2025年新型环保绝缘气体微观放电参数研究与应用报告

新型环保绝缘气体微观放电参数研究与应用张博雅教授西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室2025年5月24日公众号·南方电网技术汇报提纲1/38 五、应用公众号·南方电网技术一、研究背景及现状·温室效应强：SF₆温室效应潜值(GWP)是CO₂的23500倍，大气寿命为3200年·增长速率快：SF₆年排放等效CO₂2亿吨，大气层年增长率8.7%《京都议定书》《巴黎协定》我国碳中和《联合国气候变化框架公约》《联合国气候变化框架公约》《含氟气体法规》《含氟气体法规》√年新增使用量达10000吨，电力设备占80%√2030年排放量缩减到2014年的2/3重大需求牵引寻求环境友好的新型绝缘气体，研发新代高压开关设备一、研究背景及现状3/38●2016年由3M公司研发的C₄F₇N等新型环保气体绝缘性能优异，是目前最具应用潜力的SF₆替代气体最具潜力!相对绝缘强度相对绝缘强度GWP小于SF₆的10%000空气空气000一、研究背景及现状4/38挑战性二：亟待突破环保气体大容量电弧开断技术喷口器壁60年代80年代喷口器壁双压式单压式自能膨胀式GE公司145GE公司145kVGIS:多尺度、强耦合、强非线性不断探索ABB公司170ABB公司170kVGIS:尽快实现环保气体尽快实现环保气体传统设计方法亟需原理突破机制复杂：电磁、流体、化学、机械一、研究背景及现状5/38高通量计算高通量计算高通量实验物理物理理论oo电子群参数数据集电子群参数数据集南方电网技术一、研究背景及现状热动属性I↑输运特性高温、高压、高能流密度瞬态、封闭、复杂物理演化大容量烧蚀、多组分扩散语化法能量交换电弧等离子体电弧等离子体热导率微观微观碰撞迁移宏观热动属性技术宏观输运系数技术一、研究背景二、电子群参数四、电弧物性参数五、应用公众号·南方电网技术二、电子群参数8138考虑离子动力学考虑离子动力学√有效电离速率Iion~nAIion~nAIpII00二、电子群参数二、电子群参数十R₂tR₂边界条件：t=0,x=0的初始电子由激光照射阴极产生，电子密度服从与激光能量类似的高斯分布EE阴极UVPT实验原理图网技术二、电子群参数有效电离速率系数电子纵向扩散系数N(t)=N(0)exp(k电离速率系数附着速率系数k=V7NHe=d/tEVe=μED₁=tpV²12Nt)术术二、电子群参数11/384200m声m口00电子纵向扩散系数ND有效电离速率系数keff电子漂移速度We有效电离速率系数keff电子漂移速度We二、电子群参数12/38266量m山o品皇4事6量m山o品皇4事目占DD□□□四二、电子群参数13/38·PT电流测量不能再将电子电流与离子电流解耦考虑，而应建立更完善的电流模型tt500Pa00——————thustjus二、电子群参数14/38粒子漂移粒子间转化电子扩散名公质等?粒子漂移粒子间转化电子扩散名公质等?南方电网技术电离吸附离子转化·采用遗传算法，以计算电流波形与测量电流波形的差值(即适应度)最小为优化目标，搜索未知电子群参数；产生初始种群适应度是否达到期望值或是否达到迭代上限?否选择变异是输出最优解结束1#计算节点电流测量波形传入2#计算节点2#电流波形2#目标函数适应度n#计算节点n#电流波形n#目标函数中华人民共和国国家版权局中华人民共和国国家版权局自8影平的电/科计分作发人：画空盖大学开发免成日易：222+月158首次日期：*发族根遮《算机软外保Pa0计算机教作者介收量记力肪》的N.17842年7第a南方电网技术二、电子群参数16/38A电流A5A电流A55L0两种长寿命阴离子M₁,M₂不稳定负离子两种长寿命阴离子M₁,M₂M+M+eC₄F₇N离子动力学反应模型eC₄F₇N离子动力学反应模型南方电网技术二、电子群参数17/388拟合结果拟合结果2△电离速率系数M₁-的电子脱吸附速率系数口□m0M₃-的吸附速率系数M₃-的电子脱吸附速率系数54□◎4□Cn8口容口容3110M₂-的吸附速率系数M₂-的吸附速率系数速率系数与压力强相关，前者随压力增大而减小，后者随压力增加而增加在较高压力下M₃-粒子数密度非常小二、电子群参数18/38■典型结果：C₄F₇N的绝缘强度评估■考虑C₄F₇N离子动力学反应的临界击穿场强0▲白■汇报提纲一、研究背景二、电子群参数四、电弧物性参数三、电子-分子碰撞截面20/38■气体的电子-分子碰撞截面是气体放电模拟的核心必备数据，新型环保气体的碰撞Electroncattering理论电离截面吸附截面粒子束实验技术载气+微量电离截面吸附截面(计数)吸附截面(计数-束流南方不自治技术三、电子-分子碰撞截面21/38□以物理自洽为目标人工调整碰撞截面集通常收集的初始截面数据不能再现实测电子群参数，但电子群参数可用来验证截面的自洽性。