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C_4F_7N/CO_2混合气体及其分解产物的光谱分析与检测技术研究

张引  
【摘要】:SF_6气体作为一种优异的绝缘介质,被大量地应用于电力行业,但其极强的温室效应对全球大气环境始终存在威胁。为进一步加强绿色发展,积极应对气候变化,环保型气体绝缘介质的研究工作越来越受到关注。在全球绿色发展的大趋势下,环保型气体绝缘电气设备的研发及其应用过程中的相关技术问题已成为当下重要的研究课题。C_4F_7N气体是目前最具潜力应用于高压电气设备中的环保型绝缘气体,随着C_4F_7N/CO_2混合气体绝缘设备的推广应用,必然会面临设备状态评估及故障诊断等运维检修问题。本文从C_4F_7N/CO_2混合气体检测技术的研究出发,充分发挥气体光谱检测技术在电力行业中的应用优势,开展了C_4F_7N/CO_2混合气体及其分解产物的光谱分析,揭示了C_4F_7N气体光谱特性,并提出了基于光谱检测技术的相关检测方案。(1)基于含时密度泛函理论对C_4F_7N分子的紫外光谱进行了理论计算,分析了C_4F_7N的紫外光谱特性,发现C_4F_7N的紫外光谱分布在100~200 nm。光源波段为185~200nm的紫外光谱实验平台具有检测C_4F_7N气体的可行性,并且能够有效避开CO_2等气体的干扰影响。对C_4F_7N气体在185~200 nm的紫外光谱特性进行了理论与实验分析,结果表明,此波段的吸收峰主要是由于电子从HOMO跃迁至LUMO导致,贡献占比为91%。分析了紫外光谱实验平台存在的干扰影响,通过选取吸收峰右半部分面积作为特征值,可以有效排除干扰影响,实现反演误差小于5%的4~10%C_4F_7N/CO_2混合气体混合比检测。对紫外光谱检测平台的性能进行了分析,其检测下限为0.37%,具有良好的检测稳定性。(2)分析了不同交换相关能泛函近似方法在C_4F_7N分子几何结构优化上的差异,结合FTIR实验平台对C_4F_7N红外光谱特性进行了分析,结果表明杂化泛函B3LYP对于C_4F_7N红外光谱的计算结果更为准确,基于此方法分析了C_4F_7N气体主要红外吸收峰的振动方式。C_4F_7N气体红外光谱分布在400~2400 cm~(-1),其中900~1400 cm~(-1)的红外吸收较强,高混合比下会出现大面积的红外光谱饱和现象。分析了高混合比下C_4F_7N气体的红外光谱分布特点,发现750~785 cm~(-1)的光谱重叠峰适合于混合比检测。利用多尺度小波变换获取了光谱重叠峰的峰数和大致峰位,为高斯函数曲线拟合算法提供了限定条件,优化了算法的时间复杂度,借鉴了粒子群算法的迭代调整思想,在求解过程中了引入惯性因子,保证了收敛的稳定性。对750~785 cm~(-1)波段重叠峰分峰处理后可以将混合比反演误差由4.8%减小到2.7%。(3)理论计算了C_4F_7N分解产物的几何结构与红外光谱,对比部分分解产物几何结构实验值检验了计算方法的准确性,并通过理论分析了红外光谱技术检测分解产物的可行性。开展了C_4F_7N/CO_2混合气体过热分解实验研究,利用长光程气体池结合红外光谱技术实现了分解产物的定性检测,结果表明,该方法可以有效检测C_3F_6、CO及COF_2等过热故障下的典型分解产物。通过分析过热分解前后差谱的吸光度值,总结了C_3F_6、CO及COF_2在不同温度和不同气压条件下的生成趋势。CO的生成量随着过热温度的升高逐渐增加。COF_2的生成出现在450℃,当温度达到500℃时其生成量增长不明显。C_3F_6的生成量在过热温度低于450℃时随温度升高逐渐上升,当温度达到500℃时,C_3F_6的浓度急剧下降,然后缓慢上升。在相同温度下,随着压力的增加,C_3F_6、CO、COF_2三种分解产物的生成量逐渐减少。(4)开展了C_4F_7N及其分解产物定量分析方法研究。随机配制了100组含分解产物的混合气体样本,利用长光程气体池红外光谱实验平台获取了样本红外光谱数据,构建了红外光谱样本库。选取了多种光谱预处理方式与三种典型化学计量学算法组合建立了化学计量学定量分析模型,最终确定了最佳的红外光谱预处理方式和化学计量学算法组合。结果表明最佳的建模方法为偏最小二乘法,C_3F_6和C_4F_7N的最佳光谱预处理方式为无处理,CO的最佳光谱预处理方式为Savitzky-Golay平滑滤波,分析了定量方法的误差分布,通过内部交叉验证证明了模型的定量分析能力。不同过热条件下分解产物定量分析结果表明,在温度达到500℃时,CO生成量增长不明显。不同气压下C_3F_6和CO的生成规律比较接近,当气压由0.15 MPa上升至0.3 MPa时,生成量均减少了一半以上,之后随着气压的继续增加,减少量有所下降。本文从紫外光谱和红外光谱特性上对C_4F_7N气体的研究工作进行了完善,并进一步提出了C_4F_7N及其分解产物的检测方案,为光谱检测技术在C_4F_7N/CO_2混合气体电气设备运维检修中的应用提供了理论支撑和技术指导。


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