一种应用于负荷开关灭弧介质的环保气体配比方法与流程

1.本发明涉及灭弧介质技术领域，尤其涉及一种应用于负荷开关灭弧介质的环保气体配比方法。


背景技术：

2.尽管sf6气体凭借其优异的绝缘和灭弧性能在高压电力设备中占据主导地位，但是sf6的大量应用也带来了严重的环境问题。在1997年签订的《京都议定书》中，sf6气体被确定为需限制使用的强温室效应气体，其全球变暖潜能值(global warming potential，gwp)大约是二氧化碳(co2)的23900倍。此外，于2016年签订的《巴黎协定》也明确要求在本世纪下半叶实现温室气体零排放。因此，寻找环境友好、性能优良的sf6替代气体是目前高压电力设备领域一个亟待解决的问题。
3.目前，电力领域采取了一系列针对sf6气体的减排措施，如气体回收、气体检漏等。但这些措施无法从根本上避免sf6气体在电力设备中的应用。国内外对sf6替代气体的研究一直没有中断，已经提出的替代气体包括常规气体(干燥空气、co2、n2等)、sf6混合气体、碳氟化合物及其卤代物(c-c4f8、cf3i等)、其它含氟化合物(c4f7n、c5f10o、hfo-1234ze(e)、hfo-1336mzz(z)等)。但是，这些替代气体都有各自的优缺点，常规气体电气性能较差，无法适应于高压领域电力设备小型化的发展需求；碳氟化合物及其卤代物存在碳析出或碘析出的问题；含氟化合物具有良好的绝缘和灭弧性能，但是它们的液化温度也较高，无法在电力开关中单独使用，需要加入缓冲气体混合才能应用。


技术实现要素：

4.本发明提供一种应用于负荷开关灭弧介质的环保气体配比方法，减少了sf6等温室气体的排放，实现了绿色环保。
5.本发明一实施例提供一种应用于负荷开关灭弧介质的环保气体配比方法，将30％的hfo-1336mzz(e)气体和70％的co2气体进行混合得到环保气体，将所述环保气体作为负荷开关的灭弧介质。
6.进一步的，所述hfo-1336mzz(e)的反式为-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯，所述hfo-1336mzz(e)的分子式为c4h2f6。
7.进一步的，根据以下步骤得到所述hfo-1336mzz(e)气体和co2气体的混合比例：
8.根据hfo-1336mzz(e)纯气体安托万特性常数、co2纯气体的安托万特性常数和气液平衡基本定律计算不同混合比例的hfo-1336mzz(e)和co2混合气体的饱和蒸气压随温度变化的第一曲线，根据所述第一曲线选择所述hfo-1336mzz(e)和co2的混合比例范围和充气压力范围；
9.根据所述混合比例范围和充气压力范围，测试不同混合比例的hfo-1336mzz(e)气体和co2气体的击穿电压随充气电压变化的第二曲线，根据所述第二曲线得到所述hfo-1336mzz(e)气体和co2气体的混合比例为3:7；同时，30％的hfo-1336mzz(e)和70％的co2的
混合气体通过灭弧性能测试。
10.进一步的，根据hfo-1336mzz(e)纯气体的气压随温度变化的数据和安托万方程得到hfo-1336mzz(e)纯气体的安托万特性常数；
11.根据co2纯气体的气压随温度变化的数据和安托万方程得到co2纯气体的安托万特性常数。
12.进一步的，根据hfo-1336mzz(e)纯气体安托万特性常数、co2纯气体的安托万特性常数和以下公式计算hfo-1336mzz(e)和co2混合气体的饱和蒸气压随温度变化的第一曲线：
[0013][0014][0015]
p1x＝py
[0016]
p2(1-x)＝p(1-y)
[0017][0018]
式中，p1和p2分别为组分1和组分2的饱和蒸气压；p为混合气体的饱和蒸气压；t为混合气体的温度；a1、b1、c1为组分1的安托万特性常数；a2、b2、c2为组分2的安托万特性常数；x和y为气液平衡时组分1的液相摩尔分数和气相摩尔分数；其中组分1为hfo-1336mzz(e)气体，组分2为co2气体。
[0019]