迭代修正碰撞截面数据，直至计算出的电子群参数与实测值一致否公众号南方电网技术三、电子-分子碰撞截面22/38Figure5.Thefinalsetofcross-sectionsforcrosS-section,Q—ionizationcrosS-section,Qal—attexcitationcrosS-section1,Qvi2—vibr国际上首次公开C₄F₇N气体电子-分子碰撞截面集B.Zhang*,etal.J.Phys.D:Appl.Phys.,202356134001.碰撞截面与电子群参数的物理自洽性检验三、电子-分子碰撞截面23/38■机器学习修正方法EkeffXNDiFC输出口神经网络提供了一种通过电子群参数获取碰撞截面的方法，摆脱了繁琐的人工调整过程。公众号南方电网技术三、电子-分子碰撞截面24/38■机器学习修正方法2.搭建神经网络模型输入输入61.2.计算相应的输入训练数据(电子群参数)碰撞截面电子群参数拟合程度C₄F₇N碰撞截面程度C₄F₇N气体及其混合物的B.Zhang,etal.J.Phys.D:Appl.Phys.,202457375206.三、电子-分子碰撞截面1.2.通过人工修正截面集计算得到的电子群参数3.一神经网络碰撞荷面提高了截面的获取效率电子群参数与电子-分子碰撞截面数据库26/381townoucrsanosorncxKOunecnaunosDsmDfeatu8ce157jineDfeatu8ce157jine树TeeortePassaboayePesLICntpowonceicecnp85888coleagdondoriabgedoaeonscanengcessCosmmpaaneesjnoingasoofceteexcionrs,ydstrco然convnjanaendceynecanbG反WEIEGwioWAoACEIDCLE面城W pcBMo2003.cteoubse:5M201.XJTUAETLab(Xi'anJiaotongUniversity,AdvancPropertiesofGasDischargesandPlasmaSince2007,theseekoctronmobiity,diusioncoenicient,etc)dliesectrcbreakdownstrength,chemicatrofstate(EOS),andotherdatarequiredDownloads225tknesfom2023-03-i).的01(0LadAlryshsp-10audra27ap22p-100audtra174pe22汇报提纲27/38一、研究背景二、电子群参数四、电弧物性参数■多元环保混合气体电弧等离子体物性参数(/)组分迭代初值评估控制方程德拜仁修正基本粒子热力学!化学数据库系统吉布斯自由能最小化组分迭代初值评估控制方程德拜仁修正基本粒子热力学!化学数据库系统吉布斯自由能最小化非线性方程组牛顿迭代登计算收敛?口物性参数描述着电弧等离子体的基本热力学性质与输运特性，表征微观粒子集体行为的外在表现，是建立电弧MHD模型的必备输入参数，也是C₄F₇N与SF₆模拟的最大区别。温度范围气压范围非平衡度气体混合比878766碰撞积分数据库4统计热力学参数计算碰撞积分数据库410Tempersue(K)500010000Tere(K)2000010Tempersue(K)500010000Tere(K)20000口电弧边缘与弧后电流零区温度较低，粒子间相互碰撞作用较弱，电子与重粒子间能量交换不足，等离子体偏离LTE假设。口分别考虑电弧等离子体中的电子温度与重物质粒子温度，需要研究非热力学平衡状态下的双温等离子体物性参数。大容量极端燃弧大容量极端燃弧非平衡零区衰减约束条件多级展开「双温粒子相互作用碰撞参数电子激发非平衡度可达0-6-8组分演化弧芯准平衡区对流气吹双溺然力学方程触头子体组分非平衡态等离子体不满足吉布斯自由能最小要求，通过质量作用定律联合求解：南方电网技术南方电网技术道尔顿分压定律：Psotau三P₁+P₂±…±Pn_■双温C₄F₇N电弧等离子体粒子组分SF.非平衡度0-4SF.c,₂c,₂SFscSNcSNccNF₃F₃CC000电平衡态C₄F₇N粒子组分非平衡C₄F₇N粒子组分非平衡SF。粒子组分四、电弧物性参数31/38口针对电流零区可能存在的强非平衡现象，计口针对电流零区可能存在的强非平衡现象，计算了非平衡度1~20条件下的等离子体物性参数口与SF₆相比，C₄F₇N电弧等离子体中分子解离反应所需能量更多，其比焓、比热等宏观热力学参数受非平衡条件影响也相应更大m非中衡5定山比热[kgK平份u2uw30103010方电网技术四、电弧物性参数32/38口口与SF₆相比，C₄F₇N电弧等离子体中以电子输运为主导的电导率、以及以重粒子输运为主导的粘滞系数，受非平衡条件的影响均更加显著平衡C₄FN电导率S/oa叶-s4 双温SF₆与CFN粘滞系数南方电网技术汇报提纲一、研究背景二、电子群参数汇报提纲一、研究背景二、电子群参数四、电弧物性参数五、应用NumericalSimulationoftheDischargeDynamicsofC₄F₇N-N2andtheInfluenceofBufferGasfengWang°,Lahowang,sheChen°,Qlui111ImImC₄F₇N-N₂混合物中的流注放电特性。H.Suzuki等人采用时间-体积理论对高