CN109298293A - 用于表征新型电力设备灭弧及绝缘能力的气体分解特征量 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于表征新型电力设备灭弧及绝缘能力的气体分解特征量，新型电力设备包括采用SF6替代气体作为绝缘或灭弧介质的断路器或全封闭气体绝缘组合电器，SF6替代气体填充于所述新型电力设备的灭弧室或主气室，基于新型电力设备的电离区、离子迁移区、中性粒子扩散区放电区域，测量SF6替代气体特征分解组分，反映新型电力设备灭弧及绝缘能力，SF6替代气体特征分解组分的含量、产气率、以及不同SF6替代气体特征分解组分含量或产气率之间的比值等关键参量越大，说明新型电力设备的灭弧及绝缘能力下降越严重。

Description

用于表征新型电力设备灭弧及绝缘能力的气体分解特征量
技术领域
本发明属于高压新型电力设备故障诊断与在线检测技术领域，具体涉及一种用于表征新型电力设备灭弧及绝缘能力的气体分解特征量。
背景技术
SF6作为优良的绝缘和灭弧介质被广泛的应用于高压新型电力设备中。但是SF6是一种很强的温室气体，其全球变暖潜势(Global Warm Potential，GWP)大约为CO2的23900倍，排入大气中最高可存在3200年，对气候变暖具有较强的累积效应。因此，1997年《京都协议书》将SF6列为需全球严格管制使用的六大温室气体之一，要求到2020年基本限制SF6的使用。此外，SF6在放电作用下生成的低氟硫化物(SOF2、SO2F2、SO2等)，相较于无毒无味的SF6具有很强毒性。其中，SOF2可造成严重的肺水肿，SO2F2中毒后会迅速造成人死亡。因此，寻找新型SF6替代气体以削减SF6的使用可以有效应对全球气候变暖、保证电力从业者的健康，具有极大的环境效益和社会效益。
近期，ABB和阿尔斯通公司将3M公司提供的新型人工合成气体C5F10O(GWP<1)和C4F7N(GWP＝2210)应用于实际设备研制并开展了电气特性研究，在国际上领跑SF6替代气体的研究。其中，阿尔斯通公司采用C4F7N+CO2混合气体开发了145kV GIS样机，灭弧能力和绝缘强度可达SF6的90％～100％；ABB公司研发了C5F10O+Air混合气体145kV GIS样机，在0.7MPa下的绝缘强度约为0.45MPa下SF6的95％。这两种气体不含与O3消耗密切相关的Cl和Br元素，同时具有较低的GWP值，可以在实现较高灭弧和绝缘能力的基础上满足一定程度的环保要求，因此得到了国内外学者的广泛关注。但是，上述SF6替代气体分子在放电作用下会分解成低碳低氟的小分子，如果在放电结束后未能重新复合，气体的灭弧能力和绝缘强度会发生明显降低，对设备及其所在电力***的安全可靠运行带来潜在威胁。因此，有必要寻找能够表征设备灭弧能力和绝缘强度的特征量，为实现新型电力设备的故障诊断和在线检测奠定理论基础。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于表征新型电力设备灭弧及绝缘能力的气体分解特征量，SF6替代气体特征分解组分的含量、产气率、以及不同SF6替代气体特征分解组分含量或产气率之间的比值等关键参量越大，说明新型电力设备的灭弧及绝缘能力下降越严重。
本发明所采用的技术方案是，用于表征新型电力设备灭弧及绝缘能力的气体分解特征量，新型电力设备包括采用SF6替代气体作为绝缘或灭弧介质的断路器或全封闭气体绝缘组合电器，SF6替代气体填充于所述新型电力设备的灭弧室或主气室，基于新型电力设备的电离区、离子迁移区、中性粒子扩散区放电区域，测量SF6替代气体特征分解组分，反映新型电力设备灭弧及绝缘能力；
