CF3I混合氣體比例及放電參數(shù)分析

周宇洋， 何柏娜， 姜仁卓， 毛亞哲， 王樂淼， 頡雅迪

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 淄博 255000)

SF6是電力系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的氣體絕緣介質(zhì)之一，但SF6是一種具有較大危害的溫室氣體，其溫室效應(yīng)潛在值是CO2的23 900倍，《京都議定書》將SF6氣體列為六種限制溫室氣體之一[1]。

為尋求環(huán)保的替代氣體，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，研究內(nèi)容包括常規(guī)氣體[2-3]、SF6混合氣體[4-6]、電負(fù)性氣體[7-9]。但目前沒有綜合性能優(yōu)于SF6的氣體。

CF3I氣體無色無嗅，不易燃燒爆炸，不易與其它物質(zhì)反應(yīng)，可溶于變壓器油， 溫室效應(yīng)潛在值極低，且擁有較好的絕緣能力[10-11]，具有良好的研究前景。但CF3I容易液化(251 K，0.1 MPa)[12]，純CF3I難以在高氣壓電氣設(shè)備中直接應(yīng)用，需要與高液化溫度且具有一定絕緣能力的氣體混合使用。

因CF3I氣體有較好的理化性能，因此近年來國內(nèi)外學(xué)者對CF3I展開了大量研究。Katagiri等[10]、Chen等[11]通過擊穿實驗研究了CF3I及CF3I-CO2氣體的絕緣能力及分解特性。De Urquijo等[13]通過Townsend脈沖實驗計算了CF3I及CF3I-N2氣體的部分電子運(yùn)輸參數(shù)及折合擊穿場強(qiáng)。趙謖等[14]對CF3I-N2及CF3I-CO2混合氣體的協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行了研究。徐玲鈴等[15]對三元CF3I混合氣體協(xié)同效應(yīng)進(jìn)行了理論計算。趙虎等[16]對300 K下CF3I-N2及CF3I-CO2混合氣體的絕緣性能進(jìn)行了理論計算。

雖然目前已有部分對CF3I混合氣體的實驗或理論研究，但基本是對所有比例范圍的CF3I混合氣體進(jìn)行的研究，并未考慮所研究范圍內(nèi)混合氣體實際工況下的可行性，且研究內(nèi)容多為絕緣能力或協(xié)同效應(yīng)等宏觀量，并未對電子運(yùn)輸參數(shù)等中間微觀量進(jìn)行深入細(xì)致的分析?；诖?，本文根據(jù)實際工況條件首先確定有效的CF3I混合氣體比例范圍，并對范圍內(nèi)的CF3I放電參數(shù)進(jìn)行深入理論研究，為CF3I在電氣設(shè)備中的應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

1 CF3I混合氣體比例分析

CF4、N2、CO2氣體有較好的理化性質(zhì)，常被作為緩沖氣體使用[5-8]，故引入此三種氣體作為本文的CF3I緩沖氣體進(jìn)行研究。在混合氣體中，最易發(fā)生液化的氣體成分決定了整體的液化條件。CF4、N2、CO2氣體的液化溫度都較低且遠(yuǎn)小于CF3I氣體，因此CF3I決定了其混合氣體的液化條件。

氣體液化條件取決于壓力和溫度，可用氣體飽和蒸氣壓方程定量描述。因此求解CF3I氣體飽和蒸氣壓方程即可定量求解混合氣體液化條件，CF3I氣體的飽和蒸氣壓方程[12]如式(1)所示：

lnP/Pc=(A1f+A2f1.25+A3f3+A4f7)(TC/T)

(1)

式(1)中：P為CF3I氣體液化壓力，MPa；Pc為CF3I氣體臨界壓力，Pc=3.953 MPa；f=1-T/Tc；Tc為CF3I氣體臨界溫度，Tc=396.44 K；T為氣體液化溫度，K；A1=-7.204 825；A2=1.393 833；A3=-1.568 372；A4=-5.776 90。

