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c-C_4F_8及其混合气体绝缘性能的研究

吴变桃  
【摘要】: 由于SF_6气体高的温室效应,迫切需要找到一种新的低温室效应SF_6绝缘气体替代物,用于现有的或经过改造的电力设备。1997年美国国家标准和技术协会会议上已把c-C_4F_8混合气体列为最有潜力的SF6绝缘替代物,然而除了日本东京大学2001年研究了其在短电极间距下的交流绝缘性能外,国内外再无相关研究。本文将比较全面的研究c-C_4F_8及其和N_2,CO_2和CF_4混合气体在均匀和不均匀电场下的交流和雷电冲击绝缘强度。 由于均匀电场下,绝缘强度可近似用仿真气体放电得到的临界击穿场强表示。本文将建立蒙特卡罗仿真模型,并针对其仿真速度慢的缺点,改进传统的空碰撞法,在改进方法中,对每种碰撞过程对应的频率都预先设定一个上限,先根据这些上限确定有可能发生的碰撞过程,再根据这种碰撞对应的截面积来计算发生真实碰撞的概率,这样的话不管气体存在几种碰撞过程,在电子每个自由飞行时间段,仅仅需要计算一个碰撞截面就可以继续仿真。尤其对于存在多种碰撞过程的混合气体来说,减少了每次处理所有碰撞截面的复杂过程,极大地提高了计算效率。并用研究比较成熟的SF_6和CO_2混合气体验证其正确性。 通过这种改进的蒙特卡罗模型,引用仿真和纯净气体放电参数一致的各向同性截面积,仿真电子在混合气体中的运动,求出c-C_4F_8及其和N2,CO2和CF4混合气体的有效电离系数和临界击穿场强,从气体微观方面研究其均匀电场下的绝缘性能,同时计算其要达到SF6绝缘强度需要增加的压强比率和对应的温室效应GWP,并与相应的SF6混合气体进行了比较。结果表明,c-C_4F_8及其和N_2,CO_2和CF4混合气体均匀电场下的绝缘强度随c-C_4F_8含量几乎线性增长,尽管在低c-C_4F_8含量时稍低,当c-C_4F_8含量增加时,开始越来越大于相应的SF6混合气体。要达到纯净SF6气体的绝缘强度,c-C_4F_8及其和N2,CO2和CF4混合气体需要增加的压强率和相应的SF6混合气体差不多,但温室效应却大大降低,甚至为SF6气体的十分之一,大大降低了绝缘气体对环境的影响。 对于不均匀电场,由于击穿过程复杂,用仿真法不容易求出气体的绝缘强度。本文用实验方法,在不同压强、不同电极间距及不同混合比下,测量c-C_4F_8及其和N2,CO2和CF4混合气体在不均匀电场下的工频交流和雷电冲击电压,进而分别与SF6/N2混合气体和纯净SF6气体的绝缘强度进行比较。为了用尽量少的c-C_4F_8气体,获得高绝缘性能,在交流击穿实验中,考虑在N2,CO2中加入1%c-C_4F_8,测试微量c-C_4F_8对N2,CO2绝缘强度的影响。同时也对三元10%c-C_4F_8/N2/CO2混合气体的交流绝缘强度进行研究,探索CO2气体对10%c-C_4F_8/N2混合气体绝缘强度的影响。寻找c-C_4F_8混合气体耐电强度更高的最佳混合比以及耐电强度与压力的关系等,为未来c-C_4F_8混合气体可能用作绝缘介质提供理论和实验基础。 实验结果表明,对于工频交流绝缘强度来说,c-C_4F_8/N2和SF6/N2混合气体差不多;c-C_4F_8和CO2,CF4混合气体高压时大于SF6/N2很多;c-C_4F_8/N2和c-C_4F_8/CO2两种混合气体都存在最优混合比;在10%c-C_4F_8/N2混合气体中加入1%CO2,只要提高压强,就可使其绝缘强度最大值大大增加,极大的改善了10%c-C_4F_8/N2混合气体的绝缘特性。 三种c-C_4F_8混合气体的负、正雷电冲击绝缘强度在低压时都低于SF6很多,但随着压强的增加,除c-C_4F_8/N2混合气体的正极性雷电冲击低外,都大于SF6气体,尤其是c-C_4F_8/N2混合气体负极性和c-C_4F_8/ CO2混合气体的正极性雷电冲击电压。


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