CN112362723B - 一种基于稳态汤森原理的sf6替代气体寻找方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力系统气体绝缘检测技术，具体涉及一种基于稳态汤森原理的SF6替代气体寻找方法及装置，该方法首先建立稳态汤森试验的前置模型，利用紫外光激发2nm铂金属涂层电子，形成初始电流；仿真实验步骤：按照步骤1的方法，通过光在空间中衰减定律计算不同距离d下的可见光至电极铂金属的光强；通过计算金属粒子光电离出的电子，得到初始电流的计算值。再通过计算与试验方法寻找一种电离系数低的气体作为SF6替代气体的备选气体。该方法保证了数值的稳定性，减小因设备精度导致的误差。采用分子泵对SST实验平台进行抽取真空，使试验的可靠性得到大大提升，还可以通过稳态汤森试验验证该方法的准确性。

Description

一种基于稳态汤森原理的SF6替代气体寻找方法及装置
技术领域
本发明属于电力系统气体绝缘检测技术领域，特别涉及一种基于稳态汤森原理的SF6替代气体寻找方法及装置。
背景技术
SF6气体化学性能稳定、无毒，并且具有良好的绝缘和灭弧能力，已被作为绝缘介质广泛的应用于电力设备中。但由于SF6具有极强的温室效应，在1997 年签订的《京都协议书》中被列为六种受限制的温室气体(二氧化碳CO2、甲烷 CH4、氧化亚氮N2O、氢氟碳化物HFCS、全氟化碳PFCS、六氟化硫SF6)之一，在2015年通过的《巴黎协定》为全球变暖变化做出了安排，特别强调在21世纪下半叶实现温室气体的零排放。SF6的温室效应潜在值为CO2的23900倍，每排放1g SF6产生的温室效应相当于排放22.8kg CO2。随着SF6产业迅猛发展，其引发的温室效应已经占据全球的1/3。为了减小高中压设备中SF6的使用，主要采用以下方法：采用SF6混合气体、使用新型环保气体。SF6混合气体指的是在使用对高中压设备充气时，使用N2、干燥空气等GWP值较低的气体与SF6混合使用，减少SF6气体的含量，同时满足设备绝缘需求。新型环保气体指的是具有较高的绝缘性能，却无SF6气体的缺陷的气体。目前寻找能够替代SF6的新型环保气体是电气与化学交叉学科的研究热点。
气体的绝缘强度表示为气体分子电离程度随电场强度的增强而增加、分子之间的吸附作用逐渐降低。当分子电离出的电子数与分子吸附作用减少的电子数相同时，气体变为等离子体，随之发生击穿现象，此时的临界击穿场强即为该气体的介电强度。目前气体的绝缘强度都以试验研究为主，主要的试验包括气体击穿特性试验、稳态汤森试验、局部放电试验等多种试验研究方法。经过几十年的试验筛选出若干具备使用价值的替代气体，包括全氟异丁腈(C4F7N)、八氟环丁烷(c-C4F8)、三氟碘甲烷(CF3I)和全氟酮类(C5F10O、C6F12O)等。气体绝缘与击穿是一种非常复杂的宏观现象，试验测得的临界击穿场强受到电场类型 (均匀电场、稍不均匀场和极不均匀电场)、温度、压力、电极材料和电极形状等，这就使得同一种气体在不同的状态下，可能对应多个绝缘强度。目前，通常使用Boltzmann方程或者Monte-Carlo模拟等数学方法计算，但是要对方程输入气体的各种碰撞截面(振荡激发的碰撞截面、电离截面、弹性动能转移碰撞截面、非弹性激发碰撞截面和吸附碰撞截面)和电子能量分布函数等。
但通过计算的方法得到SF6的替代气体并不具有说服力，所以要通过实验，验证SF6替代气体的可行性。
传统汤森理论通过实验出初始电流，再通过初始电流计算替代气体的电离系数与附着系数。但是这种方法受限于实验装置的精密度，在不同的实验装置中，测得的初始电流都不尽相同。
发明内容
针对背景技术存在的问题，本发明提供一种基于稳态汤森理论的替代气体的寻找方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种基于稳态汤森原理的 SF6替代气体寻找方法，包括以下步骤:
步骤1、建立稳态汤森试验的前置模型，利用紫外光激发2nm铂金属涂层电子，形成初始电流；
步骤2、仿真实验步骤：按照步骤1的方法，通过光在空间中衰减定律：
h＝h0×e-ad
式中，h0表示初始光强，a为真空中的吸收系数，d为光传播距离，h为光在某一点的波长；计算不同距离d下的可见光至电极铂金属的光强；
Pt的第一电离能为800kJmol-1，面积为1cm2，厚度为2nm的铂金属，为 1.1*10-8mol，激发全部第一电离能需要5.5*1013eV；
通过电流计算公式，计算出电子激发的初始电流：
Figure BDA0002748961610000021
式中，I0为电子激发的初始电流，Q为电荷量，n为电子数目，e为单个电荷量，t为电子通过单位界面所需要的时间；
步骤3、根据步骤2仿真计算结果确定初始电流，再根据汤森放电理论，电离系数为：
Figure BDA0002748961610000031
式中，α为电离系数，d为两极板之间的距离，I为稳态汤森试验平台测得电流；通过计算与试验方法，寻找一种电离系数低的气体，作为SF6替代气体的备选气体。
在上述的基于稳态汤森原理的SF6替代气体寻找方法中，步骤1的实现需要分别测取不同波长可见光的光强，不同波长可见光波长为100nm、200nm、300nm、 400nm。
在上述的基于稳态汤森原理的SF6替代气体寻找方法中，步骤2的实现采用仿真软件MATLAB建立模型，根据不同波长的可见光的光强和在真空中光强的衰减结果，仿真出激发电子数目n。
