环保型绝缘气体CF3I在电气设备中的应用基础研究

摘要

近年来，一种新型的环保绝缘气体三氟碘甲烷（CF3I）因其优异的电气性能和物化性质被广泛认为是最有可能替代SF6的气体之一。鉴于国内外对CF3 I及其混合气体绝缘性能的认识尚不充分，缺乏指导其在电气设备中应用的关键数据，本文从理论计算和试验测试两方面着手，分别采用玻尔兹曼方程和气体击穿试验对CF3I-N2与CF3I-CO2混合气体的绝缘特性展开全面研究，明确各种因素对CF3I混合气体绝缘性能的影响规律，为其在电气设备中的应用奠定基础。
　　本文首先总结和整理了CF3I气体的物化参数与环境指标，并针对实际应用中所关心的温室效应指数、液化温度、气体毒性、分解产物等问题，逐一进行了分析和阐述。相比于SF6气体，CF3I极低的全球增温潜势使得其在环境友好性方面具有明显的优势。但由于CF3I气体的液化温度较高，需要通过混合缓冲气体的方式来降低液化温度。本文以CF3I-N2和CF3I-CO2混合气体为主要研究对象，采用玻尔兹曼方程计算了CF3I二元混合气体在稳定汤逊放电情况下的碰撞电离系数α、附着系数η、电子漂移速度Ve、横向扩散系数NDT以及电子平均能量(-ε)等电子群参数与输运参数。结果显示，纯CF3I气体在均匀场中的绝缘强度约为纯SF6的1.19倍。CF3I-N2混合气体的绝缘强度要高于CF3I与CO2以及Ar、He、Xe等惰性气体的混合组合，并且当CF3I所占比例达到70％时，CF3I-N2混合气体将能够达到与纯SF6相当的绝缘水平。此外，CF3I气体在电场敏感性方面要优于SF6，但与N2或CO2混合后的协同效应均不如SF6-N2显著。
　　在得到CF3I混合气体微观放电参数的基础上，本文通过建立CF3I混合气体绝缘性能试验平台，对CF3I-N2和CF3I-CO2二元混合气体在不同混合比例（5%~30%）、气压（0.1~0.3 MPa）、放电间隙（5~60 mm）以及电场均匀度（针板模型和球板模型）下的工频击穿特性和雷电冲击特性进行了系统而深入的研究。在稍不均匀电场中，CF3I-N2和CF3I-CO2混合气体的工频击穿电压都近似于随气压或放电间隙的增大线性增加，且CF3I-N2的工频击穿电压要高于同等条件下的CF3I-CO2混合气体。在极不均匀电场中，CF3I-N2混合气体的工频击穿电压随气压的升高逐渐趋向饱和，而CF3I-CO2混合气体的击穿电压则表现出了随气压升高先增大后减小的“驼峰”现象。CF3 I混合比例越高、击穿间隙越大，“驼峰”出现的气压区间就越低。雷电冲击特性方面，在稍不均匀电场中，CF3I-N2和CF3I-CO2混合气体在负极性下的50%冲击击穿电压都要高于正极性，且冲击系数近似等于1。在极不均匀电场中，受CF3I电负性的影响，混合气体在“驼峰”区段内正极性下的50%冲击击穿电压要明显低于工频时的稳态击穿电压，其冲击系数最低可达0.6左右。
　　基于工频和雷电冲击特性试验，本文揭示了CF3I混合气体绝缘性能受CF3I比例、间隙距离、气压、极性以及电场不均匀度等因素的影响规律，提出了改善CF3I混合气体绝缘性能的途径和方法。无论是在稍不均匀电场还是在极不均匀电场中，CF3I-N2混合气体的绝缘性能都要优于同等条件下的CF3I-CO2组合。其中，20%和30%比例的CF3I-N2混合气体能够分别达到纯SF6气体50%和55%以上的绝缘水平。综合考虑绝缘性能、环境指标以及液化温度等因素，本文提出可采用20%~30%比例的CF3I-N2混合气体作为SF6替代介质应用于中低压电气设备中。

目录

声明

答辩决议书

主要符号对照表

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究现状

1.3 CF3I气体的理化性质

1.4 CF3I气体的电气性能

1.5 本文的研究内容

第二章 气体绝缘性能的研究方法

2.1 概述

2.2 气体放电中的物理过程

2.3 玻尔兹曼方程

2.4 气体击穿试验

2.5 本章小结

第三章 CF3I及其混合气体的电子输运参数

3.1 碰撞截面的选取

3.2 CF3I气体的电子输运参数

3.3 CF3I混合气体的电子输运参数

3.4 CF3I混合气体的绝缘性能分析

3.5 本章小结

第四章 CF3I混合气体的工频击穿特性

4.1 试验装置与试验步骤

4.2 N2的工频击穿特性

4.3 CO2的工频击穿特性

4.4 CF3I-N2混合气体的工频击穿特性

4.5 CF3I-CO2混合气体的工频击穿特性

4.6 本章小结

第五章 CF3I混合气体的雷电冲击特性

5.1 试验装置与试验步骤

5.2 CF3I-N2混合气体的雷电冲击特性

5.3 CF3I-CO2混合气体的雷电冲击特性

5.4 本章小结

第六章 各种因素对CF3I混合气体绝缘性能的影响

6.1 CF3I气体混合比例对绝缘性能的影响

6.2 间隙对CF3I混合气体绝缘性能的影响

6.3 气压对CF3I混合气体绝缘性能的影响

6.4 电压极性对CF3I混合气体绝缘性能的影响

6.5 电场不均匀度对CF3I混合气体绝缘性能的影响

6.6 CF3I混合气体绝缘性能与SF6及其混合气体的对比

6.7 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文

攻读学位期间申请的发明专利

攻读学位期间参与的科研项目