CN109173319A - 一种环保型绝缘气体筛选方法及提高直流输电管道绝缘性的方法 - Google Patents

一种环保型绝缘气体筛选方法及提高直流输电管道绝缘性的方法 Download PDF

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Abstract

本申请属于电气绝缘介质技术领域，特别是涉及一种环保型绝缘气体筛选方法及提高直流输电管道绝缘性的方法。现在关于筛选绝缘气体替代六氟化硫的绝缘气体方法，没有明确方向性，筛选效率低。本申请提供一种环保型绝缘气体筛选方法，所述方法包括如下步骤：步骤1：通过全球变暖潜能值、消耗臭氧潜能值和毒性对绝缘气体进行筛选；步骤2：通过环境适应性气体的液化温度和传热性能，筛选具有环境适应性的绝缘气体，选择绝缘气体种类、混合气体的配比和应用的压强；步骤3：根据气体的宏观绝缘性能，针对直流输电管道特有的电场形式和结构，筛选能够用于直流气体绝缘金属封闭输电线路的绝缘气体。有效提高绝缘气体的筛选效率。

Description

一种环保型绝缘气体筛选方法及提高直流输电管道绝缘性的 方法
技术领域
本申请属于电气绝缘介质技术领域，特别是涉及一种环保型绝缘气体筛选方法及提高直流输电管道绝缘性的方法。
背景技术
气体绝缘金属封闭输电线路(Gas-insulated transmission lines，简称GIL)包括直流GIL和交流GIL。在直流电压下，GIL同轴圆柱气体间隙中电场恒定，电场分布取决于绝缘材料电导率，绝缘材料的电导率又在很大程度上受温度、湿度、电场强度及加压时间等诸多因素的影响。
六氟化硫是一种无色、无臭、无毒、不燃的惰性气体，它的分子量为146.07，在20℃和0.1MPa时密度为6.1kg/m3，约为空气密度的5倍。六氟化硫在常温常压下为气态，其临界温度为45.6℃，三相点温度为-50.8℃，常压下升华点温度为-63.8℃。六氟化硫分子结构呈八面体排布，键合距离小、键合能高，因此其稳定性很高，在温度不超过180℃时，它与电气结构材料的相容性和氮气相似。六氟化硫因其具有优良的电气绝缘强度，广泛应用于高压电力设备，然而，六氟化硫是一种具有极高全球变暖潜能值的温室气体。
现在关于筛选绝缘气体替代六氟化硫的绝缘气体方法，没有明确方向性，筛选效率低。
发明内容
1.要解决的技术问题
基于现在关于筛选绝缘气体替代六氟化硫的方法，没有明确方向性，筛选效率低的问题，本申请提供了一种环保型绝缘气体筛选方法及提高直流输电管道绝缘性的方法。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种环保型绝缘气体筛选方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：通过全球变暖潜能值、消耗臭氧潜能值和毒性对绝缘气体进行筛选；
步骤2：通过绝缘气体的液化温度和传热性能，筛选具有环境适应性的绝缘气体；
步骤3：选择绝缘气体种类、混合气体的配比和应用的压强；
步骤4：根据气体的宏观绝缘性能，针对直流输电管道特有的电场形式和结构，筛选能够用于直流气体绝缘金属封闭输电线路的绝缘气体。
可选地，所述步骤1中筛选出的绝缘气体包括C4F8及其混合气体、CF3I及其混合气体和C3F7CN混合气体。
可选地，所述步骤1中筛选出的绝缘气体通过稳态汤逊法获得绝缘气体微观放电参数，以电离和吸附系数为指标，衡量并得到绝缘性能。
可选地，所述步骤2中利用PR方程和范德瓦尔斯方程和气体露点温度实验平台获得气体的液化温度分布规律；利用垂直布置的气体绝缘金属封闭输电线路电-热-流体多物理场有限元计算模型和实验大电流温升实验获得绝缘气体应用于环境友好型直流输电管道的环境适应性应用指标。
可选地，所述步骤3中选择标准为液化温度要＜-10℃；气体应用后，在气体绝缘金属封闭输电线路中传热性能的指标为气体绝缘输电线线路导体最高温度不高于95℃。
可选地，所述步骤4中筛选标准为绝缘气体的绝缘能力高于纯SF6气体的95％。
可选地，所述步骤4中筛选出的绝缘气体包括4：96的C3F7CN/CO2混合气体和8：92的C3F7CN/CO2混合气体。
本申请还提供一种提高直流输电管道绝缘性的方法，所述方法包括如下步骤：
1)：将直流输电管道密封，通过机械泵将直流输电管道内气压抽至10Pa以下；