进一步的，通过采用雷电冲击电压结合升降压法测试不同混合比例的hfo-1336mzz(e)气体和co2气体的击穿电压随充气电压变化的第二曲线。
[0020]
本发明的实施例，具有如下有益效果：
[0021]
本发明提供了一种应用于负荷开关灭弧介质的环保气体配比方法，该方法通过采用30％的hfo-1336mzz(e)和70％的co2混合气体作为sf6的替代气体，提高了负荷开关灭弧介质绝缘性能、灭弧性能和环保性能。hfo-1336mzz(e)是一种无色、不易燃、不爆炸、热稳定性高的气体，目前主要作为新型热泵工质和制冷剂进行研究。这种气体绝缘性能约为sf6的1.8倍。该气体的gwp值仅为18、odp值为0，毒性很低。同时，其大气寿命约为几天到几周，环保性能好。且hfo-1336mzz(e)/co2混合气体绝缘性能和灭弧性能较好。
附图说明
[0022]
图1是本发明一实施例提供的应用于负荷开关灭弧介质的环保气体配比方法的流程示意图；
[0023]
图2是本发明一实施例提供的应用于负荷开关灭弧介质的环保气体配比方法的第一曲线示意图；
[0024]
图3是本发明一实施例提供的应用于负荷开关灭弧介质的环保气体配比方法的纯hfo-1336mzz(e)气体和sf6气体的击穿电压随充气压力变化的示意图；
[0025]
图4是本发明一实施例提供的应用于负荷开关灭弧介质的环保气体配比方法的第
二曲线示意图；
[0026]
图5是本发明一实施例提供的应用于负荷开关灭弧介质的环保气体配比方法的燃弧期间电弧温度分布示意图。
具体实施方式
[0027]
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0028]
本发明一实施例提供的一种应用于负荷开关的环保气体配比方法，将30％的hfo-1336mzz(e)气体和70％的co2气体进行混合得到环保气体，将所述环保气体作为负荷开关的灭弧介质；所述hfo-1336mzz(e)的反式为-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯，所述hfo-1336mzz(e)的分子式为c4h2f6。
[0029]
作为其中一种实施例，如图1所示，根据以下步骤得到所述hfo-1336mzz(e)气体和co2气体的混合比例：
[0030]
步骤s101：根据hfo-1336mzz(e)纯气体安托万特性常数、co2纯气体的安托万特性常数和气液平衡基本定律计算不同混合比例的hfo-1336mzz(e)和co2混合气体的饱和蒸气压随温度变化的第一曲线，根据所述第一曲线选择所述hfo-1336mzz(e)和co2的混合比例范围和充气压力范围。具体的，在计算安托万特性常数时，根据hfo-1336mzz(e)纯气体的气压随温度变化的数据和安托万方程进行拟合得到hfo-1336mzz(e)纯气体的安托万特性常数a、b、c分别为：3.211、1023.479、235.325；根据co2纯气体的气压随温度变化的数据和安托万方程得到co2纯气体的安托万特性常数e＝9.64、f＝1284.07、g＝268.432。根据hfo-1336mzz(e)纯气体安托万特性常数、co2纯气体的安托万特性常数和以下公式计算hfo-1336mzz(e)和co2混合气体的饱和蒸气压随温度变化的第一曲线：
[0031][0032][0033]
p1x＝py
[0034]
p2(1-x)＝p(1-y)
[0035][0036]
式中，p1和p2分别为组分1和组分2的饱和蒸气压；p为混合气体的饱和蒸气压；t为混合气体的温度；a1、b1、c1为组分1的安托万特性常数；a2、b2、c2为组分2的安托万特性常数；x和y为气液平衡时组分1的液相摩尔分数和气相摩尔分数；其中组分1为hfo-1336mzz(e)气体，组分2为co2气体。
[0037]
如图2所示，所述第一曲线为不同比例的hfo-1336mzz(e)和co2的混合气体的饱和蒸气压随温度的变化曲线，从图2中可以看出，随着温度的升高，hfo-1336mzz(e)/co2混合
