环保型气体放电过程中绝缘性能的评估方法

1.本发明属于电力设备绝缘监测与状态评估技术领域，涉及一种环保型气体放电过程中绝缘性能评估的方法。


背景技术：

2.电力设备中广泛应用的sf6气体具有优良的绝缘和灭弧性能。然而，sf6气体的全球变暖潜能值(gwp)是co2的23 900倍，即大气中每增加1kg sf6造成的温室效应相当于排放23.9t co2，或相当于1台汽车正常行驶约17.7万km的尾气co2排放量。因此，迫切需要寻找能代替sf6气体的环境友好型气体作为电力设备的绝缘和灭弧介质。
3.目前的研究主要集中在cf3i、c-c4f8、c4f7n、c5f
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o、c6f
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o等几种绝缘性能较好的气体，且以c4f7n/co2混合气体为绝缘介质的420kv气体绝缘输电线路(gil)、245kv电流互感器和145kv气体绝缘组合电器(gis)均已投入试运行，以c5f
10
o/空气混合气体为绝缘介质的22kv配电开关设备样机也已在苏黎世挂网运行。由此可见，c4f7n及其混合气体、c5f
10
o及其混合气体具有替代sf6气体的可能性。
4.国内外学者主要通过测量局部放电起始电压、局部放电击穿电压、雷电冲击电压等方式来研究环保型气体的绝缘性能，由于c4f7n、c5f
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o等气体的碰撞截面数据不全，不能采用临界约化场强来判断环保气体的绝缘性能。此外，部分环保气体放电后的分解产物也具有绝缘性能，因此应用分解产物来评估环保气体的绝缘性能能够有效揭示放电过程中包含环保气体及其分解产物的混合体系绝缘性能的变化。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种环保型气体放电过程中绝缘性能评估的方法，解决了现有技术中存在的环保型气体放电分解后绝缘性能无法评估的问题，对环保型电力设备的状态监测及故障诊断具有重要意义。
6.本发明所采用的技术方案是：
7.环保型气体放电过程中绝缘性能的评估方法，包括以下步骤：
8.步骤一：采用化学动力学模型计算环保型气体放电下分解产物的演化特性；
9.步骤二：根据每种产物的微观结构参数，采用多元线性回归计算其相对于sf6的绝缘性能；
10.步骤三：计算放电过程中气体混合物的相对绝缘性能。
11.本发明的特点还在于：
12.步骤一中化学动力学模型的结构示意图及化学反应种类如图1所示，包括等离子体区和气体区，等离子体区由气体区包围，等离子体区内的化学反应包括电子碰撞反应、离子-中性粒子反应、离子-离子反应和中性粒子-中性粒子反应；气体区的化学反应只包括缓慢的中性粒子反应；
13.步骤一中等离子体区与气体区内的化学反应包括环保型气体及其混合气体的反
应路径和反应速率常数和n2、co2和air的化学反应的路径和反应速率常数。
14.步骤一中化学动力学模型中粒子在持续局部放电下分解产物的演化特性由式(1)～(2)进行计算：
[0015][0016][0017]
式中，c
pj
为等离子体区第j个粒子的数密度，ν
ij
,ν
ij
′
分别为化学反应方程左边和右边的化学计量数，ki为反应速率常数，c
pl
为等离子体区第l个粒子的数密度，ν
il
为第i个反应方程左边第l个粒子的化学计量数，d
kj
为扩散系数，c
gj
为气体区粒子的数密度，r
p
为等离子体区的半径，rg为气体区的半径，s
p
，v
p
分别为等离子体区的面积和体积，vg为气体区的体积。
[0018]
步骤二中先根据分子的微观结构参数，包括分子偶极矩、极化率、电离能、亲和能这些参数，计算已知绝缘性能的分子，如sf6、n2、c4f7n、c5f
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o、c6f
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o、co2。通过多元线性回归，计算回归系数，如式(3)所示。
[0019]ei
＝a b1x1 b2x2 b3x3 b4x4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0020]
式中，ei为第i个分子的相对绝缘强度，a为误差项，x1为分子偶极矩，x2为极化率，x3为电离能，x4为亲和能，b1,b2,b3,b4分别为系数。
[0021]
采用spss软件求解式(3)能够获得回归系数，即a,b1,b2,b3,b4,因此根据回归系数及未知绝缘性能的分解产物的微观结构参数，能够计算分解产物中未知绝缘性能的分子的相对绝缘强度。
[0022]
步骤三中根据步骤一计算的分解产物的组分，以及步骤二计算的每种产物的相对绝缘性能，采用加权法计算环保气体及其分解产物构成的气体混合物的相对绝缘性能，如式(4)所示：
[0023]
e＝∑ω
iei
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0024]
式中，e为混合气体的相对绝缘强度，ωi为第i种分子的组分，ei为第i种分子的相对绝缘强度。
