C_4F_7N_CO_2_...合气体交流电晕放电分解特性_杨圆.pdf

第 49 卷 第 3 期：955-961 高电压技术 Vol.49,No.3:955-961 2023 年 3 月 31 日 High Voltage Engineering March 31,2023 DOI:10.13336/j.1003-6520.hve.20220935 2023 年 3 月 31 日第 49 卷 March C4F7N/CO2/O2混合气体交流电晕放电分解特性 杨 圆1,2，高克利1,2，王宝山3，颜湘莲1，曹人杰4，张绍立4（1.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；2.电网环境保护国家重点实验室，武汉 430074；3.武汉大学化学与分子科学学院，武汉 430072；4.华北电力大学高电压和电磁兼容北京市重点试验室，北京 102206）摘 要：为研究环保型 C4F7N/CO2/O2三元混合气体放电分解特性，开展了不同 O2体积分数的 C4F7N/CO2/O2三元混合气体交流电晕放电分解试验，主要分解产物包括 CF4、C2F6、C3F6、C3F8、C6F14、CNCN 和 CF3CN，CF4、C2F6和 C3F8等饱和类碳氟气体生成量较高，不饱和类碳氟气体 C3F6生成量较低。O2的加入能显著抑制气体分解，O2体积分数为 4%的混合气体在 60 h 电晕放电后的 CNCN 生成量仅为不含 O2时的 22.1%。CNCN 等分解产物生成速率随 O2体积分数增加呈现先快速下降后趋于稳定的典型特征，2%8%体积分数的 O2对混合气体分解具有较好的抑制作用。基于密度泛函理论开展了分解过程仿真分析，发现 O2通过与 CF3、CN 和 CF3CFCN 等自由基的反应消耗了自由基，导致以这些自由基为反应物的主要分解产物的生成受到抑制，在 O2的作用下，主要分解产物生成速率随 O2体积分数增加呈现非线性变化特征。C2F6/CF4比值较稳定，具备作为 C4F7N/CO2/O2三元混合气体电晕放电识别指标的潜力。关键词：氧气；全氟异丁腈；混合气体；交流电晕放电；分解特性 Decomposition Characteristics of C4F7N/CO2/O2 Gas Mixture in AC Corona Discharge YANG Yuan1,2,GAO Keli1,2,WANG Baoshan3,YAN Xianglian1,CAO Renjie4,ZHANG Shaoli4(1.China Electric Power Research Institute,Beijing 100192,China;2.State Key Laboratory of Power Grid Environmental Protection,Wuhan 430074,China;3.College of Chemistry and Molecular Sciences,Wuhan University,Wuhan 430072,China;4.Beijing Key Laboratory of High Voltage and Electromagnetic Compatibility,North China Electric Power University,Beijing 102206,China)Abstract：To study the discharge decomposition characteristics of eco-friendly C4F7N/CO2/O2 ternary gas mixture,the decomposition experiments of C4F7N/CO2/O2 ternary gas mixture under corona discharge were carried out with different O2 volume fractions.The main decomposition products include CF4,C2F6,C3F6,C3F8,C6F14,CNCN and CF3CN,in which the production of saturated fluorocarbon gases such as CF4,C2F6 and C3F8 is high,while the production of unsatu-rated fluorocarbon gases C3F6 is low.The addition of O2 can significantly inhibit the gas decomposition,after 60 h corona discharge of the gas mixture with 4%O2 volume fraction,the production of CNCN is only 22.1%of that in the absence of O2.With the increase of O2 volume fraction,the formation rate of CNCN and other decomposition products decreases rapidly at first and then tends to be stable,and 2%to 8%volume fraction of O2 has good inhibitory effect on the decom-position of the gas mixture.Based on the density functional theory,the simulation analysis of the decomposition process was carried out.It is found that O2 will