（电气工程专业论文）sf6替代气体的蒙特卡罗模拟与实验研究.pdf

卜海交通大学博 学位论文 报导的碰撞截面更准确、更完全的c c 4 f 8 的碰撞截面。再用本文建立的 混合气体电子崩发展的蒙特卡罗模拟方法计算在均匀电场下，c c 4 f 8 与 n 2 、c 0 2 和c f 4 混合气体的电子崩参数，并对这些参数进行了分析。本 文对以往研究者提出的判断混合气体中电子与哪种气体发生碰撞的方法 进行了改进，比传统的判断方法得到的临界击穿场强( e n ) l i m ，a 1 ( a - n ) n = o 时，( e n ) l i m 的值更接近实验数据。 本文通过模拟计算得到的三种c c 4 f 。混合气体的有效电离系数密度 t ：t ；( o t n ) m ，从而得到它们的临界击穿场强( e n ) l i m ，都大于相应的s f 6 混 合气体的( e n ) l i m 值；同时假设绝缘强度与压强成比例，三种c c 4 f 8 混合 气体所需的气体压强比率与s f 6 的绝缘特性进行了比较，得到在不同的 c c 4 f 8 的含量k 时，要达到与s f 6 相同的绝缘强度所需的c c 乒8 混合气体 的压强；三种c c 4 f 8 混合气体的温室效应与相应的s f 6 混合气体及单一 s f 6 进行了比较。从耐电强度和温室效应两方面考虑，这三种混合气体代 替s f 6 的优势排列是c c 4 f 8 n 2 c c 4 f 8 c 0 2 c c 4 f s c f 4 研究气体电子崩放电机理，可采用脉冲汤逊放电法，用单脉冲的高 能激光使阴极释放初始电子，在均匀电场的作用下，向阳极运动。由外 电路测到电子崩电流波形，可确定气体的碰撞过程和输运特性。本文设 计并制作了脉冲汤逊( p t ) 放电实验装置，对实验装置上所选用的一些材 料和阳极的构造都做了比较，已达到实验的要求。本实验所使用的 n d y a g 锁模皮秒激光器比以前所使用的氮分子激光器，在波长2 6 6n m 、 每个光子能量4 6 6e v 和脉冲宽度4 0p s 等参数上，都保证了实验的正 确性。 本文应用脉冲汤逊放电法测量n 2 、c 0 2 、c f 4 、c c 4 f 8 、n 2 0 和c h f 3 电子崩电流波形，根据气体本身的性质，分析了气体电子崩中可能发生 的扩散、电离、附着、去附着和转化过程；并得出有效电离系数与分子 数密度n 的比值，甚l j ( a n ) m ，和漂移速度圪。从耐电强度、温室效应和 电子崩发展的过程等方面综合考虑n 2 、c 0 2 、c f 4 、n 2 0 、c h f 。和c c 4 f 8 六种单一气体，都不适合单独作为s f 6 的替代气体。 关键词：脉冲汤逊放电法，电子崩，c c 4 f 8 混合气体，蒙特卡罗模拟， 耐电强度，温室效应 卜海交通大学博 = 学位论文 m o n t ec a r l os i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts t u d y o nt h ea l j e r n a t i v eg a s e s0 fs f 6 a b s t r a c t s f 6i sw i d e l yu s e di np o w e r e x c e l l e n ti n s u l a t i o na n da r c s y s t e ma n de l e c t r i c a le q u i p m e n ta sa n e x t i n g u i s h i n g m e d i u m 19 9 7 ，s f 6 ( g w p = 2 39 0 0 ) w a so n eo fs i xg r e e n h o u s eg a s e st h a tn e e d e dt or e d u c et h e u s ea m o u n t t h e r e f o r e ，i ti sa nu r g e n tc a s et or e d u c ea n dc o n t r o lt h e e m i s s i o n so fg r e e n h o u s eg a s w i t ht h ei n f l u e n c eo fn o n u n i f o r me l e c t r i c f i e l d ，c o n d u c t i n gp a r t i c l ea n dr o u g h n e s so ft h ee l e c t r o d es u r f a c e ，t h e d i e l e c t r i cs t r e n g t ho fs f 6d e c r e a s e s t h e r e f o r e ，i ti si m p e r a t i v et os e e kt h e s u b s t i t u t i o ng a so fs f 6 t h es h o r tt a s ko ns o l v i n gt