道爾頓定律指出，理想氣體混合物的總壓力等于其中各氣體成分壓力之和，公式為

(2)

式(2)中：P為混合氣體的總壓力，MPa；Pi為混合氣體中第i種成分的分壓力，MPa。

將混合氣體視為理想氣體并根據(jù)CF3I氣體的飽和蒸汽壓方程及道爾頓分壓定律即可近似計算出CF3I各種比例及壓力下的液化溫度。

在氣體絕緣設(shè)備中，為保證絕緣氣體的絕緣及滅弧能力，斷路器中的氣體壓力一般大于0.3 MPa，故將幾種氣體斷路器中常見的氣壓代入式(1)、式(2)計算不同CF3I氣體比例下的液化溫度，結(jié)果如表1所示。

表1 CF3I混合氣體在一定氣壓下的液化溫度Table 1 Liquefaction temperature of CF3I mixed gas at a certain pressure

若將251 K(純CF3I氣體在0.1 MPa的液化溫度)設(shè)為混合氣體最低工作溫度，則由表1可知：在CF3I摻入比例小于等于15%的情況下，混合氣體可在0.6 MPa的氣壓保持氣態(tài)；CF3I摻入比例30%時，混合氣體僅能在壓力0.3 MPa維持氣態(tài)。因此在CF3I混合氣體中，較低的CF3I比例可使混合氣體在更高的壓力下維持氣態(tài)。在設(shè)置的最低工作溫度條件下，CF3I的比例最高不應(yīng)高于30%。在高壓力的條件下混合氣體的CF3I比例應(yīng)降低，否則混合氣體的工作溫度條件會難以滿足，在應(yīng)用中可能出現(xiàn)液化現(xiàn)象。因此將30%作為混合氣體的CF3I比例上限進(jìn)行Boltzmann計算研究。

2 Boltzmann計算原理

Boltzmann方程是利用待求氣體的多種碰撞截面的微觀量求解氣體宏觀量的數(shù)學(xué)工具。求解Boltzmann方程可得出待求氣體放電過程中的電子運(yùn)輸及能量分布參數(shù)，進(jìn)而可解出待求氣體的絕緣性能。通過求解Boltzmann方程可得到氣體的電子能量分布函數(shù)(electron energy distribution function, EEDF)，并可進(jìn)一步求解得到折合電離系數(shù)(α/N)及折合吸附系數(shù)(η/N)，并以此得到氣體的折合臨界擊穿場強(qiáng)(E/N)cr。其中α為電離系數(shù)，η為吸附系數(shù)，E為電場強(qiáng)度，N為氣體粒子數(shù)密度。

求解方程有多項或兩項近似的方法。在電場各向異性較小，彈性碰撞截面遠(yuǎn)大于非彈性碰撞截面的情況下兩項近似的方法精度高并且具有較高的可靠性。使用軟件BOLSIG+對兩項近似Boltzmann方程進(jìn)行求解，并設(shè)求解溫度300 K，電子速度沿電場方向呈軸對稱分布，電場各處電子碰撞概率相同，碰撞電離后電子能量平分。

求解Boltzmann方程需要?dú)怏w的碰撞截面數(shù)據(jù)作為條件。從LXCat數(shù)據(jù)庫選取了認(rèn)可度較高的碰撞截面數(shù)據(jù)，包括SF6[17]、CF3I[18]、CF4[19]、N2[20]、CO2[21]，并與文獻(xiàn)[14-16]中的碰撞截面選取及計算結(jié)果進(jìn)行了比對，驗證了碰撞截面選擇的可靠性。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 CF3I混合氣體的 EEDF

圖1 三種 CF3I混合氣體在不同比例下的EEDFFig.1 EEDF of three CF3I mixed gases at different incorporation ratios