用于基于稳态汤森原理的SF6替代气体寻找方法的装置，包括真空腔，分别与真空腔相连的机械泵、气压显示器和可见光发光管，与气压显示器相连的分子泵，置于真空腔内的紫外光源以及2nm铂金属涂层的两个电极，与其中一个电极连接的高压电源、高压探头和皮安表；另一个电极接地。
与现有技术相比，本发明通过计算紫外光在真空中传播的衰减函数，计算到达铂金属的光强，通过计算金属粒子光电离出的电子，得到初始电流的计算值，保证了数值的稳定性，能减小因设备精度导致的误差。采用分子泵可以将真空腔中的气压抽取至10-5Pa，大大提升SST试验的准确度。利用磁控溅射机对石英玻璃镀膜，厚度为2nm，能保证激发的初始电流精度。还可以通过稳态汤森试验验证该方法的准确性。
附图说明
图1是本发明一个实施例SST试验装置示意图；
图2是本发明一个实施例通过计算得到的初始电流值；
图3是本发明一个实施例通过SST试验测试的电流值。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例提供了一种采用分子泵装置解决在对汤森试验中腔体的气压问题，使腔体内压强可为10-5Pa，可大大提高测量设备的利用效率。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种基于稳态汤森原理的SF6替代气体寻找方法，包括以下步骤：
S1、模型建立：建立稳态汤森(SST)试验的前置模型，采用的Gp3Hg–1 型紫外光源发射波长为253.7nm的紫外光，将紫外光照射在另一个电极的石英玻璃上面(电极的石英玻璃面上镀2nm的铂金属涂层)，利用紫外光激发铂金属 (金属铂的逸出功4.1eV，)涂层电子，形成初始电流。
S2、仿真实验步骤：按照S1的方法，通过光在空间中衰减定律：
h＝h0×e-ad
式中h0代表了初始光强，a为真空中的吸收系数，d为光传播距离，h为光在某一点的波长。计算不同距离d下的可见光至电极铂金属的光强。
Pt的第一电离能为800kJmol-1，面积为1cm2厚度为2nm的铂金属，为 1.1*10-8mol，激发全部第一电离能需要5.5*1013eV，
通过电流计算公式，计算出
Figure BDA0002748961610000041
式中，I0为电子激发的初始电流，Q为电荷量，n为电子数目，e为单个电荷量，t为电子通过单位界面所需要的时间。
S3、由S2仿真计算结果确定初始电流，再根据汤森放电理论，电离系数为
Figure BDA0002748961610000042
式中α为电离系数，d为两极板之间的距离，I为SST试验平台测得电流。通过计算与试验方法，寻找一种电离系数低的气体，作为SF6替代气体的备选气体。
而且，S1中，需要测取不同波长的可见光的光强，不同波长的可见光分别为：100nm、200nm、300nm、400nm。
而且，S2中，获得电气设备局部放电时辐射电磁波的典型频谱特性曲线的方法具体为：采用仿真软件MATLAB建立模型，根据不同波长的可见光的光强和在真空中光强的衰减结果，仿真出激发电子数目n。
用于基于稳态汤森原理的SF6替代气体寻找方法的装置，包括真空腔，分别与真空腔相连的机械泵、气压显示器和可见光发光管，与气压显示器相连的分子泵，置于真空腔内的紫外光源以及2nm铂金属涂层的两个电极，与其中一个电极连接的高压电源、高压探头和皮安表；另一个电极接地。
真空腔用于保持真空，机械泵用于抽真空，分子泵用于加强机械泵的能力、可见光发光管可以发射波长为100nm、200nm、300nm、400nm的可见光。Gp3Hg–1 型紫外光源可以发射波长为253.7nm的紫外光，两个电极为镀2nm铂金属的石英玻璃。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于稳态汤森原理的SF6替代气体寻找方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、建立稳态汤森试验的前置模型，利用紫外光激发2nm铂金属涂层电子，形成初始电流；
步骤2、仿真实验步骤：按照步骤1的方法，通过光在空间中衰减定律，计算不同距离d下的可见光至电极铂金属的光强；
h＝h0×e-ad
式中，h0表示初始光强，a为真空中的吸收系数，d为光传播距离，h为光在某一点的光强；
通过电流计算公式，计算出电子激发的初始电流：
Figure FDA0003353812520000011
式中，I0为电子激发的初始电流，Q为电荷量，n为电子数目，e为单个电荷量，t为电子通过单位界面所需要的时间；
步骤3、根据步骤2仿真计算结果确定初始电流，再根据汤森放电理论，电离系数为：
Figure FDA0003353812520000012
式中，α为电离系数，d为两极板之间的距离，I为稳态汤森试验平台测得电流；通过计算与试验方法，寻找一种电离系数低的气体，作为SF6替代气体的备选气体。
2.如权利要求1所述的基于稳态汤森原理的SF6替代气体寻找方法，其特征是，步骤1的实现需要分别测取不同波长可见光的光强。
3.如权利要求2所述的基于稳态汤森原理的SF6替代气体寻找方法，其特征是，步骤2的实现采用仿真软件MATLAB建立模型，根据不同波长的可见光的光强和在真空中光强的衰减结果，仿真出激发电子数目n。
4.用于如权利要求1-3任一项权利要求所述的基于稳态汤森原理的SF6替代气体寻找方法的装置，其特征是，包括真空腔，分别与真空腔相连的机械泵、气压显示器和可见光发光管，与气压显示器相连的分子泵，置于真空腔内的紫外光源以及2nm铂金属涂层的两个电极，与其中一个电极连接的高压电源、高压探头和皮安表；另一个电极接地。
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