其中，SF6替代气体特征分解组分的含量、产气率与新型电力设备的放电程度正相关，能够用以揭示新型电力设备灭弧及绝缘能力，因此，利用SF6替代气体特征分解组分的含量、产气率、以及不同SF6替代气体特征分解组分含量或产气率之间的比值作为关键参量，关键参量越大，说明新型电力设备的灭弧及绝缘能力下降越严重。
本发明的特点还在于，
SF6替代气体采用人工合成环保性气体，例如C5F10O、C4F7N，以及人工合成环保性气体分别与背景气体的混合气体，背景气体包括CO2、空气、O2中的一种，所述混合气体中人工合成环保性气体与背景气体的体积分数比为0～100％。
电离区指放电的中心区域，电子碰撞电离、电子碰撞分解、电子附着和复合、正负离子复合以及中性粒子之间的化学反应均发生在该区域。
离子迁移区指粒子浓度低于107m-3且电场强度高于107V/m的区域，该区域实现带电粒子在电场作用下的迁移过程。
中性粒子扩散区指带电粒子浓度低于1015m-3且电场强度低于105V/m的区域，该区域实现粒子浓度差引起的中性粒子扩散过程。
新型电力设备发生电弧或局部放电现象后，SF6替代气体在电离区受到大量高能电子的轰击，分解为低碳低氟化物以及相关带电粒子，电子在电场作用下轰击电极引起二次发射，促进SF6替代气体及低碳低氟化物的分解和电离；
离子则在电场作用下发生迁移，低碳低氟化物由粒子浓度较高的电离区进入中性粒子扩散区，最后在放电腔体内均匀分布；由于低碳低氟化物的绝缘强度和灭弧能力弱于SF6替代气体，在放电结束后还会导致部分受分解的SF6替代气体分子无法重新复合，从而降低新型新型电力设备的绝缘能力和灭弧能力，因此低碳低氟化物作为SF6替代气体的特征分解产物能够间接反映新型环保新型电力设备灭弧及绝缘能力。
本发明的有益效果是，用于表征新型电力设备灭弧及绝缘能力的气体分解特征量，通过分析新型电力设备在电离区、离子迁移区、中性粒子扩散区的放电规律，揭示SF6替代气体特征分解组分的形成规律及其含量和产气率与新型电力设备灭弧及绝缘能力的内在关系；SF6替代气体特征分解组分的含量、产气率、以及不同SF6替代气体特征分解组分含量或产气率之间的比值等关键参量越大，说明新型电力设备的灭弧及绝缘能力下降越严重，为新型电力设备故障诊断和状态检测奠定理论基础。
附图说明
图1(a)是C5F10O的分子结构图；
图1(b)是C4F7N的分子结构图；
图2是新型环保新型电力设备放电过程所包括的电离区、离子迁移区、中性粒子扩散区放电区域；
图3(a)是本发明中C5F10O在不同放电区域内的特征分解组分；
图3(b)是本发明中C4F7N在不同放电区域内的特征分解组分；
图4(a)是本发明中C5F10O特征分解组分含量、产气率与新型环保新型电力设备绝缘特性之间的关系；
图4(b)是本发明中C5F10O特征分解组分含量、产气率与新型环保新型电力设备灭弧特性之间的关系；
图5(a)是本发明中C4F7N特征分解组分含量、产气率与新型环保新型电力设备绝缘特性之间的关系；
图5(b)是本发明中C4F7N特征分解组分含量、产气率与新型环保新型电力设备灭弧特性之间的关系。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明用于表征新型电力设备灭弧及绝缘能力的气体分解特征量，新型电力设备包括采用SF6替代气体作为绝缘或灭弧介质的断路器或全封闭气体绝缘组合电器，SF6替代气体填充于所述新型电力设备的灭弧室或主气室，基于新型电力设备的电离区、离子迁移区、中性粒子扩散区放电区域，测量SF6替代气体特征分解组分，反映新型电力设备灭弧及绝缘能力；
