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《重庆大学》 2011年
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SF_6局部放电分解特性及碳纳米管气敏传感器检测研究

谭志红  
【摘要】:h 气体绝缘组合电器(Gas Insulated Switchgear,简称GIS)因稳定性好、占地面积小、可靠性高等优点,在电力工业中得到了广泛的应用。然而,GIS设备因安装、检修和长期运行等原因不可避免会存在各种内部绝缘缺陷,这些绝缘缺陷在长期运行中,有的会逐渐发展扩大,以致最终可能导致GIS设备绝缘故障。大量的研究表明,不同程度的绝缘缺陷大都会激发局部放电(Partial Discharge,简称PD),可用检测PD的程度和特征来判断设备的绝缘状况。传统检测局部放电方法有脉冲电流法、超声法以及超高频法等,他们都有各自的特点,得到了不同程度的应用。但共同存在难以摆脱现场强烈电磁干扰的问题,使得他们用于在线检测的准确度受到质疑。由于非电检测不受电磁干扰,近年来,国内外对因PD导致SF_6气体发生分解的研究非常关注,初步研究结果表明,不同绝缘缺陷产生的PD使SF_6的分解特性有较大差异,且SF_6分解组分与绝缘缺陷之间存在一定关系,可用来诊断GIS绝缘状况,对提高GIS设备的稳定性具有较高的理论价值和重要的工程实用意义。因此,用检测SF_6的分解特性来诊断GIS内部绝缘缺陷已成为目前研究的热点问题。本文在课题组已有的研究基础上,开展了PD对SF_6分解特性和用于在线检测微量组分气体的碳纳米管传感器研究,初步提出了适用于SF_6组分分析的特征气体,得到了碳纳米管对SF_6分解组分的气敏特性,并从理论上计算和模拟了SF_6分解组分的吸附过程。具体工作如下: ①构建了四种典型绝缘缺陷模型,对其进行了电场仿真。同时,设计了PD分解气室,建立了能对SF_6分解组分进行有效分离的气相色谱定量检测系统,并基于此平台,进行了不同典型绝缘缺陷产生PD下的SF_6分解气体实验,测量了分解组分中SOF_2、SO_2F_2、CF_4和CO_2的含量。研究表明,四种典型缺陷模型在预定位置和一定电压下均能产生PD,其中高压导体突出物缺陷产生的PD最稳定,并且其放电能量大,PD下SF_6产气量和分解速率高;自由导电微粒缺陷单次PD放电强度高,SOF_2、SO_2F_2两种气体组分含量较高;绝缘子表面金属污染缺陷由于PD发生时涉及与固体绝缘材料产生反应,故其CF_4含量增加明显;绝缘子外气隙缺陷虽然PD强度较高,但产气量相对较小。 ②不同绝缘缺陷产生的PD使SF_6发生分解的特性和产气的规律存在明显差异,初步提出将SOF_2/SO_2F_2、CO_2/CF_4、(SOF_2+SO_2F_2)/(CO_2+CF_4)三组气体含量比值作为统计特征量,用于对四种典型绝缘缺陷类型进行分析判断,指出可用SOF_2/SO_2F_2来表征PD强度及放电发展趋势,CF_4组分含量变化一定程度上可以说明GIS内绝缘材料的劣化状况。 ③采用叉指电极为基底,制备了SWNT-OH及本征SWNT碳纳米微量气敏传感器,对其进行了SOF_2、SO_2F_2、SO_2、CF_4四种分解组分的气性敏实验,对比了两者的气敏特性,重点研究和分析了SWNT-OH传感器对分解组分的的气敏特性、稳定性和恢复特性。结果表明,对于四种分解组分,SWNT-OH对SO_2响应速度最快,灵敏度最高,电阻变化率与SO_2的气体浓度满足一定的线性关系,且在空气中可以自恢复,恢复时间短,可初步满足检测稳定性要求。 ④利用Materials Studio(MS)建立了SF_6分解组分(SOF_2、SO_2F_2、SO_2、CF_4)与单壁碳纳米管的微观吸附模型,并根据密度泛函理论(DFT)对吸附过程进行理论仿真和计算,分析了羟基修饰单壁碳纳米管(hydroxylation single-wall carbon nanobutes,SWNT-OH)的微观气敏机理。首先,根据计算结果对SWNT-OH与四种分子的吸附能力进行了判断;其次,根据分子前线轨道理论分析了SWNT-OH与四种分子发生吸附作用的难易程度;再次,根据能隙计算结果研究了气体分子吸附在SWNT-OH上对其表面载流子转移能力的影响,并结合态密度计算结果分析了SO_2与SWNT-OH吸附过程中的原子轨道杂化情况;最后,将SWNT-OH与本征SWNT的计算结果进行对比,结果表明,四种分子中,SWNT-OH最容易与SO_2发生吸附作用,吸附能力最强,且吸附SO_2后能隙减小,导致其电子转移能力提高;另外,研究发现两者原子的部分轨道在吸附过程中,趋于杂化形成的电子输运通道有利于两者之间的电子转移,SWNT-OH对四种分子的吸附能力高于本征SWNT的吸附能力。
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TM595;TM855

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【参考文献】
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