[0025]
本发明的有益效果是：
[0026]
(1)本发明从微观分子角度评估环保型气体包括分解产物的绝缘性能，能够根据分解产物的组分预判环保气体在运行中的绝缘状态，并帮助诊断绝缘故障；(2)本发明中的环保型气体可以是c4f7n及其混合气体、c5f
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o及其混合气体、c6f
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o及其混合气体，能够揭示多种类型环保型气体的绝缘性能；(3)本发明为电力设备绝缘性能的实时监测提供了一种方便有效的方法，能够节省人力、物力。
附图说明
[0027]
图1是化学动力学模型的结构示意图及化学反应种类。
[0028]
图2是环保型气体在放电过程中的绝缘性能评估流程图。
具体实施方式
[0029]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0030]
本发明环保型气体放电过程中绝缘性能的评估方法，如图2，包括以下步骤：
[0031]
步骤一：采用化学动力学模型计算环保型气体放电下分解产物的演化特性；
[0032]
步骤二：根据每种产物的微观结构参数，采用多元线性回归计算其相对于sf6的绝缘性能；
[0033]
步骤三：计算放电过程中气体混合物的相对绝缘性能。
[0034]
本发明中的环保型气体可以是c4f7n及其混合气体、c5f
10
o及其混合气体、c6f
12
o及其混合气体，能够揭示多种类型环保型气体的绝缘性能。
[0035]
其中步骤一具体包括：化学动力学模型是研究分解产物演化特性的有效手段，化学动力学模型最关键的是化学反应体系和模型结构。步骤一中化学动力学模型的化学反应体系包括由密度泛函结合反应分子动力学计算得到的环保型气体及其混合气体的反应路径和反应速率常数，也包括归纳总结的n2、co2和air的化学反应的路径和反应速率常数。所以，对于每种环保气体或者其混合气体，化学反应体系都非常复杂，体系中的粒子通常为几十个，化学反应成百上千，且包括了电子碰撞反应、离子-中性粒子反应、离子-离子反应和中性粒子-中性粒子反应四大类。
[0036]
步骤一中的电晕放电由于放电时间通常为几小时到几十小时，分解产物通过扩散会达到近似均匀分布，因此，这里的化学动力学模型采用两个零维模型进行耦合。这两个零维模型分别代表等离子体区和气体区，在各区域内忽略了空间非均匀性，且等离子体区由气体区包围。等离子体区的化学反应包含了体系中所有的化学反应，而气体区的化学反应只包括缓慢的中性粒子反应，一般是扩散到气体区的粒子与背景气体(c4f7n、c5f
10
o、c6f
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o、co2、n2、air)之间的反应。
[0037]
步骤一中粒子在持续局部放电下分解产物的演化特性由式(1)～(2)进行计算。
[0038][0039][0040]
式中，c
pj
为等离子体区第j个粒子的数密度，ν
ij
,ν
ij
′
分别为化学反应方程左边和右边的化学计量数，ki为反应速率常数，c
pl
为等离子体区第l个粒子的数密度，ν
il
为第i个反应方程左边第l个粒子的化学计量数，d
kj
为扩散系数，c
gj
为气体区粒子的数密度，r
p
为等离子体区的半径，rg为气体区的半径，s
p
，v
p
分别为等离子体区的面积和体积，vg为气体区的体积。
[0041]
步骤二中先根据分子的微观结构参数，包括分子偶极矩、极化率、电离能、亲和能这些参数，计算已知绝缘性能的分子，如sf6、n2、c4f7n、c5f
10
o、c6f
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o、co2。通过多元线性回归，计算回归系数，如式(3)所示。
[0042]ei
＝a b1x1 b2x2 b3x3 b4x4ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0043]
式中，ei为第i个分子的相对绝缘强度，a为误差项，x1为分子偶极矩，x2为极化率，x3为电离能，x4为亲和能，b1,b2,b3,b4分别为系数。
[0044]
步骤二中采用spss软件求解式(3)能够获得回归系数，即a,b1,b2,b3,b4,因此根据回归系数及未知绝缘性能的分解产物的微观结构参数，能够计算分解产物中未知绝缘性能的分子的相对绝缘强度。
[0045]
步骤三中根据步骤一计算的分解产物的组分，以及步骤二计算的每种产物的相对绝缘性能，采用加权法计算环保气体及其分解产物构成的气体混合物的相对绝缘性能，如式(4)所示。由于放电体系中每个产物的相对绝缘强度都是已经计算得到的，且各产物的组分也由化学动力学模型计算得到，那么放电过程中各时刻混合气体的绝缘性能能够计算得到，从而根据绝缘强度能够评估环保型电力设备的绝缘性能。当绝缘性能低到一定程度时，需要进行及时补气，保证环保型电力设备的安全稳定运行。
[0046]
e＝∑ω
iei
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0047]
式中，e为混合气体的相对绝缘强度，ωi为第i种分子的组分，ei为第i种分子的相对绝缘强度。