Механизм распада различных гексафторидов серы
Газовые смеси
Э. Онал
Copyright © 2018 Э. Онал. Настоящий текст является статьей с открытым доступом, распространяемой в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.
Источник: hindawi.com
Гексафторид серы (SF6) и газовые смеси SF6 широко используются в системах с газовой изоляцией (ГИС), поскольку они обладают хорошими диэлектрическими и тепловыми свойствами. Среди различных газовых смесей, исследованных до сих пор, чаще всего используются смеси SF6-воздух, SF6-CO2 и SF6-N2 . Кроме того, эти смеси имеют большое техническое превосходство в ГИС. Это нетоксичные и негорючие газы, они менее чувствительны к неоднородностям и более высокой температуре сжижения при высоком давлении. КРУЭ, распределительные устройства, выключатели и подстанции — системы, работающие на переменном токе и имеющие неоднородные электрические поля. По этой причине в данном исследовании исследуются механизмы пробоя газовых смесей 0,125, 0,5, 1 и 20% SF6 с конфигурацией стержень-плоскость под переменным напряжением и объясняется механизм пробоя.
1. Введение
Гексафторид серы (SF6) является наиболее популярным изоляционным газом в электроэнергетических системах, таких как распределительные устройства, газовые выключатели и станции с элегазовой изоляцией, благодаря хорошим электрическим, термическим и химическим свойствам. Однако диэлектрическая прочность SF6 при неоднородном электрическом поле резко падает до очень низких значений, поскольку SF6 очень чувствителен к неоднородностям, таким как примеси и конфигурация электродов. Поскольку молекула SF6 большая и имеет небольшие свободные пути помимо электронов, которые легко присоединяются к молекулам SF6, она обладает высокой диэлектрической прочностью.
SF6 является очень сильным парниковым газом; по этой причине его глобальное использование ограничено во всем мире. Некоторые парниковые газы, такие как CO2, встречаются в природе естественным образом. Некоторые из них представляют собой промышленные газы, такие как CO, CH, CFC, SF6 и HCFC-22.
Парниковые газы удерживают длинноволновое излучение, в то время как они пропускают коротковолновое излучение на землю (в этом случае Земля нагревается) это нежелательная ситуация. Сегодня добровольные программы работают над сокращением выбросов SF6 в атмосферу. Эти программы побуждают нас эффективно работать в энергосистемах, используя меньше SF6. Наше исследование поддерживает эту научную миссию. Кроме того, SF6 дороже других изоляционных газов. ) нам необходимо улучшить различные диэлектрические газы или газовые смеси, имеющие более подходящие изоляционные свойства, недорогие и без парникового эффекта. Так, газ SF6 и его смеси с воздухом, азотом (N2) и углекислым газом (CO2) широко исследованы [1–6]. Целью данной работы является исследование элегазовых смесей с точки зрения их электрической прочности и выяснение механизмов пробоя. Пробойные свойства газовых смесей SF6 в однородном и квазиоднородном электрическом поле практически одинаковы, но их пробивные характеристики в неоднородном электрическом поле зависят от различных факторов, таких как давление газа, температура газа, расстояние между электродами и соотношение газов в смеси. конфигурация электродов. Пробойные свойства газовых смесей SF6 в однородном поле при импульсном и постоянном напряжении изучались в более ранних исследованиях [7–9], но исследование характеристик в неоднородных полях остается открытым.
Ранее проведенные исследования показали, что пробивное напряжение смесей SF6-N2 с содержанием ниже 30% SF6 меньше, чем у чистого SF6 при давлении 5 бар. При том же давлении и отрицательной полярности смесь 0,1 % SF6-N2 имеет вдвое меньшую электрическую прочность по сравнению со 100 % SF6. Пробивное напряжение смесей SF6-CO2 выше, чем у смесей SF6-N2 при давлении примерно 4-5 бар, в то время как диэлектрическая прочность двух смесей одинакова при низких давлениях при отрицательной и положительной полярности для постоянного напряжения. Однако сила отрицательной полярности всегда выше, чем сила положительной полярности, как и во всех неоднородных полях. Напряжение пробоя смесей SF6-CO2 выше, чем у чистого SF6 при некоторых значениях давления для импульсных напряжений. В этом исследовании напряжения пробоя CO2, N2, воздуха, SF6 и смесей SF6-CO2, SF6-N2 и SF6-воздух с 20, 1, 0,5 и 0,125 % SF6 измеряются от 1 бар до 5 бар с шагом 1 бар при конфигурации электрода стержень-плоскость. Газовых смесей SF6 много в природе и они дешевы. Эти газовые смеси выбраны как воздух, N2 и CO2. Напряжения пробоя этих газовых смесей в зависимости от давления показаны на рис. 3–5 соответственно. Поскольку разложение этих газовых смесей под давлением важно, в данном исследовании выбраны газы воздух, N2 и CO2 . Например, при давлении выше 3 бар прочность смесей 1% SF6-CO2 несколько выше, чем у чистого CO2 при отрицательном импульсном напряжении [10]
2. Тестовая настройка
В экспериментальном исследовании конфигурация электродов стерженьплоскость используется для моделирования неоднородных полей в практических системах (рис. 1), поскольку система электродов стерженьплоскость представляет наилучшие неоднородности. Используют стержневой электрод с радиусом кончика 1 мм и плоский электрод диаметром 75 мм
Все эксперименты проводятся в диапазоне давлений Кроме того, подвижность электронов влияет на задержку лидерного стримера. Достижения в области материаловедения и инженерии от 1 до 5 бар и фиксированным зазором 25 мм. электроды расположены в напорной трубе в качестве испытательного сосуда диаметром 120 мм и длиной 600 мм. В конфигурации электродов стержень-плоскость высокое напряжение подается на электрод стержня, в то время как плоский электрод заземлен (рис. 1).