h eg w po fs f 6i st o r e d u c et h eu s e da m o u n ti np o w e rs y s t e m ，s u c ha su s i n gs f 6g a sm i x t u r e s t h el o n gt a s ki st os e a r c hn e wa l t e r n a t i v eg a s e st os f 6 ，b u ti ti sal o n gt a s k i n19 9 7t h en a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n dt e c h n o l o g y ( n i s t ) h a dl e dt h ec - c 4 f 8m i x t u r e sa st h em o s tp o s s i b l ea l t e r n a t i v et op u r es f 6 f r o mt h e8 0 so f2 0 t hc e n t u r yt h ef o r e i g nr e s e a r c h e r sr e s e a r c h e dt h ed i r e c t c u r r e n ta n dp u l s eb r e a k d o w nc h a r a c t e r i s t i c ，a f t e r w a r dr e s e a r c h e sw e r ef e w r e c e n ty e a r st h ec - c a f d n 2g a sm i x t u r ew a sd o n em o r es t u d i e so nt h e d i s c h a r g ep a r a m e t e r so fe l e c t r o ns w a l q t i i n2 0 01t h ea l t e r n a t i n gc u r r e n t i n s u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc - c 4 f 8i ns h o r tg a pd i s t a n c ew a ss t u d i e db y k y o t ou n i v e r s i t y t h i sp a p e ru s e st h em o n t ec a r l os i m u l a t i o nm e t h o dt od e s c r i b et h e r e l a t i o no fa l lk i n d so fc o l l i s i o nc r o s ss e c t i o n sa n de l e c t r o ne n e r g y d i s t r i b u t i o n ，n a m e l yu s i n g a m i c r o s c o p i c m o d e lt oc a l c u l a t et h e d e v e l o p m e n tp r o c e s s o fe l e c t r o ns w a r m i t sc o r r e c t i o no fc a l c u l a t i n g r e s u l t si sn e a r l yc o r r e l a t i v et ot h ec h o i c eo fc o l l i s i o nc r o s ss e c t i o n sa n di t s c o r r e c t i o n a n dt h o s ec o l l i s i o nc r o s ss e c t i o n sm a yb ed e t e r m i n e db yf i t t i n g 第1 i i 页 卜海交通大学博卜学位论文 t h es i m u l a t i o nr e s u l t sf r o me x p e r i m e n td a t a a tf i r s t ，w ec a l c u l a t et h e e f f e c t i v ei o n i z a t i o nc o e f f i c i e n t s ( a - n ) na n dd r i f tv e l o c i t y 圪o fp u r eg a st o d e t e r m i n ec o l l i s i o nc r o s ss e c t i o n si nt h i sp 印e r ，a n dt h ec a l c u l a t e dr e s u l t s a r ea g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n td a t a i ti sc o n f i r m e dt h ec h o s e nc r o s s s e c t i o n si sv a l i d t h ed a t ao fc c 4 f 8c o l l i s i o nc r o s ss e c t i o ni ss c a r c e ；s u c ha sn o d e t e r m i n a t i o no ft h em o m e n t u mt r a n s f e rc r o s ss e c t i o n t h ed a t af r o m d i f f e r e n tr e s e a r c h e r si sw i d e l yd i s c r e p a n t 。