2)：先充入C3F7CN气体，再充入CO2或N2。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的一种环保型绝缘气体筛选方法及提高直流输电管道绝缘性的方法的有益效果在于：
本申请提供的一种环保型绝缘气体筛选方法及提高直流输电管道绝缘性的方法，通过全球变暖潜能值、消耗臭氧潜能值、毒性、环境适应性气体的液化温度、传热性能和气体的宏观绝缘性能，对绝缘气体进行一步步筛选，得出可以替代SF6用于直流气体绝缘金属封闭输电线路的绝缘气体，方向明确，筛选效率高。本申请还将筛选出的C3F7CN/CO2混合气体或者C3F7CN/N2混合气体充入直流输电管道，使得装置更加环保。
具体实施方式
在下文中，将对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施实施方式。
全球变暖潜能值(GWP)，基于充分混合的温室气体辐射特性的一个指数，用于衡量相对于二氧化碳的，在所选定时间内进行积分的，当前大气中某个给定的充分混合的温室气体单位质量的辐射强迫。
消耗臭氧潜能值ODP(OZONE DEPRESSION POTENTIAL)，表示大气中氯氟碳化物质对臭氧破坏的相对能力，以R11为1.0。ODP值越小，制冷剂的环境特性越好。
本申请提供一种环保型绝缘气体筛选方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1：通过全球变暖潜能值、消耗臭氧潜能值和毒性对绝缘气体进行筛选；
步骤2：通过绝缘气体的液化温度和传热性能，筛选具有环境适应性的绝缘气体；
步骤3：选择绝缘气体种类、混合气体的配比和应用的压强；
步骤4：根据气体的宏观绝缘性能，针对直流输电管道特有的电场形式和结构，筛选能够用于直流气体绝缘金属封闭输电线路的绝缘气体。
可选地，所述步骤1中筛选出的绝缘气体包括C4F8及其混合气体、CF3I及其混合气体和C3F7CN混合气体。
可选地，所述步骤1中筛选出的绝缘气体通过稳态汤逊法获得绝缘气体微观放电参数，以电离和吸附系数为指标，衡量并得到绝缘性能。
可选地，所述步骤2中利用PR方程和范德瓦尔斯方程和气体露点温度实验平台获得气体的液化温度分布规律；利用垂直布置的气体绝缘金属封闭输电线路电-热-流体多物理场有限元计算模型和实验大电流温升实验获得绝缘气体应用于环境友好型直流输电管道的环境适应性应用指标。
可选地，所述步骤3中选择标准为液化温度要＜-10℃；气体应用后，在气体绝缘金属封闭输电线路中传热性能的指标为气体绝缘输电线线路导体最高温度不高于95℃。
可选地，所述步骤4中筛选标准为绝缘气体的绝缘能力高于纯SF6气体的95％。
可选地，所述步骤4中筛选出的绝缘气体包括4∶96的C3F7CN/CO2混合气体和8∶92的C3F7CN/CO2混合气体。
本申请还提供一种提高直流输电管道绝缘性的方法，所述方法包括如下步骤：
1)：将直流输电管道密封，通过机械泵将直流输电管道内气压抽至10Pa以下；
2)：先充入C3F7CN气体，再充入CO2或N2。
C3F7CN气体是一种氟腈类气体，其分子结构中包含了C-C、C-F和C≡N三种键，是一种较稳定的分子结构。C3F7CN气体的密度为8.11kg/cm3，是一种无色、无味、不可燃、电负性强、化学稳定性高的气体，标准状态下，C3F7CN的相对介电强度约是SF6的1.9倍，其GWP值只有SF6的9.4％，且其臭氧消耗潜能值(ODP)为0。然而其沸点温度较高，常压情况下，沸点温度只有-4.7度，无法以单一气体的形式替代SF6，需要与CO2、N2等缓冲气体混合使用。
在-40℃～0℃温度范围内，C3F7CN/CO2混合气体中C3F7CN摩尔分数n相同时，其液化温度随着气压的升高而升高；而在相同气压条件下，混合气体的液化温度随着摩尔分数n的增加而升高。C3F7CN/CO2混合气体的液化温度与气压、C3F7CN气体占混合气体摩尔分数均呈正相关。当混合气体气压分别为0.7MPa，环境温度为--20℃和-30℃时，C3F7CN气体占混合气体摩尔分数分别至多为0.078、0.051。
当气压为0.4～0.5MPa，环境温度高于-40℃时，应至少保证C3F7CN气体占混合气体摩尔分数大于0.045。当混合气体气压分别为0.6、0.7、0.8MPa，环境温度为-40℃时，C3F7CN气体占混合气体摩尔分数分别至少为0.034、0.024、0.015。