Испытательный сосуд сначала вакуумируют, а затем заполняют газовыми смесями до давления 5 бар. Для испытаний переменного тока частотой 50 Гц, среднеквадратичным напряжением 100 кВ и 5 кВА используется высоковольтный испытательный трансформатор. Емкостный делитель и вольтметр используются для измерения приложенного высокого напряжения. Эксперименты проводились в Лаборатории высокого напряжения Стамбульского технического университета (ITU) (рис. 2).
В этом исследовании напряжения пробоя CO2, N2, воздуха, SF6 и смесей SF6-CO2, SF6-N2 и SF6-воздух с 20, 1, 0,5 и 0,125 % SF6 измеряются от 1 бар до 5 бар с шагом 1 бар при конфигурации электрода стержень-плоскость.
Рис.2: Испытательная установка в лаборатории высоких напряжений МСЭ. (1) испытательный
трансформатор; (2) токоограничивающий резистор; 3 – емкостной делитель; 4 – испытательный
сосуд; (5) вакуумный насос.
3. Экспериментальные результаты.
Газовых смесей SF6 много в природе и они дешевы. Эти газовые смеси выбраны как воздух, N2 и CO2. Напряжения пробоя этих газовых смесей в зависимости от давления показаны на рис. 3–5 соответственно. Поскольку разложение этих газовых смесей под давлением важно, в данном исследовании выбраны газы воздух, N2 и CO2
Как видно на рисунках 3–5, небольшое добавление SF6 к этим газам значительно увеличило значения напряжения пробоя. Высокое пробойное напряжение означает, что высокая электрическая прочность очень важна для техники изоляции в энергосистемах. Как видно из вышеизложенного, диэлектрическая прочность только N2, CO2 и воздуха линейно возрастает с ростом давления, в то время как пробивные напряжения смесей SF6 примерно одинаковы при давлении выше 4 бар. Смесь, имеющая самую низкую диэлектрическую прочность среди трех смесей, представляет собой смесь SF6-N2. Влияние N2 на прочность на разрыв меньше, чем у воздуха и CO2. Причиной этого является подвижность электронов и энергия ионизации. Газовая добавка к SF6 влияет на плотность заряда и ширину стримера между электродами.
Рис.3: Изменение напряжения пробоя в зависимости от давления газа для элегазовых смесей с воздухом
Рис.4: Изменение напряжения пробоя в зависимости от давления газа для смесей SF6-N2 .
Рис.5: Изменение напряжения пробоя в зависимости от давления газа для смесей SF6-CO2.
Кроме того, подвижность электронов влияет на задержку лидерного стримера в газовых смесях. По этой причине механизмы пробоя газовых смесей SF6 отличаются друг от друга. Известно, что механизм пробоя SF6 – стримерный и ступенчато-лидерный. При увеличении доли SF6 действует механизм ступенчатого лидера. Время шага лидера представляет собой интервал времени между двумя последовательными шагами лидера и достижения в области материаловедения и инженерии важный параметр в газовых смесях SF6. Это является решающим фактором в развитии пробоя и стримеров. Он зависит от соотношения газовой смеси SF6, давления и напряжения и представлен
где p — давление газа, U — напряжение, приложенное между электродами, K — константа, зависящая от соотношения газовых смесей SF6. Для смесей SF6-N2 K меньше, чем для смесей SF6-CO2 и SF6-воздух [11]. Эти смеси имеют много преимуществ по сравнению с чистым SF6. Добавление относительно небольшого количества SF6 к азоту, углекислому газу и воздуху приводит к значительному увеличению диэлектрической прочности. Например, пробивное напряжение 0,125% элегаза в 1,5 раза выше, чем у чистого воздуха
На рис. 6 показано изменение напряжения пробоя смеси чистого SF6 и 0,125 % SF6 в зависимости от давления газа.