a n dv i b r a t i o n a la n de l e c t r o n i c e x c i t a t i o nc r o s ss e c t i o n sa l ea l s on e e d e d t h i sp a p e ru s e st h em o n t ec a r l o s i m u l a t i o nm e t h o dt od e t e r m i n eas e to fm o r ee x a c ta n dc o m p l e t ec o l l i s i o n c r o s ss e c t i o n sf o rc - c 4 f 8b yf i t t i n gt h eu a n s p o r tc o e f f i c i e n t sc a l c u l a t e d f r o mm c sm e t h o dt ot h e e x p e r i m e n t a l d a t a t h ee l e c t r o ns w a r m p a r a m e t e r so fc c 4 f s ，c - c a f s n 2 ，c - c 4 f 8 c 0 2a n dc - c 4 f s c f 4a r ec a l c u l a t e d b yt h em o d e lo fs w a r md e v e l o p m e n tf o rg a sm i x t u r ei nt h i sp a p e r ，w h i c h a le a g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n td a t a t h i sp a p e ri m p r o v e dp r e v i o u s r e s e a r c h e r sp r o p o s e dt h em e t h o do fj u d g i n gw h i c hk i n do fg a s e se l e c t r o n w i l lc o l l i d ew i t h t h em o r ee x a c tt h el i m i t i n gf i e l d ( e f l n ) l i m ，( 0 【一q ) n = o ，t h e v a l u eo f ( e n ) l i mi sm o r ea g r e e a b l et h ee x p e r i m e n td a t a t h i sp a p e rh a so b t a i n e dt h e ( e f n ) l i m ，a c c o r d i n gt ot h ec u r v eo f c c 4 f 8 瓜2 ，c c 4 f 8 c 0 2a n dc - c 4 f 8 c f 4b ym c sm e t h o d ，w h i c ha l l a r e h i g h e rt h a nt h o s eo fs f 6 i ti sp r e s u m e dt h a tt h ei n s u l a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s a r ep r o p o r t i o n a lt og a sp r e s s u r e ，t h er e q u i r e dg a sp r e s s u r er a t i o so ft h r e e c - c 4 f 8g a sm i x t u r e sc o m p a r a b l ew i t ht h ei n s u l a t i o np r o p e r t yo fs f 6a n d g w pa tt h i sg a sp r e s s u r eh a v ea l s ob e e ni n v e s t i g a t e d c o n s i d e r e df r o m i n s u l a t o ns t r e n g t ha n dg w p ，t h r e em i x t u r eg a s e sm a