圖1為折合電場強(qiáng)度E/N為300 Td(1 Td=10-21V·m2)時三種不同比例混合氣體的EEDF，EEDF反映氣體中各個能級的電子密度。由圖1可知，在電子能量較低區(qū)域(<7 eV)，EEDF隨著CF3I比例的增加而增加，而在較高電子能量區(qū)域(>7 eV)的EEDF隨CF3I摻入比例的增加而減少。因為電負(fù)性氣體CF3I，可有效捕獲自由行程中的電子，從而減少了高能電子的數(shù)量并增加了低能電子的數(shù)量，故CF3I可抑制電子獲取更高的能量且抑制效果與CF3I比例呈正相關(guān)。

由圖1(b)可知，CF3I-N2混合氣體的EEDF 在電子能量1.5～3 eV時驟降，降低程度與N2比例正相關(guān)，且CF3I-N2混合氣體在0.5～1.5 eV的范圍內(nèi)EEDF較高，在圖1(a)、 圖1(c)中不存在該現(xiàn)象，因為N2在1.5～3 eV時振動激發(fā)碰撞降低了電子能量，使該范圍內(nèi)低能電子增加高能電子減少。圖1(c)中，EEDF曲線尾部高能區(qū)的電子能量小于另兩種混合氣體，表明CF3I-CO2混合氣體對高能電子的抑制作用最優(yōu)。對EEDF進(jìn)一步求解得到α/N及η/N。

3.2 CF3I混合氣體的α/N及η/N

α/N表示單位分子密度下氣體分子的電離頻率，表征氣體電離出電子的能力。三種CF3I混合氣體的α/N如圖2所示。

圖2 三種 CF3I混合氣體在不同比例下的α/NFig.2 α/N of three CF3I mixed gases at different incorporation ratios

如圖2(a)、 圖2(c)，E/N一定時，α/N隨CF3I含量的增加而減小，表明增加CF3I比例會削弱CF3I-CF4及CF3I-CO2的電離頻率。如圖2(b)，因CF3I與N2的電離碰撞截面近似，所以純CF3I氣體與純N2的α/N曲線近似相等。E/N一定時，CF3I-N2混合氣體的α/N隨CF3I比例的增加先增大后減小。對比圖3(a)～圖3(c)可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合比一定時，α/N隨E/N增大而增大，表明增大E/N能夠促進(jìn)電離反應(yīng)。且在CF3I 比例及E/N相同時，CF3I-CF4混合氣體的α/N明顯大于CF3I-N2及CF3I-CO2混合氣體，表明CF3I-CF4混合氣體在相同條件下電離反應(yīng)率最高。

η/N表示單位分子密度下氣體分子的吸附頻率，表征混合氣體吸附電子的能力。三種CF3I混合氣體的η/N如圖3所示。

圖3 三種CF3I混合氣體在不同比例下的η/NFig.3 η/N of three CF3I mixed gases at different incorporation ratios

由圖3可知，純CF3I氣體的η/N遠(yuǎn)大于三種混合氣體及緩沖氣體，且當(dāng)混合比一定時，三種混合氣體的η/N均隨E/N的增大而減小，E/N<200 Td時，η/N曲線非線性程度較高，表明低場強(qiáng)時η/N對電場變化的敏感度較高。當(dāng)E/N一定時，三種氣體的η/N均隨CF3I含量的增加而增大，表明CF3I捕獲電子的能力較強(qiáng)，增大了混合氣體的η/N。因N2不存在吸附截面，CO2吸附截面較小，弱電負(fù)性氣體CF4存在一定的吸附截面，因此在相同比例下CF3I-N2及CF3I-CO2混合氣體的η/N較為相近，相同比例的CF3I-CF4混合氣體η/N在E/N>200 Td時略高于另外兩種混合氣體。因此CF3I-CF4混合氣體的吸附特性要優(yōu)于另外兩種氣體。通過α/N及η/N可求得氣體的折合有效電離系數(shù)(α-η)/N。

3.3 CF3I混合氣體的(α-η)/N及(E/N)cr

(α-η)/N反映氣體電離反應(yīng)和吸附反應(yīng)的強(qiáng)弱情況。吸附反應(yīng)強(qiáng)于電離反應(yīng)時(α-η)/N<0，反之，(α-η)/N>0。(α-η)/N=0表示碰撞電離過程與碰撞吸附過程處于平衡狀態(tài)。三種CF3I混合氣體的(α-η)/N如圖4所示。

