SF-,6-替代氣體的蒙特卡羅模擬與實驗研究.pdf

1、六氟化硫(SF6)是一種優(yōu)良的絕緣和滅弧介質(zhì)，在電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。1997年12月在日本通過的京都議定書中，SF6(溫室效應(yīng)(GWP)=23900)被列為需全球管制使用的六種氣體之一。減少和控制溫室氣體的排放是迫在眉睫的問題。SF6的耐電強度受非均勻電場、導(dǎo)電微粒和電極表面粗糙度的影響而急劇下降。因此，尋找SF6的替代氣體勢在必行。1997年美國國家標準和技術(shù)協(xié)會會議上已把c-C4F8混合氣體列為最有潛力的SF6絕緣替代

2、物。早在20世紀80年代國外的研究者就對c-C4F8混合氣體的直流、脈沖擊穿絕緣特性進行了研究。后來對c-C4F8混合氣體絕緣特性研究的報導(dǎo)比較少。近年研究c-C4F8及N2混合氣體的電子崩參數(shù)的報導(dǎo)較多。2001年日本東京大學(xué)研究了c-C4F8在短電極間距下的交流絕緣性能。本文采用蒙特卡羅模擬方法來描述氣體放電中的各種碰撞截面和電子能量分布的關(guān)系，即用微觀模型計算電子崩發(fā)展過程。其計算結(jié)果的準確性和電子碰撞截面的選取及校正密切相關(guān)，而

3、通過模擬結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)的比較又可修正碰撞截面。 ⑴建立單一氣體電子崩發(fā)展的蒙特卡羅模擬方法，用得出的電子崩參數(shù)與實驗結(jié)果比較的方法，計算單一氣體的(α-η)/N和漂移速度Ve，并與實驗數(shù)據(jù)比較，以確定碰撞截面的準確性。本文重點對c-C4F8的碰撞截面進行了分析對比，c-C4F8的碰撞截面數(shù)據(jù)比較少，而振動和電子激發(fā)碰撞截面更有待得出。本文選擇一組c-C4F8的碰撞截面作為初始碰撞截面組，經(jīng)過反復(fù)的模擬計算和對截面的修正，確定了一

4、組比已報導(dǎo)的碰撞截面更準確、更完全的c-C4F8的碰撞截面。再用本文建立的混合氣體電子崩發(fā)展的蒙特卡羅模擬方法計算在均勻電場下，c-C4F8與N2、CO2和CF4混合氣體的電子崩參數(shù)，并對這些參數(shù)進行了分析。本文對以往研究者提出的判斷混合氣體中電子與哪種氣體發(fā)生碰撞的方法進行了改進，比傳統(tǒng)的判斷方法得到的臨界擊穿場強(E/N)lim，即(α-η)/N=0時，(E/N)lim的值更接近實驗數(shù)據(jù)。 ⑵通過模擬計算得到的三種c-C4F

5、8混合氣體的有效電離系數(shù)密度比(α-η)/N，從而得到它們的臨界擊穿場強(E/N)lim，都大于相應(yīng)的SF6混合氣體的(E/N)lim值；同時假設(shè)絕緣強度與壓強成比例，三種c-C4F8混合氣體所需的氣體壓強比率與SF6的絕緣特性進行了比較，得到在不同的c-C4F8的含量k時，要達到與SF6相同的絕緣強度所需的c-C4F8混合氣體的壓強；三種c-C4F8混合氣體的溫室效應(yīng)與相應(yīng)的SF6混合氣體及單一SF6進行了比較。從耐電強度和溫室效應(yīng)兩

6、方面考慮，這三種混合氣體代替SF6的優(yōu)勢排列是c-C4F8/N2＞c-C4F8/CO2＞c-C4F8/CF4. ⑶研究氣體電子崩放電機理，可采用脈沖湯遜放電法，用單脈沖的高能激光使陰極釋放初始電子，在均勻電場的作用下，向陽極運動。由外電路測到電子崩電流波形，可確定氣體的碰撞過程和輸運特性。本文設(shè)計并制作了脈沖湯遜(PT)放電實驗裝置，對實驗裝置上所選用的一些材料和陽極的構(gòu)造都做了比較，已達到實驗的要求。本實驗所使用的Nd-YAG

7、鎖模皮秒激光器比以前所使用的氮分子激光器，在波長266nm、每個光子能量4.66eV和脈沖寬度40ps等參數(shù)上，都保證了實驗的正確性。 ⑷應(yīng)用脈沖湯遜放電法測量N2、CO2、CF4、c-C4F8、N2O和CHF3電子崩電流波形，根據(jù)氣體本身的性質(zhì)，分析了氣體電子崩中可能發(fā)生的擴散、電離、附著、去附著和轉(zhuǎn)化過程；并得出有效電離系數(shù)與分子數(shù)密度N的比值，即(α-η)/N，和漂移速度Ve。從耐電強度、溫室效應(yīng)和電子崩發(fā)展的過程等方面綜