弧后C_%284%29F_%287%29N_N_%282%29混合气体复原过程研究.pdf

弧后/混合气体复原过程研究庚振新张 孟张 佳夏亚龙林 莘刘祥峰(.沈阳工业大学 辽宁 沈阳.国网甘肃省电力公司电力科学研究院甘肃 兰州.国网四川省电力公司电力科学研究院四川 成都)摘 要:/混合气体是目前潜在替代 的绝缘介质之一/混合气体分解与复原过程的研究对于深入了解该混合气体的熄弧性能具有重要意义 首先模拟/混合气体在.热平衡条件下分解产物粒子浓度的变化然后确立/混合气体的分解路径及粒子种类并计算出各反应的正、逆向速率常数最后引用.下/混合气体弧后温度衰减曲线作为模拟弧后/混合气体复原过程中的温度变化数据通过 软件计算弧后/混合气体各粒子的复原过程 模拟结果表明:弧后温度在 以上时 和 在 内完全分解以、等粒子和自由基的形式存在弧后温度降低至 左右复合至摩尔分数约 左右而 未见复合关键词:/混合气体 气体复原 弧后 反应速率常数 粒子浓度中图分类号:文献标志码:文章编号:():././(.):/././././.:/基金项目:国家自然科学基金面上项目()四 川 电 力 技 术 年 月 第 卷 第 期 引 言 气体具有优良的绝缘性能和环保特性是目前潜在替代 的绝缘介质之一 由于 液化温度较高一般需与缓冲气体混合使用近几年国内外学者对 及其混合气体的分解机理展开了研究文献对 混合气体的热力学参数进行了研究计算了不同比例下的定压比热、饱和蒸汽压、质量密度等参数 文献对/混合气体的分解机理进行了研究通过建模计算了不同温度下 和 的分解情况 研究发现 作为缓冲气体在高能电场或局部过热的条件下避免了 的大量分解文献研究了/混合气体的部分分解路径结合过渡态理论计算了分解反应的速率常数 近些年国内外学者对绝缘气体的分解体系研究逐渐完善但对于绝缘气体的复原过程却鲜有报道考虑到液化温度、绝缘强度等因素的影响下面在/混合气体局部热力学平衡计算的基础上开展弧后/混合气体的复原过程研究 首先确立/混合气体的反应粒子种类计算出热力学平衡状态下.温度范围内的粒子浓度然后确定/混合气体反应路径并计算各反应的反应速率常数引用.下/混合气体弧后的温度衰减曲线作为模拟弧后/混合气体复原过程中的温度变化数据通过 软件计算弧后/混合气体粒子复原过程的摩尔分数变化最后与热力学平衡状态的粒子摩尔分数进行对比与分析并进行总结 反应粒子种类首先考虑/混合气体可能生成的粒子种类并对粒子进行几何结构优化及能量的计算这是计算热力学平衡条件下粒子浓度变化和弧后混合气体复合过程的第一步/混合气体可能生成的粒子共 种如表 所示 通过仿真软件构建 种粒子的分子模型用 密度泛函的方法在()基组水平上对分子进行结构优化 在得到最优分子几何结构的基础上采用更高水平的()/方法计算最优分子结构的最低能量以及熵、焓等参数表 /生成粒子种类粒子物质分子、()、()、离子、热平衡状态下粒子浓度计算为了研究弧后/混合气体复原过程先计算了热力学平衡状态下混合气体的分解情况 假设局部热力学平衡()用牛顿拉夫森算法将等离子体系统的吉布斯自由能降至最小模拟在.温度范围内.下 与 混合气体分解后各粒子的摩尔分数如图 所示图 热力学平衡状态下粒子浓度变化 图()中可以看出:分子在.四川电力技术 第 卷温度下就开始分解在不到 的温度下基本上已经分解殆尽与文献计算结果基本一致而 在 的温度下开始分解在 左右开始大量分解与文献结果基本一致在.温度范围内/混合气体的粒子组分主要由、等组成 分解过程中、等粒子最早出现随着温度继续升高生成的粒子继续发生分解在温度达到 时的粒子基本为小分子粒子及带电粒子如、等自由基粒子如图()所示 反应路径与速率常数确定反应路径并计算其正向速率常数和逆向速率常数是研究弧后/混合气体复原过程的关键步骤 下面根据 和 的分子结构确立了/混合气体可能发生的 种反应路径及生成粒子种类后计算各反应的速率常数对于有过渡态的反应采用过渡态理论()计算反应速率常数 以反应式 为例当 与 的化学键发生断裂且 与 产生化学键的过程中扫描出反应中存在过渡态如图 所示图 过渡态分子结构 将过渡态按照粒子的计算方式进行结构优化和高基组的能量计算 将 软件中结构优化后的过渡态及生成物 和 的输出文件进行能量校正后将输出文件放入 软件中通过设置温度可以计算出该温度下过渡态到生成物的速率常数 设置的温度范围为.温度间隔.计算特定温度下的正向速率常数的公式为()()()()式中:为温度()为正向速率常数为玻尔兹曼常数为标准大气压(.)为普朗克常数 为理想气体常数为反应的标准吉布斯自由能 表示气相双分子反应为 或单分子反应为 为振动的缩放系数 为反应路径简并度 反应的平衡常数 可由式()得到()()()式中和 分别为反应中从反应物 和 到生成物 和 完全转变过程中发生的熵变和焓变 为某一组分从反应物到过渡态过程中净化学计量系数的改变量反应物为单原子反应时 反应物为双原子反应时 这里计算多数采用单原子反应用正向速率常数()除于平衡常数 可得到逆向速率常数 计算出该反应不同温度下的逆向速率常数后将逆向速率常数拟合为()()(/)()式中:为前因子 为温度指数为反应活化能用这 个参数可以确定不同温度下的逆向反应速率常数正向速率常数也用此方法进行拟合对于反应式中没有过渡态的反应即无势垒反应采用变分过渡态理论()的方法计算反应速率 通过 软件将反应中反应物断裂的化学键设置为柔性扫描步长为.