气体的饱和蒸气压增加。同时，随着hfo-1336mzz(e)所占比例的增加，hfo-1336mzz(e)/co2混合气体的饱和蒸气压降低。在100kpa下，如果最低工作温度限制为-25℃，hfo-1336mzz(e)所占比例不得高于25％，否则，混合气体将液化。此外，当hfo-1336mzz(e)所占比例为30％时，hfo-1336mzz(e)/co2混合气体的液化温度为-19.7℃，可以满足最低工作温度为-15℃的设备使用。再根据所述第一曲线选择所述hfo-1336mzz(e)和co2的混合比例范围和充气压力范围。
[0038]
应用于实际时，还要考虑hfo-1336mzz(e)和co2混合气体的绝缘特性是否能够满足或者接近sf6气体的绝缘水平。因此，在对hfo-1336mzz(e)/和co2混合气体的饱和蒸气压进行分析后，通过直流击穿实验、交流击穿实验或者雷电冲击实验，对不同充气压力或者hfo-1336mzz(e)不同充气比例下的hfo-1336mzz(e)/co2混合气体的绝缘性能进行测试和评估，并与sf6气体的绝缘性能进行比较，选择一种合适的充气压力和一个合适的hfo-1336mzz(e)占比。
[0039]
步骤s102：根据所述混合比例范围和充气压力范围，测试不同混合比例的hfo-1336mzz(e)气体和co2气体的击穿电压随充气电压变化的第二曲线，根据所述第二曲线得到所述hfo-1336mzz(e)气体和co2气体的混合比例为3:7；同时，30％的hfo-1336mzz(e)和70％的co2的混合气体通过灭弧性能测试。具体的，采用雷电冲击电压结合升降压法测试不同混合比例的hfo-1336mzz(e)气体和co2气体的击穿电压随充气电压变化的第二曲线。测试准备工作包括：在测试用的实验腔体的下方安装充气口及压力表，实验电极为黄铜材质板板电极，为了精准控制充气电压与充气比例，采用订制的高精度数字压力表来测量腔体内部气压，其测量范围为-0.1mpa～1.0mpa，精度为0.5％。采用一台marx发生器作为电压源，并提供
±
1.2/50μs的标准雷电冲击过电压。每次测试前，将实验腔体抽取为真空状态并采用实验气体对腔体进行洗涤3次以上，以保证实验过程中腔体内部气体的纯度。由于hfo-1336mzz(e)气体在环境温度下饱和蒸气压较低，在充气过程中首先充入hfo-1336mzz(e)气体，随后再充入缓冲气体。充气过程完成后，静置2小时以上，以保证气体充分混合，从而减小测试误差。
[0040]
作为其中一种实施例，根据以下步骤进行所述升降压法测试：
[0041]
步骤s1021：确定初始雷电冲击电压：基于气体间隙的电场条件以及气体压力和配比条件，取一个初始雷电冲击电压值uk，使其近似地等于气体间隙的50％击穿电压值；确定雷电冲击电压增量：取一个雷电冲击电压增量δu≈(0.5～1.0)σuk；通常取σ＝0.03。
[0042]
步骤s1022：施加雷电冲击电压：在气体间隙上施加峰值为uk的标准雷电冲击电压，并读取电压波形，判断是否发生击穿并记录；通过静置消游离：静置3分钟以上，确保实验结果不会受上一次实验的影响。
[0043]
步骤s1023：再次施加雷电冲击电压：基于上一次实验结果，确定本次施加的电压值，如果气体间隙击穿，则本次施加电压峰值为u
k-δu，否则，则施加电压uk+δu。
[0044]
步骤s1024：重复实验：重复步骤s1022-步骤s1023至施加电压次数达到30次以上。
[0045]
步骤s1025：求取50％击穿电压：统计在每个电压等级ui下施加冲击电压的次数ni，则该气体间隙的50％击穿电压为：
[0046]
[0047]
根据上述实验步骤，测得的不同充气电压下，纯hfo-1336mzz(e)气体和sf6气体的击穿电压。如图3所示，从实验数据可以得出，随着充气电压的升高，两种气体的击穿电压值都线性增加，且纯hfo-1336mzz(e)气体的绝缘特性大概是sf6气体的1.5倍左右。证实了纯hfo-1336mzz(e)气体是一种可以替代sf6气体的高绝缘强度新型环保气体。
