多种杂质共同影响下的SF6放电分解行为及其绝缘特性研究

The impurities including insulation material vapor, metal electrode vapor, trace moisture and oxygen in high voltage SF6 electric equipment will lead to the generation of SF6 decomposition products with low insulation strength, which are not benefit for the recombination of SF6 molecule and decrease the insulation strength of SF6. Therefore, this project fully reveals SF6 decomposition behavior under multi-impurities and proposes a method to study SF6 insulation characteristics based on SF6 decomposition behavior. Firstly, the chemical interactions between multi-impurities and SF6 as well as low fluoride sulfides are studied by quantum chemistry method and transition station theory. The SF6 decomposition system under multi-impurities is constructed and theoretical micro-data like reaction coefficients are obtained to illustrate SF6 decomposition mechanism. Secondly, non-equilibrium SF6 decomposition products revolution characteristics is investigated by two-temperature chemical kinetic model and verified by experiments to reveal the comprehensive influence of multi-impurities from the point of view of time and space. Finally, using above results as input data, SF6 insulation characteristics is computed by solving Boltzmann equation and verified by experiments to reveal the intrinsic relationship between SF6 decomposition products revolution characteristics and SF6 insulation characteristics. This project can lay a theoretical basis for effective evaluation of dielectric strength of high voltage SF6 electric equipment.

高压SF6电气设备中的绝缘材料蒸气、金属电极蒸气及微水微氧等杂质会导致SF6在放电分解时形成绝缘强度较低、不利于SF6分子再复合的产物，降低SF6绝缘强度。针对该问题，本项目全面揭示多种杂质共同影响下的SF6放电分解行为，提出利用SF6放电分解行为研究SF6绝缘特性的方法：采用量子化学方法和过渡态理论研究杂质与SF6及低氟硫化物的作用机理，构建多种杂质下的SF6放电分解体系，获得速率系数等微观理论数据，阐明SF6放电分解机理；利用双温度化学动力学模型，研究非平衡SF6放电分解产物演变特性并进行实验验证，从时间和空间尺度上考察多种杂质对非平衡SF6放电分解产物演变特性的综合影响规律；利用SF6放电分解行为的研究结果解析Boltzmann方程并结合实验验证，获得SF6绝缘特性，揭示SF6放电分解产物演变特性与SF6绝缘特性的内在联系，为实现高压SF6电气设备绝缘强度的有效评估奠定基础。

SF6气体作为卓越的绝缘和灭弧介质被广泛的应用于电气设备中。近年来，作为电力系统安全运行的重要保证，高压SF6电气设备（断路器、GIS等）的数量随着电力系统容量的与日俱增以较快的速度增长。纯SF6具有良好的绝缘自恢复特性，但是放电等因素促使绝缘材料蒸气、金属电极蒸气、微水微氧等杂质与部分SF6及低氟硫化物发生反应，使得SF6放电分解形成绝缘强度较低、化学性质活泼的产物，从而打破SF6分解和复合的动态平衡，导致SF6气体绝缘强度降低，进一步造成设备耐压强度降低、开断容量下降，严重威胁设备的安全运行。因此，开展SF6气体放电分解行为及SF6气体绝缘特性研究，对于高压SF6电气设备本身及其所在电力系统的安全运行具有重要意义。申请人及国内外学者前期得到的研究结果表明，高压SF6电气设备中混入的微水微氧、微量金属、绝缘材料杂质改变了SF6放电分解机理和分解产物演变特性，降低了SF6气体绝缘强度，对设备及其所在电力系统的安全运行带来威胁。鉴于此，本项目通过探索微水微氧、绝缘材料蒸气和金属电极蒸气等杂质共同影响下的SF6放电分解行为（包括SF6放电分解机理和SF6放电分解产物演变特性），提出利用SF6放电分解行为研究SF6绝缘特性的方法，揭示多种杂质对SF6绝缘特性的综合影响规律，阐明SF6放电分解产物演变特性与SF6绝缘特性的内在关系。本项目采用量子化学方法和过渡态理论，研究考虑断路器喷口PTFE材料烧蚀蒸气、断路器Cu金属触头烧蚀蒸气和微水微氧等杂质影响的SF6放电分解体系和分解反应速率系数，揭示SF6放电分解机理，为研究非平衡SF6放电分解产物演变特性提供重要数据输入；采用化学动力学模型研究获得非平衡条件下微水微氧杂质对主要特征分解产物含量和生成速率的影响规律，开展实验获得不同水蒸气、氧气含量下SF6放电分解产物与放电故障的关系。