其中，SF6替代气体特征分解组分的含量、产气率与新型电力设备的放电程度正相关，能够用以揭示新型电力设备灭弧及绝缘能力，因此，利用SF6替代气体特征分解组分的含量、产气率、以及不同SF6替代气体特征分解组分含量或产气率之间的比值作为关键参量，关键参量越大，说明新型电力设备的灭弧及绝缘能力下降越严重。
新型电力设备灭弧能力是指，新型电力设备在开断短路电流时要经历介质强度恢复的过程，弧后SF6替代气体的绝缘强度高于触头两端承受的恢复电压，以保证电弧不会重燃，电流开断成功。
新型电力设备绝缘能力是指，SF6替代气体需要具有较高的绝缘强度，保证正常运行中的电气设备具有足够高的耐压强度而不被击穿；新型环保新型电力设备在开断短路电流时要经历介质强度恢复的过程，弧后SF6替代气体具有较高的绝缘强度以保证弧隙不会重击穿。
SF6替代气体具有以下特性：
SF6替代气体化学性质稳定，在高温下(上万K)不易分解，分解产物在低温下(上千K)可以迅速重新复合以保证原有特性无明显变化。SF6替代气体具有良好的热传导能力和灭弧能力，以保证电弧快速冷却、促进电弧能量向弧触头转移。SF6替代气体具有良好的绝缘能力，即SF6替代气体能够承受一定电压而不发生击穿。SF6替代气体及其分解产物具有良好的环保特性，即SF6替代气体分子不含与臭氧消耗相关的Br、Cl等元素，具有较低的全球变暖潜值(Global Warming Potential,GWP)，SF6替代气体及其分解产物不会对环境和人员的生命健康带来威胁。
SF6替代气体采用人工合成环保性气体，例如C5F10O、C4F7N，以及人工合成环保性气体分别与背景气体的混合气体，背景气体包括CO2、空气、O2中的一种，所述混合气体中人工合成环保性气体与背景气体的体积分数比为0～100％，以保证最优的灭弧或绝缘能力，同时降低液化温度，C5F10O和C4F7N的分子结构如图1(a)和1(b)所示。
新型电力设备在实际运行过程中会发生电弧、局部放电、火花等放电现象，放电过程包含：电子碰撞电离、电子碰撞分解、电子附着和复合、正负离子复合以及中性粒子之间的化学反应，带电粒子在电场作用下的迁移过程，以及粒子浓度差引起的中性粒子扩散过程。新型电力设备的放电区域如图2所示。
电离区指放电的中心区域，电子碰撞电离、电子碰撞分解、电子附着和复合、正负离子复合以及中性粒子之间的化学反应均发生在该区域。
离子迁移区指粒子浓度低于107m-3且电场强度高于107V/m的区域，该区域实现带电粒子在电场作用下的迁移过程。
中性粒子扩散区指带电粒子浓度低于1015m-3且电场强度低于105V/m的区域，该区域实现粒子浓度差引起的中性粒子扩散过程。
新型电力设备发生电弧或局部放电现象后，SF6替代气体在电离区受到大量高能电子的轰击，分解为低碳低氟化物以及相关带电粒子，电子在电场作用下轰击电极引起二次发射，促进SF6替代气体及低碳低氟化物的分解和电离；
离子则在电场作用下发生迁移，低碳低氟化物由粒子浓度较高的电离区进入中性粒子扩散区，最后在放电腔体内均匀分布；由于低碳低氟化物的绝缘强度和灭弧能力弱于SF6替代气体，在放电结束后还会导致部分受分解的SF6替代气体分子无法重新复合，从而降低新型新型电力设备的绝缘能力和灭弧能力，因此低碳低氟化物作为SF6替代气体的特征分解产物能够间接反映新型环保新型电力设备灭弧及绝缘能力。
下面以C5F10O为例说明SF6替代气体的特征分解产物如何间接反映新型环保新型电力设备灭弧及绝缘能力：