圖4 三種CF3I混合氣體在不同比例下的(α-η)/NFig.4 (α-η)/N of three CF3I mixed gases at different incorporation ratios

由圖4可知，(α-η)/N隨E/N的增大而增大。當(dāng)E/N一定時，三種混合氣體的(α-η)/N隨著CF3I比例的增加而減小，表示CF3I比例的增加降低了混合氣體的有效電離頻率。E/N=400 Td時，所有比例下的CF3I-CF4混合氣體(α-η)/N均大于等比例的另外兩種混合氣體，表示在E/N較高時，CF3I-CF4混合氣體有效電離反應(yīng)強(qiáng)于另外兩種混合氣體，會電離出更多自由電子。

在(α-η)/N=0時，氣體處于臨界擊穿狀態(tài)，此時(α-η)/N曲線的一階導(dǎo)數(shù)c可表征氣體絕緣能力對電場變化的敏感程度，c越小表示電場均勻程度對氣體絕緣特性的影響越低，其值如表2所示。

由表2可知，c隨緩沖氣體比例的增加而減小，三種混合氣體的c均小于SF6的29 kV-1[22]，其中CF3I-N2及CF3I-CO2混合氣體c更低，表明CF3I-N2及CF3I-CO2混合氣體在不均勻電場條件下電氣性能優(yōu)于CF3I-CF4混合氣體及SF6，且電場均勻度對其絕緣特性的影響相對較小。

氣體臨界擊穿狀態(tài)下對應(yīng)的E/N即氣體的折合臨界擊穿場強(qiáng)(E/N)cr，表征氣體的絕緣能力。不同比例下三種CF3I混合氣體及根據(jù)碰撞截面得到的SF6氣體的(E/N)cr如圖5所示。

表2 CF3I混合氣體的cTable 2 The c of CF3I mixed gas

圖5 SF6及三種CF3I混合氣體在不同比例下的(E/N)crFig.5 (E/N)cr of SF6 and three CF3I mixed gases at different incorporation ratios

如圖5，三種混合氣體的(E/N)cr均與CF3I比例正相關(guān)。在CF3I比例較低時，CF3I-CO2混合氣體的(E/N)cr明顯隨CF3I比例非線性增加，CF3I-N2混合氣體的(E/N)cr非線性程度較低，CF3I-CF4混合氣體的(E/N)cr線性程度較高，在CF3I比例較高時，三種混合氣體的(E/N)cr均隨CF3I比例線性增加。CF3I-CF4及CF3I-N2混合氣體的(E/N)cr數(shù)值相近，并大于CF3I-CO2混合氣體。

3.4 CF3I混合氣體的協(xié)同效應(yīng)

混合氣體的(E/N)cr隨氣體比例的非線性變化的現(xiàn)象表示混合氣體的(E/N)cr不同于各氣體組分單獨(dú)作用的總和，稱為氣體的協(xié)同效應(yīng)。協(xié)同效應(yīng)可用協(xié)同效應(yīng)系數(shù)ξ表征，ξ越大，協(xié)同效應(yīng)越強(qiáng)。計算公式如式(3)所示。

(3)

式(3)中:(E/N)cr為待求混合氣體的(E/N)cr，Td；xi為第i種氣體所占?xì)怏w總量的比例，%；(E/N)cr,i為第i種氣體的(E/N)cr，Td。三種混合氣體的ξ如圖6所示。

圖6 三種CF3I混合氣體在不同比例下的協(xié)同效應(yīng)系數(shù)Fig.6 Synergistic effect coefficient of three CF3I mixed gases at different incorporation ratios

如圖6，三種混合氣體的值均大于零，表明三種混合氣體均存在正協(xié)同效應(yīng)，即三種混合氣體的(E/N)cr均大于其各成分的(E/N)cr加權(quán)和。CF3I比例5%～20%時，三種混合氣體的值較高，在該比例下協(xié)同效應(yīng)最為顯著。且CF3I-CO2混合氣體的協(xié)同效應(yīng)高于CF3I-N2混合氣體，CF3I-CF4混合氣體協(xié)同效應(yīng)最低。