均匀电场中，C3F7CN/CO2混合气体的击穿场强呈现出随着气压的升高而增长的趋势，在相同气压下，正极性击穿场强高于负极性击穿场强，其717.83kPa时的正极性直流击穿场强最高；在极不均匀场中，C3F7CN/CO2混合气体的负极性击穿电压随着气压升高而升高，而正极性击穿电压随气压升高而降低，表现出显著的极性效应；在相同气压下，4％C3F7CN/96％CO2混合气体的正极性击穿场强略高于负极性击穿场强，而8％C3F7CN/92％CO2混合气体的正极性击穿场强略低于负极性击穿场强。
若以0.5MPa的SF6气体的负极性直流击穿场强Er作为基准值，0.7MPa时4％C3F7CN/96％CO2混合气体的负极性直流击穿场强约为Er的81.21％；0.7MPa时8％C3F7CN/92％CO2混合气体的负极性直流击穿场强约为Er的96.48％。
C3F7CN/CO2混合气体的绝缘子闪络电压也呈现出随气压升高而增长的趋势，在相同气压下，4％C3F7CN/96％CO2混合气体中绝缘子负极性闪络电压高于正极性闪络电压，而8％C3F7CN/92％CO2混合气体中绝缘子负极性闪络电压低于正极性闪络电压。717.83kPa时4％C3F7CN/96％CO2混合气体的负极性直流绝缘子闪络电压最高；C3F7CN/CO2混合气体的负极性局放起始电压都大于正极性局放起始电压，且均高于SF6气体。
若以0.5MPa的SF6气体中绝缘子负极性闪络电压Uf作为基准值，0.7MPa时4％C3F7CN/96％CO2混合气体中绝缘子负极性直流闪络电压约为Uf96.06％；0.6MPa时8％C3F7CN/92％CO2混合气体中绝缘子负极性直流闪络电压高于Uf。
4％C3F7CN/96％CO2和8％C3F7CN/92％CO22混合气体的散热能力低于SF6气体，分别比SF6气体下的导体温度高4.1K和7.4K，但其温升仍满足GIL温升标准(65K)。该范围的温度上升差是可以通过典型的措施进行补偿的，如增加冷却片到外壳或机器加工槽以及在导体上加孔，以提高围绕在GIL带电部件周边的对流。C3F7CN混合气体的传热性能随着C3F7CN气体摩尔分数n的增加而提高。同时，相同条件下，随着压强的增大，导体温升逐渐降低，说明适当提高气体压强有利于气体绝缘设备散热。
C3F7CN混合气体的传热性能与气体压强和C3F7CN气体占混合气体摩尔分数呈正有关。适当提高C3F7CN气体摩尔分数、适当提高气体压强，有利于提高气体绝缘设备的散热能力。
表1：SF6和C3F7CN气体的物化性质
正、负极性直流击穿场强差异在标准差范围之内，可以不考虑极性效应；在0.3～0.7MPa范围内击穿场强随着气压降低而减小；C3F7CN含量从8％提高到16％，击穿场强提高20％。
0.7MPa下，C3F7CN/N2混合气体的负极性直流击穿场强分别为C3F7CN/CO2和SF6/N2混合气体的67.3％和61.4％。
0.7MPa下14％C3F7CN/86％N2的负极性击穿场强达到0.4MPa时SF6的87.3％，相同气压下8％C3F7CN/92％N2混合气体的负极性直流击穿场强明显低于8％C3F7CN/92％CO2和20％SF6/80％N2混合气体。
基于PR(Peng-Robinson)方程和Van Der Vaals混合规则建立了二元混合绝缘气体液化温度计算模型，得到了0.4～1.20MPa气压范围内不同配比的C3F7CN/CO2混合气体的液化温度；对C3F7CN/CO2混合气体进行了均匀电场的气隙击穿和绝缘子闪络试验，得到不同气体组份以及气压与绝缘性能的关系；而且还采用维米尔对流换热模型计算了GIL内C3F7CN混合气体的传热性能，并与SF6混合气体进行了对比。从气体的液化特性、绝缘性能和传热性能来看，C3F7CN/CO2混合气体可替代SF6气体应用于直流输电管道。
本申请提供的一种环保型绝缘气体筛选方法及提高直流输电管道绝缘性的方法，通过全球变暖潜能值、消耗臭氧潜能值、毒性、环境适应性气体的液化温度、传热性能和气体的宏观绝缘性能，对绝缘气体进行一步步筛选，得出可以替代SF6用于直流气体绝缘金属封闭输电线路的绝缘气体，方向明确，筛选效率高。本申请还将筛选出的C3F7CN/CO2混合气体或者C3F7CN/N2混合气体充入直流输电管道，使得装置更加环保，同时提高直流输电管道的绝缘性。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的等同物文字意义或范围所包含的全部修改。