yd i s p l a c es f 6 ，w h o s e o r d e ro fs u p e r i o r i t yi sc - c 4 f 8 y 2 c c 4 f 8 c 0 2 c c 4 f 8 c f 4 t h i sp a p e ru s e dt h ep u l s et o w n s e n d ( p t ) d i s c h a r g em e t h o dt o r e s e a r c ht h em e c h a n i s mo fs w a r m p tm e t h o du s e st h es i n g l ep u l s eo fh i g h e n e r g yl a s e rt or e l e a s et h ei n i t i a le l e c t r o nf r o mt h ec a t h o d e a c c o r d i n gt o t h em e a s u r e dc u r v eo fe l e c t r o nc u r r e n t ，t h ep r o c e s so fc o l l i s i o na n d t r a n s p o r ti sd e t e r m i n e d t h ec h o i c eo fe x p e r i m e n ts e t u pm a t e r i a la n dt h e 第1 v 页 f ：海交通，：博f 学f 囊论乏 c o n s t r u c t i o no fa n o d ei nt h i sp a p e rw e r ec a r r i e do nt h ec o m p a r i s o n ，w h i c h a c h i e v e dt h er e q u i r e m e n to fe x p e r i m e n t i nt h ep r e s e n te x p e r i m e n t ，t h e p u l s ew i d t h ( 4 0p s ) ，w a v el e n g t h ( 2 6 6a m ) a n de n e r g yo fp e rp h o t o n ( 4 6 6 e v ) o ft h ep i c o s e c o n dm o d e 1 0 c k e dn d 翻gl a s e rg u a r a n t e e dt h e c o r r e c t n e s so ft h e e x p e r i m e n t ，w h i c hi s t h ep r o g r e s si nt h ee x p e r i m e n t i n s t r u m e n t t h i sp a p e ru s e dt h ep u l s et o w n s e n dd i s c h a r g em e t h o da n dm e a s u r e d t h es w a r mc u r r e n tw a v e f o r mo f1 , 2 ，c 0 2 ，c f 4 ，c c 4 f 8 ，n 2 0a n dc h f 3 ， a c c o r d i n gt ot h en a t u r eo fg a s e s ，w ea n a l y z e dt h ep o s s i b l ep r o c e s s e si nt h e s w a r m ，i n c l u d i n gd i f f u s i o n ，i o n i z a t i o n ，a t t a c h m e n t ，d e t a c h m e n ta n d c o n v e r s i o n ，a n dw eo b t a i n e dt h ed e n s i t y n o r m a l i z e de f f e c t i v ei o n i z a t i o n c o e f f i c i e n t ( a t 1 ) n a n dd r i f t v e l o c i t yv e c o n s i d e r e df r o mi n s u l a t o n s t r e n g t h ，g w pa n dt h ed e v e l o p m e n to fs w a r m ，n 2 ，c 0 2 ，c f 4 ，n 2 0 ，c h f 3 a n dc c 4 f 8w e r en o ts u i t a b l et od i s p l a c es f 6i n s u l a t i o ng a s k e y w o r d s ：p u l s e dt o w n s e n dd i s c h a r g e ，e l e c t r o ns w a r m ，c c 4 f 8g a s m i x t u r e s ，m o n t ec a r l os i m u l a t i o n ，i n s u l a t o ns t r e n g t h ，g l o b a l w a r m i n gp o t e n t i a l 第v 页 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位敝储签名：刻留纠 日期：弘、以年i1 月日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密咣 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：列争硐 指导教师签 日期：俐年1 月2 1 日日期：6 q 年f ( y w t , , e t l j 海交通大学博十学位论文 暑曼尝寰曼曼鼍曼曼曼曼曼鼍曼曼皇皇曼曼曼皇曼曼曼曼曼量曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇1 1i 曼曼曼 1 1s f 6 绝缘气体的优缺点 第一章绪论 电力系统和电气设备中常用气体作为绝缘介质n 1 。六氟化硫( s f 6 ) 气体具有 优良的理化特性、高耐电强度和绝缘灭弧性能。s f 6 分子结构是对称的八面体，它 是一种无色、无味、无嗅、无毒不燃的惰性气体，化学性能非常稳定，不易与其 它物质反应。已广泛用于全封闭组合电器( g i s ) 、s f 6 气体绝缘输电管道、s f 6 电 力变压器、直流输电换向阀、断路器和全封闭的s f 6 绝缘变电站等。从用气量讲， 8 0 用于高中压电力设备。s f 6 气体之所以适用于电力设备，因它主要有如下特性： ( 1 ) 强电负性，其分子具有很强的吸附自由电子而形成负离子的能力乜】。( 2 ) 具 有优异的灭弧性能。在交流电弧电流过零时，s f 6 气体从导体向绝缘体的转化速度 非常快，即弧隙的介质强度恢复得很快。s f 6 气体在( 1 0 0 0k ) 下发生分解需要 能量大，因而对弧道产生强烈的冷却作用，s f 6 及其分解气体均具有很高的绝缘强 度。s f 6 气体的灭弧能力为空气的1 0 0 倍心1 ；( 3 ) 绝缘强度高，在大气压下为空气的 2 5 倍；( 4 ) 热传导性能好且易复合，特别是当s f 6 气体由于放电或电弧作用出现 离解时；( 5 ) 通常无液化问题。( 6 ) s f 6 的最大优点是不含碳，因此不会分解出影 响绝缘性能的碳粒子；且大部分气态分解物的绝缘性能与s f 6 相当，所以不会使气 体绝缘性能下降口1 。( 7 ) s f 6 可在小的气罐内储存，这是因为室温下加高压力易液 化。( 8 ) 供气方便，价格便宜且稳定。 通过几十年的实践证明，没有任何一种气体绝缘介质可与之相比，但s f 6 是一 种很强的温室气体。s f 6 气体的温室效应为c 0 2 气体的2 3 9 0 0 倍，排放到大气后能存 在3 2 0 0 年口3 。温室效应是当今全球关注的焦点问题，早在1 9 9 7 年，在防止全球气 候变暖的京都议定书中，s f 6 等6 种气体被列为全球管制的温室气体之一，引 起某些电力部门对替换s f 6 的极大关注h 1 。另外，s f 6 的耐电强度受非均匀电场、导 电微粒和电极表面粗糙度的影响而急剧下降，s f 6 的液化温度较一般普通气体高， 不适用于严寒地区。s f 6 气体被列为温室效应气体这一事实，在s f 6 气体制造厂、 s f 6 电器设备制造厂和用户中引起极大反响。为此s f 6 电器设备制造厂要在产品设 第l 页 卜海交通夫学博卜学位论文 计中减少s f 6 气体的使用量，并减少泄漏量以至排气量，在s f 6 气体电器设备用到 寿命时不得排放到大气中，要对寿命终了的电器设备中的s f 6 气体进行回收，经过 处理，再提供使用。这三方面的配合，形成一个良性循环，就能有效地减少s f 6 气体向大气的排放量。国内外研究的比较多的是s f 6 n 2 、s f 6 c 0 2 和s f 6 c f 4 混合气 体，在高寒地区，要对断路器部分采取加热措施，或采用s f 以4 2 i s 署i j s f 6 c f 4 阻列混 合气体作为断路器灭弧介质以降低液化温度。文献 7 指出5 0 s f 6 和5 0 c f 4 的混 合气体在电力设备中最有实际应用价值。但这些都不是根本解决办法。 由于s f 6 在中高压电力设备中仍被大量使用，因此寻找新的可替代s f 6 的单一 气体或气体混合物势在必行。长期以来，人们为寻找s f 6 气体的替代气体，进行了 大量的研究，但未获得成功。因此，短期解决s f 6 温室效应的办法是降低s f 6 在电 力系统中的使用量，如：使用s f 6 混合气体；长期解决的办法是寻找温室效应低甚 至为零的可替代s f 6 的气体，但这是一项长期的任务。 1 2c c 4 f 8 气体的性质 根据一些研究显示，很难找到一种具有较高的绝缘强度和对环境影响较小的 单一气体来代替s f 6 。现在一般都在研究用混合气体代替s f 6 ，作为气体混合物之 一，必须是电负性气体或卤化气体以实现高的绝缘强度陋1 。