在新型电力设备发生电弧、局部放电等放电现象后，C5F10O在电离区受到大量高能电子的轰击，分解为CF3、CF4、CF2CF2等低碳低氟化物，以及相关带电粒子。电子在电场作用下轰击电极引起二次发射，促进C5F10O及低碳低氟化物的分解和电离；离子则在电场作用下发生迁移。低碳低氟化物由粒子浓度较高的电离区进入中性粒子扩散区，最后在放电腔体内均匀分布，如图3(a)所示。由于CF3、CF4、CF2CF2等低碳低氟化物的绝缘强度和灭弧能力弱于C5F10O，在放电结束后还会导致部分受分解的C5F10O无法重新复合，从而降低新型环保新型电力设备的绝缘能力和灭弧能力，如图4(a)和图4(b)所示，因此通过利用CF3、CF4、CF2CF2作为C5F10O的特征分解产物以间接反映新型环保新型电力设备灭弧及绝缘能力。
同理，C4F7N在新型环保新型电力设备发生电弧、局部放电等放电现象后会分解形成CN、CF、CF3等特征组分，如图3(b)和图5(a)和图5(b)所示，可以间接反映新型环保新型电力设备灭弧及绝缘能力。

Claims (6)

1.用于表征新型电力设备灭弧及绝缘能力的气体分解特征量，其特征在于，新型电力设备包括采用SF6替代气体作为绝缘或灭弧介质的断路器或全封闭气体绝缘组合电器，SF6替代气体填充于所述新型电力设备的灭弧室或主气室，基于新型电力设备的电离区、离子迁移区、中性粒子扩散区放电区域，测量SF6替代气体特征分解组分，反映新型电力设备灭弧及绝缘能力；
其中，SF6替代气体特征分解组分的含量、产气率与新型电力设备的放电程度正相关，能够用以揭示新型电力设备灭弧及绝缘能力，因此，利用SF6替代气体特征分解组分的含量、产气率、以及不同SF6替代气体特征分解组分含量或产气率之间的比值作为关键参量，关键参量越大，说明新型电力设备的灭弧及绝缘能力下降越严重。
2.根据权利要求1所述的用于表征新型电力设备灭弧及绝缘能力的气体分解特征量，其特征在于，所述SF6替代气体采用人工合成环保性气体，例如C5F10O、C4F7N，以及人工合成环保性气体分别与背景气体的混合气体，背景气体包括CO2、空气、O2中的一种，所述混合气体中人工合成环保性气体与背景气体的体积分数比为0～100％。
3.根据权利要求1所述的用于表征新型电力设备灭弧及绝缘能力的气体分解特征量，其特征在于，所述电离区指放电的中心区域，电子碰撞电离、电子碰撞分解、电子附着和复合、正负离子复合以及中性粒子之间的化学反应均发生在该区域。
4.根据权利要求1所述的用于表征新型电力设备灭弧及绝缘能力的气体分解特征量，其特征在于，所述离子迁移区指粒子浓度低于107m-3且电场强度高于107V/m的区域，该区域实现带电粒子在电场作用下的迁移过程。
5.根据权利要求1所述的用于表征新型电力设备灭弧及绝缘能力的气体分解特征量，其特征在于，所述中性粒子扩散区指带电粒子浓度低于1015m-3且电场强度低于105V/m的区域，该区域实现粒子浓度差引起的中性粒子扩散过程。
6.根据权利要求1～5任一项所述的用于表征新型电力设备灭弧及绝缘能力的气体分解特征量，其特征在于，所述新型电力设备发生电弧或局部放电现象后，SF6替代气体在电离区受到大量高能电子的轰击，分解为低碳低氟化物以及相关带电粒子，电子在电场作用下轰击电极引起二次发射，促进SF6替代气体及低碳低氟化物的分解和电离；
离子则在电场作用下发生迁移，低碳低氟化物由粒子浓度较高的电离区进入中性粒子扩散区，最后在放电腔体内均匀分布；由于低碳低氟化物的绝缘强度和灭弧能力弱于SF6替代气体，在放电结束后还会导致部分受分解的SF6替代气体分子无法重新复合，从而降低新型新型电力设备的绝缘能力和灭弧能力，因此低碳低氟化物作为SF6替代气体的特征分解产物能够间接反映新型环保新型电力设备灭弧及绝缘能力。
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