Claims (8)

1.一种环保型绝缘气体筛选方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
步骤1：通过全球变暖潜能值、消耗臭氧潜能值和毒性对绝缘气体进行筛选；
步骤2：通过绝缘气体的液化温度和传热性能，筛选具有环境适应性的绝缘气体；
步骤3：选择绝缘气体种类、混合气体的配比和应用的压强；
步骤4：根据气体的宏观绝缘性能，针对直流输电管道特有的电场形式和结构，筛选能够用于直流气体绝缘金属封闭输电线路的绝缘气体。
2.如权利要求1所述的环保型绝缘气体筛选方法，其特征在于：所述步骤1中筛选出的绝缘气体包括C4F8及其混合气体、CF3I及其混合气体和C3F7CN混合气体。
3.如权利要求1所述的环保型绝缘气体筛选方法，其特征在于：所述步骤1中筛选出的绝缘气体通过稳态汤逊法获得绝缘气体微观放电参数，以电离和吸附系数为指标，衡量并得到绝缘性能。
4.如权利要求1所述的环保型绝缘气体筛选方法，其特征在于：所述步骤2中利用PR方程和范德瓦尔斯方程和气体露点温度实验平台获得气体的液化温度分布规律；利用垂直布置的气体绝缘金属封闭输电线路电-热-流体多物理场有限元计算模型和实验大电流温升实验获得绝缘气体应用于环境友好型直流输电管道的环境适应性应用指标。
5.如权利要求1所述的环保型绝缘气体筛选方法，其特征在于：所述步骤3中选择标准为液化温度要＜-10℃；气体应用后，在气体绝缘金属封闭输电线路中传热性能的指标为气体绝缘输电线线路导体最高温度不高于95℃。
6.如权利要求1所述的环保型绝缘气体筛选方法，其特征在于：所述步骤4中筛选标准为绝缘气体的绝缘能力高于纯SF6气体的95％。
7.如权利要求1所述的环保型绝缘气体筛选方法，其特征在于：所述步骤4中筛选出的绝缘气体包括4∶96的C3F7CN/CO2混合气体和8∶92的C3F7CN/CO2混合气体。
8.一种提高直流输电管道绝缘性的方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：
1)：将直流输电管道密封，通过机械泵将直流输电管道内气压抽至10Pa以下；
2)：先充入C3F7CN气体，再充入CO2或N2。
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