其选择的基本条件是 毒性、沸点、零o d p ( 臭氧耗损潜值) 、低g w p ( 全球变暖潜值) 和高绝缘强度等。 气体的绝缘强度主要取决于在较大的能量范围内附着自由电子的能力，s f 6 能够有 效地附着电子的能量范围约小于0 4e v ，而一些全氟化碳气体( 如：c c 4 f 8 和 2 - c 4 f 6 ) 的能量范围约1e v 大于s f 6 的能量范围旧1 。八氟环丁烷( c c 4 f 8 ) 气体分 子是非平面结构n0 | 。c - c 4 f 8 一些不寻常的性质引起了人们的注意。无毒，零o d p ， 低g w p ( 为c 0 2 气体的8 7 0 0 倍) 仅是s f 6 的3 6 4 n0 1 ，高的绝缘强度，对电极 表面粗糙度敏感性低盯1 ，与1 c 3 f 6 m l 或s f 6 1 2 气体混合呈j 下协同效应。c c 4 f 8 的分 子量约是空气的6 9 倍，因此c c 4 f 8 离子迁移率比空气中的氧、氮离子的迁移率 更小，更容易发生复合使气体中带电质点减少。在温度高于6 3 3k ，c c 4 f 8 气体 才会分解，主要通过单分子分解反应c c 4 最专2 c 2 只n 引。电子与c c 4 f 8 气体分子 及其分解物发生碰撞时的反应式如表卜1 所示u 引。 c c 4 f 8 的第一个缺点是价格高，如果大量应用到电力系统中，价格就会下降； 第二个缺点是由于分子中含有碳，可能分解产生导电微粒，这将导致击穿电压降 第2 页 ：海交通大学博_ 学位论文 低媚1 ；第三个缺点是液化温度高一6 ( 一8 ) 。如果e - c 4 f 8 仅用在开关设备中，没 有开断电弧电流功能，则c c 4 f 8 不会分解，不会降低其绝缘能力随3 。如果和液化 温度低的普通气体，如：大量n 2 、c 0 2 和空气，组成混合气体，可以使液化温度 和成本降低。n 2 是一种较好的缓冲气体，能够有效地使电子的能量降低到强电负 性气体的附着能量范围，从而使混合气体的绝缘强度不会比单一强电负性气体低 很多n 引。所以混合气体比单一气体有着优异的特性，有很好的工业应用前景。 表1 1 电子- 与c - c f 。气体分子及其分解物发生碰撞时的反应式 t a b l e l 1e l e c t r o ni m p a c tr e a c t i o n sw i t hc c d f sa n di t sd i s s o c i a t i o np r o d u c t s p + c 4 最专q 瓦( 1 ，) + pe + c f 3 斗p + p + c e + + 五 p + c 4 曩j 2 c 2 f 4 + ep + c e 专f 一+ c e p + g 磊寸c 2 五+ + 口 e + c f 2j e + c f + f p + c 4 最jc 3 e + + pe + c f 2j c f i 七e 七e p + c 4 最专讧+ + pe + c f 2 一e + e + c f 一+ f p + c 4 最一c e + + e + ee - i - 呸- - yf 一- 1 - c f e + c f p + c + f p + c 4 磊专c 2 只一 e + q 最专f e + c f 崎c f + - i - e + e e - i - c 2 寸e - i - c e + 哑 ， e - i - c f - - 9 f 一+ c p + c 2 e 专g + + p + e e f 啼f 4 - i - e - i - e p + c 2 只专c 2 e + + p + p + fe + f 2 e + f 七f e + c 2 只一c f + + e + p + c e e + f 、 f 一七f e - i - c f 3je - i - c f 2 + fe + 最专e + + e + p e + c f 3j c f ：+ e + ep + c 专c + + e 4 - e e 七c f 、je 七e 七c f ：七f 第3 页 卜海交通大学博卜学位论文 c - c 4 f s 和s f 6 的物理特性的比较如表卜2 所示。 表1 2c - c f 。和s f 6 的物理特睦的比较 物理量的名称 c - c 4 f 8s f 6 分子量2 0 0 0 3 l1 4 6 0 7 临界压力( m p a ) 2 7 8 63 7 7 沸点( 0 1m p a )一6 ( 8 )6 3 8 相对s f 6 击穿强度o 9 8 、1 2 5 、1 1 1 1 81 温室效应( g w p )8 7 0 02 3 9 0 0 游离温度2 0 0 0 声速c ( m s ) ( 2 0 c ) 1 3 4 临界温度1 1 54 5 6 比热( 2 5 )7 0g c a l m l 导热系数( 3 0 c 。0 1 m p a )0 0 1 4w m k 绝热指数 1 0 7 粘度( 3 0 。