Рис.6: Изменение напряжения пробоя в зависимости от давления газа для смеси 100% SF6 и 0,125% SF6
Как видно на рис. 6, для зазора стержень-плоскость 25 мм напряжение пробоя чистого SF6 примерно в 3 раза выше, чем у воздуха, N2 и CO2 при давлении 1 бар. Однако при увеличении давления газа примерно до 3,5 бар напряжение пробоя элегаза на 20 % меньше, чем у воздуха. При давлении 5 бар чистый элегаз на 20% выше, чем у воздуха. Напряжение и N2 ниже, чем пробоя у SF6. CO2 Как видно на рисунках 3-5, пробивные напряжения чистого N2, CO2 и воздуха увеличиваются примерно линейно с давлением; однако чистый SF6 имеет максимально-минимальную пробивную характеристику. Эксперименты показали, что добавление относительно небольшого количества SF6 к воздуху, N2 и CO2 вызывает значительное увеличение диэлектрической прочности. Например, напряжение пробоя 0,125 SF6-воздух примерно в два раза больше, чем у чистого SF6 при давлении 3,5 бар. Прочность на разрыв SF6-CO2 выше, чем у других смесей в диапазоне давлений 1–3 бар, но смеси SF6-воздух лучше работают при более высоких давлениях.
Судя по экспериментальным результатам, смеси SF6-воздух демонстрируют меньшую степень насыщения при более высоком давлении по сравнению со смесями SF6-N2 и SF6-CO2 . Поскольку явления пробоя происходят при положительной полярности, объяснения механизма пробоя при переменном напряжении связаны с механизмом положительного импульса и постоянного напряжения. Для объяснения аномального случая необходимо упомянуть механизм пробоя. В данном исследовании межэлектродный зазор составляет 25 мм. Расстояние между контактами прерывателя, используемое на практике, находится в этих пределах, и большинство из них имеют неравномерные поля. Наилучшей моделью для имитации этих неоднородностей является конфигурация электрода стержень-плоскость. Диапазоны контактов переключателей варьируются от 1 до 10 см в зависимости от номинального напряжения и тока. Однако для ГИС эти зазоры могут составлять 25–30 см, но исследования показывают, что они имеют один и тот же механизм разрушения. Как известно, существует два типа механизмов пробоя газовых смесях Теория Таунсенда и теория стримеров. Механизм пробоя Таунсенда действителен для меньшего произведения давления газа (мм рт.ст.) и межэлектродного зазора (см) 500 мм рт.ст.см.
Теория Таунсенда, особенно при большом расстоянии между электродами, недостаточна для объяснения механизма разряда. Стримеры в коротких промежутках развиваются с увеличением приложенного напряжения до возникновения искры. Некоторые характерные случаи можно интерпретировать физико-химически Максимально-минимальное поведение из-за давления газа указывается в литературе как аномальные разряды. Причина, по которой напряжение пробоя имеет максимально-минимальную характеристику в зависимости от давления, связана со следующими ситуациями: неоднородное поле, элегаз , напряжение положительной полярности или переменное напряжение. )e напряжение пробоя увеличивается с ростом давления. ) это вполне нормальная ситуация. Если окружающая среда имеет неоднородное поле, газ SF6 и переменное напряжение, как в нашей системе, изменение напряжения пробоя имеет максимально-минимальную характеристику. Ранее проведенные исследования показали, что время нарастания испытательного напряжения увеличивается при увеличении возможности эффективной стабилизации коронного разряда. ) это поведение значимо для давления газа 1 и 2 бар. Также при более длительном времени нарастания и более высоком давлении газа 3 бар эффект стабилизации короны слаб. ) означает, что при высоком давлении газа и низком лидерном напряжении восприятия пробивная прочность снижается. )is период – время диффузии тепловой волны. ) волна начинается от системы электродов сильного поля и распространяется на весь зазор. Температура )e повышается до 900°К при переменном напряжении в области ионизации. Поэтому важно снизить температуру в этом регионе. Электрическая прочность в точке повышается, и искра становится легкой. ) эта теория исследуется как «модель узкой струи» при постоянном напряжении RS Зигмонд. В результате диффузия и тепловая конвекция в диапазоне давлений 2-3 бар уменьшаются, и важную роль играет термоионизация, вносимая электронной лавиной. В этом случае пробой идет по кратчайшему ионизированному пути. Причиной этого аномального пробоя является противоположное действие явлений ионизации и диффузии, связанных с напряжением пробоя. Диффузия уменьшается при повышении давления; в этом случае увеличивается объемный заряд и электрическая прочность. ) Это явление приводит к снижению напряжения пробоя. Эффект ионизации активен при положительной полярности, поскольку тяжелые положительные ионы не могут легко достичь противоположного электрода, а положительные ионы собираются на кончике стержневого электрода, поэтому они сокращают пространственный зазор.