由圖5可知，CF3I混合氣體的絕緣能力隨CF3I比例的增加而增強(qiáng)，但是較高的CF3I比例會導(dǎo)致氣體的工作壓力及溫度受限，使混合氣體不能在較高壓力或溫度條件下使用，在設(shè)定的最低工作溫度條件下，0.3 MPa時CF3I的混合比例最高只能達(dá)到30%，15%及以下 CF3I比例的混合氣體則可在0.6 MPa下使用。在CF3I氣體比例為30%時，CF3I-CF4、CF3I-N2、CF3I-CO2混合氣體分別達(dá)到了SF6氣體絕緣能力的69.8%、68%及66.3%，CF3I氣體比例為15%時，分別為58.4%、58.7%及52.2%，雖然降低CF3I氣體比例降低了混合氣體的絕緣能力，但由圖6可知，在CF3I比例較低的情況下，氣體的協(xié)同效應(yīng)更為顯著，使CF3I比例下降對混合氣體絕緣能力的影響變小，混合氣體仍有相對較高的(E/N)cr，并未與CF3I比例的下降而等比例的降低絕緣性能，因此利用氣體的協(xié)同效應(yīng)可在較低CF3I氣體比例下使混合氣體獲得相對較強(qiáng)的絕緣性能。

3.5 計算結(jié)果驗證

為驗證碰撞截面的選取與計算結(jié)果的可靠性，將文中計算的典型結(jié)果(E/N)cr與可信度較高的參考文獻(xiàn)值進(jìn)行對比，如圖7所示。

圖7 CF3I/N2及CF3I/CO2混合氣體(E/N)cr值與文獻(xiàn)的對比Fig.7 (E/N)cr of CF3I/N2 and CF3I/CO2 mixed gas compared with literature

由圖7可知，計算的CF3I/N2混合氣體的(E/N)cr介于文獻(xiàn)[14]的計算值與文獻(xiàn)[12]的實驗值之間；CF3I/CO2混合氣體的(E/N)cr略高于文獻(xiàn)[16]的計算值，且相差較小。當(dāng)前對CF3I/CF4混合氣體的研究較少，尚無權(quán)威參考值，但CF3I/CF4混合氣體的研究結(jié)果及與其他混合氣體的相對大小關(guān)系均與文獻(xiàn)[15]較為相近。此外所得的另兩種混合氣體的(E/N)cr相對大小關(guān)系也與文獻(xiàn)[14-16]一致，因此可認(rèn)為選擇的碰撞截面及計算方法是可靠的。

4 結(jié)論

通過求解CF3I氣體液化特性及其特定混合比下CF3I混合氣體的放電參數(shù)得到以下結(jié)論。

(1) CF3I-CO2混合氣體絕緣能力較差，在低CF3I比例時尤其顯著，因此CO2不適合單獨(dú)作為CF3I的緩沖氣體使用，但CO2可有效減少高能電子數(shù)量，因此可以考慮將CO2與其他緩沖氣體混合使用。CF3I-CF4混合氣體有良好絕緣能力，電場敏感度特性劣于另兩種混合氣體但優(yōu)于SF6。

(2) CF3I-N2混合氣體具有良好的絕緣能力及電場敏感度特性，并具有一定的協(xié)同效應(yīng)。綜合性能較優(yōu)，因此N2更適合作為CF3I的緩沖氣體。

(3) 較低CF3I比例的混合氣體絕緣性能較差，而較高的CF3I比例使混合氣體易發(fā)生液化現(xiàn)象，因此綜合考慮混合氣體的絕緣能力及液化條件， 15%～30% CF3I比例的混合氣體具有較好的綜合性能，有較高實際應(yīng)用價值，有必要在復(fù)雜條件下對該比例的CF3I混合氣體進(jìn)行深入研究。