设置 步柔性扫描 反应物的化学键从连接到断裂分解为生成物的过程中每一步长的变化都可以获得该状态下的分子结构 将每步长下的分子结构进行相同方法的结构优化及高基组的单点能计算通过上述计算过渡态与生成物的反应速率常数的方法可得到该步长下不同温度的速率常数根据 理论一个温度下反应的速率常数应为不同步长计算的速率常数的最小值所以应当筛选所有计算的温度中该温度下不同步长的速率常数的最小值 将不同温度下的速率常数最小值按照式()的方法拟合可获得无势垒反应的 个反应速率常数、弧后温度设定为了模拟弧后/混合气体的复原情况引用.下/混合气体电流过零后的电弧温度衰减曲线如图 所示将此温度作为第 期 庚振新等:弧后/混合气体复原过程研究 /混合气体复原时的仿真温度 将弧后温度衰减曲线分为 个阶段:第一阶段为.内的快速衰减区温度从 迅速衰减到 左右第二阶段为.的缓慢衰减区温度从 逐渐衰减到 左右第三阶段为.的平稳衰减期温度从 逐渐降低至 左右在确定反应路径及速率常数、反应产物和弧后温度变化的基础上通过 软件设定反应体系的初始混合比为 与、压力为.等参数最后可求得/混合气体反应后各粒子摩尔分数随时间的变化曲线图 弧后温度与时间关系 结果与分析模拟/混合气体弧后的复原过程计算求得混合气体的粒子如图 所示/混合气体在弧后的第一阶段 内就已完全分解为、等大分子粒子大分子粒子在 以上的高温下也很难稳定存在最终以、等粒子和自由基的形式存在、等原子在更高温度下会变成带电粒子如、等由于模拟/混合气体弧后的复原过程中未能考虑电离反应因此在弧后温度 以上时基本只有、粒子存在随着弧后温度逐渐降低在弧后的第二阶段约 时粒子开始复合、等粒子迅速大量复合至摩尔分数 以上、等粒子也随之开始复合而、粒子的摩尔分数开始下降 在弧后的第三阶段即 时大量复原至摩尔分数 以上、等粒子大量复合至摩尔分数 以上 由于 粒子主要由 和 复合生成主要由 复合生成、粒子主要由、粒子的复合生成:因此、等粒子的摩尔分数开始下降、粒子的摩尔分数下降至 以下图 混合气体粒子浓度变化 通过对图 中/混合气体的复合结果进行分析、等粒子相比于、等粒子更加稳定而、等粒子又比、粒子稳定 文献通过实验检测/混合气体分解后的产物主要有、等粒子模拟弧后/混合气体复原过程的产物与实验结果基本一致 除此之外图 中还有、等粒子的复合而由于这些粒子的摩尔分数低于 因此在实际检测中由于摩尔分数太低而未被检测到 结 论通过确立/混合气体的分解路径对 四川电力技术 第 卷各反应的正、逆向速率常数进行计算 引用弧后/混 合 气 体 的 温 度 衰 减 曲 线 计 算 了/混合气体各粒子浓度随时间的复原情况并结合热力学平衡条件下各粒子浓度随温度变化的分解情况展开分析可以得到如下结论:)在温度.时开始分解.时分解完全在 的温度下开始分解在 以上的高温下会大量分解 可见 分子不耐高温较容易分解而 分子较为稳定)在电弧温度高于 的情况下 和粒子将会快速分解且分解后的大分子粒子在该温度下也很难存在会快速分解成、等小分子粒子以及、等自由基粒子)弧后温度随时间降低至 左右将会快速复原至摩尔分数 以上而 虽具有较强的电气性能但在高温下容易分解且极难复合若多次使用/混合气体熄弧会使 的浓度含量降低从而影响混合气体的绝缘性能参考文献 颜湘莲高克利郑宇等.混合气体及替代气体研究进展.电网技术():.:.():.():.周朕蕊韩冬赵明月等.替代气体分解特性的研究综述.电工技术学报():.钟建英王强林莘等.在微水微氧下放电分解机理的研究.高压电器():.林莘钟建英王强等.气体绝缘介质 在()表面吸附特性的研究.高压电器():.张震林莘余伟成等./和/混合气体热力学物性参数计算.高电压技术():.张立松叶明天庞磊等.混合气体电弧等离子体热力学参数计算.高电压技术():.张晓星陈琪李祎等.环保型绝缘介质/的分解机理.中国电机工程学报():.傅明利陈曦陈柔伊等./混合气体的分解机理研究.高压电器():.陈志国张辉逯阳.全氟异丁腈分解反应机理.哈尔滨理工大学学报():.张佳.高压断路器中环保 混合气体绝缘与熄弧特性研究.沈阳:沈阳工业大学.赵明月韩冬荣文奇等.电晕放电下二元全氟异丁腈()混合气体的分解特性分析.高电压技术():.唐睿李昊阳付钰伟等./混合气体放电分解体系研究.高压电器():.李昊阳.局部过热故障下的/混合气体分解特性研究.西安:西安理工大学.:.:():.().():.:():.邵先军袁旭初陈孝信等.基于过渡态理论及密度泛函理论的 主要分解产物生成路径的反应速率常数计算.科学技术与工程():.:.():.作者简介:庚振新()男博士副教授研究方向为高压电器及气体绝缘张 孟()男硕士研究生研究方向为气体绝缘张 佳()男博士工程师从事电力行业工作(收稿日期:)第 期 庚振新等:弧后/混合气体复原过程研究