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SF_6替代气体c-C_4F_8及其混合气体的绝缘性能研究

张刘春  
【摘要】: 六氟化硫(SF6)气体以其优良的绝缘和灭弧性能而广泛应用于高压电力设备中。但SF6气体属于高温室效应气体,其温室效应指数为CO2的23900倍。于1997年签订的《京都议定书》中已将SF6列为禁止使用的高温室效应气体,因此寻找绝缘性能与SF6相当或更高而温室效应指数低的新气体来替代SF6变得越来越迫切。 在选择SF6的替代气体时,需要考虑耐电强度(E/N)lim,温室效应指数(GWP)和液化温度Tb三个主要指标。1997年美国国家标准和技术协会会议上已把八氟环丁烷(c-C_4F_8)混合气体列为最有潜力的SF6绝缘替代气体。尽管一些国内外学者们已经对c-C_4F_8混合气体的绝缘特性进行了一些研究,但是对于c-C_4F_8混合气体的GWP和Tb只进行了定性分析或者甚至忽视了这两个指标。本文在选择SF6替代气体时,首次定量分析c-C_4F_8/CO2 , c-C_4F_8/CF4 , c-C_4F_8/N2以及c-C_4F_8/N2O四种二元混合气体和10%c-C_4F_8/CO2/N2,10% c-C_4F_8/N2O/N2以及10% c-C_4F_8/CO2/N2O三种三元混合气体的(E/N)lim、GWP和Tb三个指标,研究c-C_4F_8及其二元和三元混合气体取代SF6时的绝缘性能。另外对于c-C_4F_8/N2O和10%c-C_4F_8三种三元混合气体放电参数的测量和计算,在国内外的文献中尚未见报导。本文在测量和计算c-C_4F_8二元和三元混合气体放电参数时,所采用的方法是稳态汤生(SST:Steady State Townsend)实验法和玻尔兹曼(Boltzmann)方程分析法。 本文改进了SST实验的数学模型,直接拟合求出电离系数密度比α/N(α:电离系数;N:分子数密度)以及吸附系数密度比η/N(η吸附系数),改进的方法可以提高计算精度,减少计算量。通过测量均匀电场中SF6的电子崩的增长,确定初始电流的稳定性;通过测量中性气体N2、弱电负性气体CO2以及强电负性气体SF6的放电参数,来验证本文所设计的实验装置和改进的数学模型的可行性;分析比较了获得绝缘气体耐电强度(E/N)lim的两种方法,确立了本文求取c-C_4F_8混合气体(E/N)lim的方法。基于改进的SST数学模型,本文用SST实验方法在180E/N 500Td (1Td=10-21Vm2),1P20Torr条件下,电极间距为2d10mm的范围内测量了c-C_4F_8/CO2,c-C_4F_8/CF4,c-C_4F_8/N2以及c-C_4F_8/N2O四种二元混合气体的α/N以及η/N,并求得到它们在不同百分比下的(E/N)lim。SST实验表明,c-C_4F_8与CO2混合呈协同效应,c-C_4F_8与CF4混合呈微协同效应,c-C_4F_8与N2混合以及c-C_4F_8与N2O混合呈正协同效应。因此,向c-C_4F_8中添加CO2,CF4,N2和N2O作为缓冲气体,不但可以降低c-C_4F_8的使用量,而且还能保证混合气体有较高耐电强度。通过比较在c-C_4F_8的含量大于50%的情况下c-C_4F_8混合气体与SF6的(E/N)lim,研究了这四种c-C_4F_8二元混合气体取代SF6的可行性。 Boltzmann方程分析法不仅可以计算气体的α/N和η/N,还可以计算气体的输运参数(漂移速度Ve和扩散系数D)。因此本文用Boltzmann方程分析法在较宽的E/N范围(180E/N650)以及宽的c-C_4F_8百分比(10%,25%,50%,75%,80%,90%)范围内来求解c-C_4F_8/CO2,c-C_4F_8/CF4,c-C_4F_8/N2以及c-C_4F_8/N2O的放电参数,并求出它们的耐电强度。通过分析Ve与E/N以及D与E/N的关系曲线,从分子运动的角度解释缓冲气体CO2,CF4,N2和N2O对c-C_4F_8耐电特性的影响,扩展了SST实验方法的研究成果。通过分析GWP与c-C_4F_8在混合气体中的含量K的函数关系曲线发现,c-C_4F_8/CO2,c-C_4F_8/CF4,c-C_4F_8/N2与c-C_4F_8/N2O在耐电强度与SF6的耐电强度相当的时候,它们的温室效应指数远小于SF6的温室效应指数。因此,当这四种二元混合气体用作绝缘气体时,与SF6相比,将大大减少对大气环境的破坏。 c-C_4F_8的液化温度比较高,考虑到绝缘气体在较低的温度环境的应用,本文也用Boltzmann方程分析法研究了低含量c-C_4F_8三元混合气体10%c-C_4F_8/CO2/N2,10% c-C_4F_8/N2O/N2和10% c-C_4F_8/CO2/N2O的绝缘特性。 本文计算求出了c-C_4F_8一元气体的GWP、与SF6耐电强度相当时所需的充气气压以及在该气压下的Tb;计算求出了c-C_4F_8/CO2,c-C_4F_8/CF4,c-C_4F_8/N2以及c-C_4F_8/N2O四种二元混合气体与SF6耐电强度相当时的最佳混合比,以及在该混合比下的GWP和Tb;计算求出了10%c-C_4F_8/CO2/N2,10% c-C_4F_8/N2O/N2以及10% c-C_4F_8/CO2/N2O三种三元混合气体耐电强度与SF6相当时所需的气压比以及在该气压比范围内的GWP和Tb。研究结果表明c-C_4F_8一元气体因为适用的温度环境太窄,取代SF6不可行。在本文所研究的四种c-C_4F_8二元混合气体中,当温度环境为0℃以上时,c-C_4F_8/N2和c-C_4F_8/N2O取代SF6比c-C_4F_8/CO2和c-C_4F_8/CF4更有优势。在本文所研究的三种c-C_4F_8三元混合气体中,当温度环境为-20℃以上时,10%c-C_4F_8/N2O/N2取代SF6比10%c-C_4F_8/CO2/N2和10% c-C_4F_8/CO2/N2O更有优势。本文中给出的所研究的c-C_4F_8二元混合气体以及10%c-C_4F_8三元混合气体在不同混合比下的(E/N)lim、GWP和Tb可以为实际的工程应用提供参考。


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1 张刘春;SF_6替代气体c-C_4F_8及其混合气体的绝缘性能研究[D];上海交通大学;2007年
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