c ，o 1m p a )1 5 7 l f f 5p a s 臭氧耗损潜值( o d p ) 0o 在空气中燃烧极限不燃烧不燃烧 毒性无毒无毒 气体介质一般分为强电负性气体( a 和t 1 的值比较大，如s f 6 、c c l 2 f 2 和c c 4 f 8 等) 、弱电负性气体( 驴，如c 0 2 等) 和中性( 1 1 = o ，如n 2 ) 三种类型n 5 1 。文 献 1 6 指出两种气体混合后，临界击穿场强( e n ) l i m 的变化可归纳为线性关系、协 同效应、正协同效应和负协同效应4 种类型：( 1 ) 线性关系，将一种电负性气体 和另外一种电负性( 或非电负性) 气体混合后，混合气体的i 临界击穿场强是两种组 成气体分压力加权的临界击穿场强之和，是一种线性关系。大多数含有最常用的 n 2 的混合气体都具有这种效应n6 l ；( 2 ) 协同效应，将一种强电负性气体与另一种 弱电负性( 或非电负性) 气体混合时，其临界击穿场强比按照两种成分压力加权 的临界击穿场强之和求得临界击穿场强要高，不再是线性关系，如s f 6 n 2 n 引、 c 2 f 6 n 2 州和s f 6 c f 4 n7 1 ；( 3 ) 正协同效应，混合气体的临界击穿场强，在一定的 气体比例范围内，比任何一气体的都高1 8 1 ，c c 4 f 3 与1 - c 3 f 6 3 或s f 6 1 ， n 2 0 3 0 c 0 2 7 0 和n 2 0 3 0 c 0 2 5 0 0 2 2 0 混合气体n 引；( 4 ) 负协同效应，与正协同 效应相反，如c b r c i f 2 s f 6 混合气体n 引。混合气体相对耐电强度与混合比尼的关系 如图卜1 所示n 5 1 ，混合比k 是指耐电强度较高的气体在混合气体中所占的分压力 之比。 第4 页 e 海交通大学博 学位论文 ! 弋、： 0 00 20 40 60 81 0 g a sm i 】c m r er a t i o s 七 图1 1 混合气体相对耐电强度与混合比鳓关系： l 正协同效应；2 协同效应；3 线性关系；4 负协同效应 f i g 1 - 1t h er e l a t i o n s h i po f r e l a t i v ed i e l e c t r i cs t r e n g t hi ng a sm i x t u r e ： 1p o s i t i v es y n e r g i s m ；2s y n e r g i s m ；3l i n e a rr e l a t i o n s h i p ；4n e g a t i v es y n e r g i s m 了解混合气体的临界击穿场强的变化不论在理论上还是在实践中都具有重要 的意义，对寻找具有高临界击穿场强而又价格低廉的能用于电力设备绝缘的混合 气体可能具有指导作用“引。尤其在寻找s f 6 的替代气体上具有重要的作用。 早在2 0 世纪8 0 年代，国外就开始研究c c 4 f 8 及其混合气体的直流、脉冲击 穿特性阻肛2 1 l 。而近年来研究c - c 4 f 8 及n 2 混合气体的电子崩放电参数的文献较多心2 呀1 ，但是c c 4 f 8 和c 0 2 、c f 4 混合气体的电子崩放电参数还未见报导。本文将通 过脉冲汤逊放电实验研究n 2 、c 0 2 、c f 4 、c c 4 f 8 、n 2 0 和c h f 3 的电子崩放电特 性；用蒙特卡罗模拟方法计算得到n 2 、c 0 2 、c f 4 、s f 6 、c c 4 f 8 及c c 4 f 8 与n 2 、 c 0 2 和c f 4 混合气体的放电参数，为寻找s f 6 的替代气体提供可靠依据。 1 3 研究绝缘气体电子崩发展的方法 通常用两种研究方法了解和预测气体的绝缘性能：( 1 ) 直接击穿实验；( 2 ) 电子崩阶段的放电机理的研究( 研究预击穿过程) 。直接击穿一般是在均匀电场或 不均匀电场、不同压强、不同的电压波形( a c 、d c 和脉冲) 或不同电极间距的 条件下，直接求得绝缘气体的击穿强度。这种方法能够提供在一定条件下的绝缘 气体的击穿强度，却无法了解绝缘气体的放电机理，而不能了解如何抑制和控制 击穿1 。 第5 页 巷c2苗口葛8131p q焉一口醋 卜海交通大学博卜学位论文 作为对直接击穿的补充，研究电子崩放电阶段，能够说明在气体放电中不同 过程的重要性。对电子崩的研究能够了解不同的放电参数对电子崩发展所起的作 用，以及如何预测和控制绝缘气体的击穿。电子崩的研究能够应用在其它领域， 如：气体激光器、气体开关和等离子刻蚀等】。因此，开展对气体电子崩放电的 研究，不仅可求出气体的耐电强度，还可以了解气体的基本放电过程和机理，为 实际应用时正确选择气体提供依据。研究气体的电子崩发展过程和机理的方法分 为实验方法和理论计算方法。 1 3 1 实验方法 研究气体电子崩发展过程有两种实验方法：测量间隙电流和光通量。每种方 法中又包括两种不同的方法：稳态法和暂态法。 稳态汤逊法( s s t ) ：此方法是测量平板电极间的由连续的初始电子发射所形 成的稳态电流。初始电子是由一定强度的紫外光照射阴极而释放出来，由于碰撞 电离和附着过程的存在，使得极间距离不同时，回路中形成的稳态电流值也不同。 