[0048]
测得的不同充气电压下，hfo-1336mzz(e)/co2混合气体随着hfo-1336mzz(e)所占比例不同击穿电压的变化曲线，并将其与纯sf6气体的击穿电压进行对比。所述第二曲线如图4所示，从实验数据可以得出，随着充气电压的升高，hfo-1336mzz(e)/co2混合气体的击穿电压值线性增加，随着hfo-1336mzz(e)所占比例的增加，hfo-1336mzz(e)/co2混合气体的击穿电压也在增加。同时，可以看到的是，当hfo-1336mzz(e)所占比例为40％时，hfo-1336mzz(e)和co2的混合气体在100kpa下的击穿电压近似等于纯sf6气体的击穿电压。但是，此时hfo-1336mzz(e)/co2混合气体的液化温度较高。而当hfo-1336mzz(e)所占比例为30％时，hfo-1336mzz(e)和co2混合气体在120kpa下的击穿电压和纯sf6气体在100kpa下的击穿电压相当。通过对hfo-1336mzz(e)和co2混合气体的饱和蒸气压特性和绝缘特性进行综合评估，可以得出hfo-1336mzz(e)所占比例为30％时，两种性能都满足使用条件。
[0049]
对于30％hfo-1336mzz(e)和70％co2的混合气体是否能够适用于负荷开关，还需要考虑其灭弧性能，本实施例根据电弧磁流体动力学建立12kv负荷开关的仿真模型，即将气体电弧等离子体看作是可压缩的导电流体。具体的，根据流体力学基本方程组建立所述12kv负荷开关的仿真模型，所述流体力学基本方程组包括但不限于质量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程、能量守恒方程。由于电弧燃烧过程中存在气流场、电磁场、温度场的耦合，因此需要在基本方程的基础上添加源项。
[0050]
如图5所示，可知sf6气体在燃弧期间电弧温度分布图，以及30％hfo-1336mzz(e)和70％co2的混合气体在燃弧期间电弧温度分布图，混合气体的电弧温度全程低于sf6电弧温度。在8ms电流时(此时电流很小)，电弧都越来越细长，直到最终熄灭。总体来说，sf6的电弧扩散滞后于30％hfo-1336mzz(e)和70％co2的混合气体，收缩效应也较弱。电弧越细越长，越有利于负荷开关在过零后不发生重燃。与sf6相比，30％hfo-1336mzz(e)和70％co2混合气体的电弧温度略低。从温度特性上看，30％hfo-1336mzz(e)/70％co2混合气体具有良好的灭弧性能。通过对hfo-1336mzz(e)/co2混合气体的饱和蒸气压特性、绝缘特性和灭弧特性分析，得出30％hfo-1336mzz(e)/70％co2混合气体是一种适合应用于12kv负荷开关的新型环保气体。
[0051]
本发明提出30％的hfo-1336mzz(e)和70％的co2混合气体作为sf6的替代气体，hfo-1336mzz(e)的反式为-1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯，分子式为c4h2f6(cf3-ch＝ch-cf3)。hfo-1336mzz(e)是一种无色、不易燃、不爆炸、热稳定性高的气体，目前主要作为新型热泵工质和制冷剂进行研究。这种气体绝缘性能约为sf6的1.8倍。该气体的gwp值仅为18、odp值为0，毒性很低。同时，其大气寿命约为几天到几周，环保性能好。且hfo-1336mzz(e)/co2混合气体绝缘性能和灭弧性能较好。综上所述，hfo-1336mzz(e)/co2混合气体是一种环保无毒且灭弧性能和绝缘性能好的sf6替代气体。
[0052]
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
[0053]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read-only memory，rom)或随机存储记忆体(random access memory，ram)等。