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CF_4、N_2及混合物在普冷温区下绝缘特性及机理研究

侯孟希  
【摘要】:SF_6作为电气领域应用最为广泛的气体绝缘介质,具有高温室效应指数,高液化温度等多种缺陷,极大的限制了其在极寒条件下的正常使用。目前有关于SF_6替代气体绝缘性能的研究几乎都集中在室温条件,为了弥补这一研究空白,本文对相关气体进行了甄选,拟寻找适应低温环境的替代气体。同时,在低温环境下温度对气体放电机理的影响一直不明朗。本研究通过营造普冷温区环境,对具有较低液化温度的CF_4、N_2及混合物进行了绝缘特性研究,揭示了该温区内温度、压力以及气体电负性强度对气体放电机理的影响。本文主要研究内容如下:调研了多种SF_6常温替代气体的液化温度,研究了混合气体液化温度计算方法。本文采用两参数模型,使用立方型状态方程结合Panagiotopolous—Reid混合规则,对具备普冷温区条件下研究潜力的CF_4、C3F8气体及其N_2混合物进行了液化温度计算,并最终确定CF_4、N_2混合物为最终研究对象。随后利用非理想气体状态方程研究了在降温过程中,温度对气体混合比的影响。计算结果表明,降温过程会导致气体混合比小幅下降。在普冷温区温度段内CF_4、N_2混合物混合比下降幅度为7.4×10-4。为营造普冷温区环境,本研究设计了一套气体低温电气特性测试平台。该试验平台首次实现了正压、负压双向密封。同时,还设计了配套的温度监视和控制系统,能够实时准确的监控腔体内被测气体温度,控温精度为±2K。利用该平台对CF_4、N_2混合物在普冷温区条件下进行了绝缘试验。试验结果表明,综合液化温度,温室效应指数,绝缘强度等指标考虑,20%CF_4-80%N_2混合气体是最佳混合比;在工频电压作用下,高气压条件下,保持试验气体混合比和分子密度数不变情况下,气体击穿电压随温度变化不明显;在直流电压作用下,低气压条件下,保持试验气体混合比和分子密度数不变条件下,击穿电压随温度下降有明显变化;该变化情况与气体电负性强弱有关。强电负性气体SF_6随温度降低,击穿电压升高。电负性偏弱的气体CF_4随温度降低,击穿电压下降。电中性气体N_2随温度降低,击穿电压随温度下降出现波动。为分析普冷温区环境下温度对气体击穿电压微观机理的影响,本文采用Lennard-Jones模型结合反应速率理论研究了温度对气体综合碰撞截面的影响。数值计算结果表明,温度降低会使得气体的电离、吸附截面都增大。由于高气压下,气体初始碰撞截面极大,温度变化后,电离、吸附碰撞截面都趋于饱和,两者增长率接近,且电子在电场中获得能量较低,因此温度变化导致气体碰撞截面变化后对气体击穿电压的影响不明显。在低气压下,由于气体初始碰撞截面较小,电离、吸附截面具有较大的变化空间,同时电子在电场中获得的能量较高,因此温度变化导致碰撞截面变化对气体击穿电压有明显影响。为进一步分析低温、低气压环境下降温过程对SF_6和CF_4气体击穿电压存在相反的影响情况。本文利用COMSOL多物理场软件对其电离和吸附反应产物生成速率进行了仿真研究。仿真结果表明,温度降低,气体电离和吸附反应速率都增加;强电负性气体SF_6,吸附反应速率增幅大于电离反应速率增幅;电负性偏弱的气体CF_4,电离反应速率增幅大于吸附反应速率增幅。本文对普冷温区气体放电的研究是对SF_6替代气体研究的外延,可以在一定程度上解决极寒地区气体绝缘问题。同时,本文从实验,理论计算,仿真模拟三个角度全面的分析了普冷温区条件下温度对气体放电击穿机理的影响,对极寒地区气体绝缘设计也具有重要意义。


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