Диффузия также вызывает тепловую конвекцию, и пробой происходит по кратчайшему пути между электродами
Как видно на рисунках 3–5, точка максимума смещается вправо по мере уменьшения доли SF6 [12]. ) также является ненормальным состоянием в элегазовых смесях для неоднородных полей. Небольшие смеси SF6 могут упасть до минимума при более высоких давлениях. Достижения в области материаловедения и инженерии Здесь также эффективны явления ионизации и диффузии.
4. Вывод
Результаты испытаний показывают, что смеси SF6 обладают значительной электрической прочностью в диапазоне давлений 1–4 бар в соответствии с электрической прочностью чистого воздуха, N2 и CO2. SF6 имеет недостатки, особенно при давлении 2-3 бар, что является диапазоном использования электрических устройств, но газовые смеси SF6 имеют много преимуществ по сравнению с чистым SF6. )эти смеси технически и экономически привлекательны альтернативы. Эти смеси дешевле и экологичнее, чем чистый SF6. Важно проверить химическое разложение смеси SF6 под действием электрического напряжения при различных соотношениях смеси. Дальнейшие исследования будут сосредоточены на разложении смесей SF6 под давлением при температуре окружающей среды с водяным паром и кислородом, поскольку в этом случае разложение SF6 происходит в твердом состоянии.
Конфликт интересов
Автор заявляет, что у него нет конфликта интересов
Использованная литература:
[1] Р. Дж. Брант и М. Мисакян, «Механизм возникновения короны постоянного тока и переменного тока 60 Гц в SF6», IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulations, vol. 17, нет. 2, стр. 106–120, 1982.
[2] NH Malik и AH Qureshi, «Механизм пробоя в гексафториде серы», IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulations, vol. 13, нет. 3, стр. 135–145, 1978.
[3] Ю. Цю и Д. Сяо, «Диэлектрическая прочность газовой смеси SF6CO2 в различных электрических полях», Материалы 9-го Международного симпозиума по технике высокого напряжения, Грац, Австрия, август 1995 г.
[4] X. Дэнмин, Газовый разряд и газовая изоляция, т. 1, с. 6, Springer, Берлин, Гейдельберг, Германия, 2016 г.
[5] Э. Онал, «Нейронные сети для оценки напряжения пробоя различных газовых смесей», Международный журнал инженерных интеллектуальных систем для электротехники и связи, вып. 73, 2008.
[6] Казановас А.М., Виал Л., Колл И., Сторер М., Казановас Дж., Клаврул Р., «Разложение SF6 в коронных разрядах переменного и постоянного тока в SF6 и SF6/N2 высокого давления (10–90% ) смеси», в Газовые диэлектрики VIII, Спрингер, Нью-Йорк, США, 1998.
[7] Ю. Фу, М. Ронг, К. Ян и др., «Расчетные константы скорости химических реакций с участием основных побочных продуктов SO2F, SOF2, SO2F2 разложения SF6 в энергетическом оборудовании» Journal of Physics D: Applied Physics, vol. 49, нет. 15, с. 1555502, 2016.
[8] Х. Окубо и А. Беруал, «Последние тенденции и будущие перспективы в методах электроизоляции в отношении заменителей гексафторида серы для высоковольтного электроэнергетического оборудования», Журнал IEEE Transactions Electrical Insulation Magazine, vol. 27, нет. 2, стр. 34–42, 2011
[9] М. Раби и К. Франк, «Прогнозирование электрической прочности предлагаемых замещающих элегазов с помощью теории функционала плотности», Материалы 18-го Международного симпозиума по технике высоких напряжений (ISH'13), Сеул, Республика Корея, август 2013 г.
[10] Z. Li, S. Chen, S. Gong, B. Feng и Z. Zhou, «) теоретическое исследование механизма газового разложения SF6 с помощью квантовохимических расчетов», Computational and eoretical Chemistry, vol. 1088, стр. 24–31, 2016.
[11] В. Гу, К. Чжан и Ю. Цю, «Время шага лидера и импульсное напряжение пробоя с низкой вероятностью, измеренные в SF6», в Газовых диэлектриках VIII, Спрингер, Нью-Йорк, США, 1998.
[12] Д. Хан, Т. Лин и Г. Чжан, « Анализ разложения газа SF6 при коронном разряде переменного тока частотой 50 Гц», IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 22, нет. 2, стр. 799–805, 2015