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环保型绝缘介质HFO-1234ze(E)混合气体绝缘性能和分解特性的研究

柯锟  
【摘要】:目前SF_6因具备良好的绝缘特性和优异的灭弧性能而被广泛应用于气体绝缘设备之中,但不可否认SF_6也是一种具有极大危害的温室效应气体,随着人们环保意识的提高,社会各界开始呼吁减少和限制该气体的使用,同时有研究表明SF_6在各种因素作用下的分解产物具有毒性,这对电力工人的生命安全造成了严重威胁,因此寻找一种环境友好且安全的新型绝缘介质成为电力领域工作者们的任务与使命。近年来,由于HFO-1234ze(E)气体具有不易燃易爆、可大量生产、无毒、温室效应影响小、介电强度大等特点而受到了人们的极大关注,被认为有潜力应用在中低压绝缘设备中。但目前针对HFO-1234ze(E)气体的绝缘特性和分解特性探究相对较少。本文从实验层面探究了HFO-1234ze(E)/CO_2混合气体的绝缘特性。首先计算获取了不同气压下HFO-1234ze(E)/CO_2混合气体的饱和蒸汽压曲线,确定了实验方案,然后利用气体绝缘综合性能测试平台,分别测量了不同气压、混合比和电场不均匀度下HFO-1234ze(E)/CO_2混合气体的击穿电压,讨论了HFO-1234ze(E)/CO_2混合气体作为SF_6替代气体应用于工程实践中的最优混合比和气压值。研究结果表明HFO-1234ze(E)在-15℃的条件下,不发生液化的最大压强为120k Pa;在不同均匀场的条件下,HFO-1234ze(E)/CO_2混合气体的绝缘性能均随着混合比的提升而提高,击穿电压呈近似线性增长;在混合比保持不变的条件下,提高气压能够显著改善HFO-1234ze(E)/CO_2混合气体绝缘性能;HFO-1234ze(E)/CO_2混合气体的击穿电压在准均匀场条件下表现得最为优异;同时在0.3MPa条件下,20%-25%含量的HFO-1234ze(E)不仅具有良好的绝缘水平,而且受到电场不均匀度的影响相对较小。本文又基于密度泛函理论从微观层面并结合实验对HFO-1234ze(E)/CO_2混合气体的分解特性进行了研究。首先通过建立分子仿真模型,计算了HFO-1234ze(E)的基本性质,获取了气体分子断键和成键的规律,并对HFO-1234ze(E)/CO_2混合气体的反应方向和机理展开演算。然后通过试验讨论HFO-1234ze(E)/CO_2混合气体的自恢复绝缘特性,最后利用气相色谱质谱联用仪(Gas chromatography mass spectrometry,GC/MS)分析放电分解组分。研究发现HFO-1234ze(E)分子的初步解离途径主要为C=C双键、C-H以及C-F单键;并且发现产生自由基F的路径较多,同时相对焓值变化较低,在分解过程中占主导地位;分解产物主要为氢氟化碳(HFC)和碳氢化合物(HC),且产物的频率特性表明分解产物较为稳定;HFO-1234ze(E)/CO_2混合气体具有良好的自恢复绝缘特性,最终的分解产物中均具有较高的电离能且绝大部分产物对环境无破坏。本文综合实验和仿真计算两个方面探究了HFO-1234ze(E)/CO_2混合气体的绝缘和分解特性,相应的研究成果将为新型气体应用在中低压绝缘设备中提供理论和技术指导。


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