jìn)一步分析低溫、低氣壓環(huán)境下降溫過程對(duì)SF6和CF4氣體擊穿電壓存在相反的影響情況。本文利用COMSOL多物理場軟件對(duì)其電離和吸附反應(yīng)產(chǎn)物生成速率進(jìn)行了仿真研究。仿真結(jié)果表明，溫度降低，氣體電離和吸附反應(yīng)速率都增加;強(qiáng)電負(fù)性氣體SF6，吸附反應(yīng)速率增幅大于電離反應(yīng)速率增幅;電負(fù)性偏弱的氣體CF4，電離反