consume a large amount of free radicals by reacting with CF3,CN,CF3CFCN and other radicals,resulting in the inhibition of the formation of the main decomposition products with these free radicals as reactants.Under the action of O2,the formation rate of main decomposition products shows a nonlinear variation with the increase of O2 volume fraction.The ratio of C2F6/CF4 is relatively stable,and it has a potential to be used as an indicator for corona discharge identification of C4F7N/CO2/O2 ternary gas mixture.Key words：oxygen;perfluoroisobutyronitrile;gas mixture;AC corona discharge;decomposition characteristics 0 引言1 随着国民经济的发展和电网规模的扩大，电力 基 金 资 助 项 目：中 国 电 力 科 学 研 究 院 有 限 公 司 自 筹 项 目(524200210047)。Project supported by Science and Technology Project of China Electric Power Research Institute(524200210047).行业的 SF6气体使用量和排放量不断增大，1990 年以来我国电力工业 SF6气体排放量占总 SF6气体排放量的 70%1。SF6是国际上限排的强温室效应气体，因此 SF6替代型环保气体的研究和应用已成为电力行业热点问题，综合考虑绝缘性能、环保性能和液化温度，全氟异丁腈(C4F7N)混合气体已成为国956 高电压技术 2023,49(3)内外环保替代气体的优选方案2-5。C4F7N 绝缘性能为 SF6的两倍以上6，但其液化温度为4.7，因此需要与 CO2、N2、O2等气体混合使用以满足设备最低运行温度的要求7，C4F7N 体积占比为 7%13%的 C4F7N/CO2混合气体具有替代 SF6气体的潜力，且 GWP 值较 SF6减少 96%以上8。美国电力科学研究院研究了氟碳气体的碳化现象及其抑制方法9，发现混入 O2、N2和 H2等分解抑制类气体是降低化学沉积物含量的主要方式，当抑制类气体达到一定比例时，氟碳气体的碳化现象将得到有效抑制10；C4F7N 气体在工频击穿、直流击穿和高能电弧等作用下存在固体物析出现象11-15，可能影响其长期工程应用可靠性，因此部分学者提出可以通过加入少量氧气来抑制C4F7N在放电等分解因素作用下的气体分解和碳析出16-19，研究发现添加 2%10%氧气对 C4F7N/CO2混合气体在悬浮放电下的分解有良好的抑制效应，且对 CNCN 和 CF3CN 两种剧毒气体的生成抑制作用更为明显16，在 0.14 MPa 气压下15%C4F7N 体积占比的 C4F7N/CO2混合气体中添加2%10%体积分数氧气时，工频击穿后的 CO、CF4和 C2F6等分解产物生成量均有所降低17-18，因此从工程应用角度，添加一定氧气能改善 C4F7N/CO2混合气体的分解特性，具备一定的工程应用价值。电晕放电是GIS等气体绝缘设备内部常见的绝缘缺陷，具有长期潜伏的特点20，分解产物检测是一种现场故障检测技术手段21。根据国家电网公司20102019 年气体绝缘开关类设备故障统计数据，电晕放电是一种典型的潜伏性绝缘缺陷，因此开展典型局部放电下 C4F7N/CO2/O2混合气体分解特性研究，具有较强的理论研究价值和工程应用意义，但目前电晕放电作用下的相关研究较少，为获得电晕放电下的 C4F7N/CO2/O2混合气体分解特性，本文搭建了电晕放电试验平台，利用气相色谱仪开展分解产物分析，获得了 O2对 C4F7N/CO2混合气体电晕放电分解特性的影响规律，基于密度泛函理论仿真计算，解析了 O2对 C4F7N/CO2混合气体分解特性的影响机理，研究成果支撑了 C4F7N/CO2混合气体的分解调控和化学稳定性提升。1 实验平台 1.1 局部放电实验平台 本文搭建的高压试验平台如图 1 所示，平台的参数如表 1 所示。使用 TWPD2F 局部放电检测仪对电晕局部放电放电量进行监测，本文使用的电晕局部放电模型如图 2 所示，为避免针尖烧蚀对试验结果影响，针尖采用耐烧蚀的钨针材质，其余电极采用钨铜材质。试验前对整套系统进行局部放电标定，150 kV 电压范围内整套试验平台背景噪声在 10 pC 以内，满足电晕局部放电试验要求。1.2 分解产物分析平台 采用脉冲放电氦离子化检测器气相色谱仪对试验后气体分解产物进行基于外标法的定量检测，进样六通阀体积为 500 L，采用分流比为 5:1 的分流进样方式，载气采用纯化器提纯后的氦气，纯度为 99.9999%，体积流量为 5 mL/min。升温的初始温度为 50，保持 10 min，再以 10/min 的恒定升温速率上升至 150 并保持 20 min。色谱仪对可定量分析的分解产物体积分数检测精度为0.1106，采用的 3 组色谱柱类型分别为 CST 填充柱、5A 填充柱和 Agilent GS-GasPro 毛细色谱柱。图 1 电晕局部放电试验平台 Fig.1 Test platform of corona partial discharge 表 1 高压试验平台参数 Table 1 Parameters of high voltage test