这样便得到了极间电流和极间距离的相关关系，通过相应的公式计算拟合，可求 得碰撞电离系数和附着系数。因为s s t 法描述的电子崩放电参数模型是简单的， 仅仅包含电离和附着过程，不能深入地了解气体放电的发展过程，故这个方法仅 能提供电子与气体分子相互作用的最终结果，电子崩的输运过程无法描述n5 1 。 脉冲汤逊法( p t ) ：是对气体放电中电子和离子动态过程的研究。它是使用脉 冲激光器或y 射线照射在已加电压的阴极上，使阴极在极短时间内( n s ) ，释放出 大量的初始电子，这些脉冲的初始电子在电场的作用下，向阳极运动。由于碰撞 电离、附着过程和扩散过程的作用，在电极间形成电子崩，便可在外回路上测得 电子崩电流波形。通过合适的数学模型便可由电子崩电流波形求出气体的电子崩 参数。p t 法能更直接地对电子崩的发展过程进行研究，对于电子和离子的产生和 消失，以及它们的漂移和扩散的分析，对于校验气体的电子能量分布和研究流注 击穿的临界点是很有帮助的。尤其对于电子运动过程的分析、电子漂移速度的确 定，p t 法更具优越性，这是s s t 法不能比拟的n 针。 光通量法包括：稳态光子通量法( s s p f ) 和飞行时间法( t o f ) 3 。 稳态光子通量法( s s p f ) ：基于观察由高能电子激发气体分子衰变发出的光。 初始电子连续的从阴极释放，作为稳态电流的测量。在穿过平行板气隙中的不同 位置时，观测光子通量】。 第6 页 卜海交通大学博仁学位论文 飞行时间法( t o f ) ：在穿过平行板气隙中的不同位置时，检测气体中由激发 分子辐射的光。在极短的时间间隔( 跟脉冲汤逊法相似) ，从阴极释放初始电子。 电子崩是距离和时间的函数。从以上信息可以得到电子崩参数，但是由于光子分 布转化成电子分布的不确定性，使得分析过程很复杂的。对于单一照射实验检测 灵敏性要比稳态测量重要的多1 。 在上述的方法中，用最多的是脉冲汤逊法来测量气体放电电子崩参数，本文 用脉冲汤逊法来测量气体放电电子崩电流波形和得出放电参数。 1 3 2 理论计算方法 理论方法计算电子崩发展过程，主要是描述气体放电中的各种碰撞截面与电 子能量分布的关系。可采用玻尔兹曼解析法和蒙特卡罗模拟方法。 玻尔兹曼解析法( b e a ) n 引：是在已知各种碰撞截面的条件下，用玻尔兹曼 方程求解微观放电参数。它是在由实验求得的各种碰撞截面等数据的基础上，通 过求解玻尔兹曼方程，用一系列弹性碰撞和非弹性碰撞来描述气体中的电子崩发 展过程，最终导出电子能量、电离系数、附着系数和漂移速度等参数，将求得的 这些参数和实验数据比较，若两值相差较远，则修改各截面，直到理论值与实验 数据相符为止。 蒙特卡罗模拟方法( m c s ) ：虽然气体放电可以用微积分的玻尔兹曼方程描述， 但求解很困难，故运算只能在简化方程的基础上进行。而m c s 方法可以直接模拟 电子输运过程。在已知各种碰撞截面的前提下，由计算机产生一些随机数模拟电 子崩的发展过程，即电子和离子在气体中的运动过程，具有直观、简便和使用范 围广等优点。 以上两种方法都是在已知各种碰撞截面的前提下，求解电子能量和其它放电 参数。同时还可以对碰撞截面进行校j 下，可获得较准确的碰撞截面。 1 4 本文的研究内容 1 对脉冲汤逊放电实验装置进行设计和制作，对实验装置上的一些材料进行选 择，使真空度达到实验的要求；对阳极的构造做比较选择，使实验难度降低。 2 自行设计制作大气压下氮分子激光器和流动式陶瓷储能氮分子激光器，判断 其在脉冲汤逊放电实验中的可行性。 第7 页 卜海交通大学博。 ：学位论文 3 应用脉冲汤逊放电法测量n 2 、c 0 2 、c f 4 、c , - c 4 f 8 、n 2 0 和c h f 3 电子崩电流 波形，根据气体本身的性质，分析气体电子崩中可能发生的电离、附着、扩 散、去附着和转化过程，并得出有效电离系数( a t 1 ) 与分子数密度n 的比值， 即( a q ) n ，和漂移速度圪分析上述六种单一气体能否作为绝缘气体替代 s f 6 气体。 4 用蒙特卡罗模拟方法得出的电子崩参数与实验结果比较的方法，首先计算单 一气体的效电离系数密度l t ( a t 1 ) n 和漂移速度圪与实验数据比较，以确定 每种气体碰撞截面的准确性。 5 对单一气体电子崩发展进行蒙特卡罗模拟计算，在此基础上进行混合气体电 子崩发展的蒙特卡罗模拟计算，对混合气体的蒙特卡罗模拟方法的改进和程 序的编写。 6 重点对c c 4 f 8 的碰撞截面进行分析对比，用电子崩参数与实验结果比较的方 法，来确定一组比已报导的截面更准确、更完全的c c 4 f 8 的碰撞截面。 7 应用蒙特卡罗模拟方法得到n 2 、c 0 2 、c f 4 、s f 6 、c c 4 f 8 及c c 4 f a 与n 2 、c 0 2 和c f 4 混合气体的电子崩放电参数，对这些参数进行分析。从气体的耐电强 度、绝缘强度与压强成比例关系和温室效应等方面对c c 4 f 8 和n 2 、c 0 2 和 c f 4 混合气体进行了研究，为c - c 4 f 8 混合气体能否作为绝缘气体替代s f 。提供 参考依据。 第8 页 上海交通大学博十学位论文