基于电子群参数的电气设备用环保绝缘气体的筛选方法及系统与流程

本发明涉及环保气体输变电装备，具体涉及一种基于电子群参数的电气设备用环保绝缘气体的筛选方法及系统。

背景技术：

1、六氟化硫（sf6）气体因具有优异的电气性能而在输变电设备中广泛应用，但sf6的温室效应是co2的24,300倍，在大气中存续寿命高达1,000年，被《京都议定书》等国际公约列为禁止排放和限制使用的温室气体。国内外研究表明，全氟异丁腈（c4f7n）、三氟甲基磺酰氟（cf3so2f）等环保气体及其与co2、n2等构成的混合气体绝缘强度高、温室效应低，已成为潜在的sf6替代气体。与sf6相比，c4f7n或cf3so2f等环保气体为近10年新开发的合成气体，绝缘强度等关键性能仍处于持续研究中，特别是目前国际上尚未明确电气设备用sf6替代的规范化环保气体，所以性能优异的新型环保绝缘气体及其混合气体仍在持续探索中。优选电气设备适用的新型环保绝缘气体或环保混合气体应首先得到最关键的基础绝缘性能，面临不同气体的绝缘强度评估与比选难题，及相关因素对气体绝缘性能的影响，有必要开发基于电子群参数的环保绝缘气体筛选方法及系统。

2、目前，环保绝缘气体的筛选方法主要包括以下两类：

3、（1）实验试错法

4、该方法通过在密闭腔体中放置不同间隙距离的平板电极，开展不同气压、混合比例及间隙距离条件下的工频放电试验，获取不同环保混合气体的绝缘强度数据。然而，该方法的实验测试工作量大，难以穷举所有参数组合；同时，实验结果易受试验次数、电极表面状态、气体充装工艺等因素影响，偏差较大。总体而言，该方法成本高昂、周期较长，每次验证均需复杂的物理实验支撑，效率极低。

5、（2）分子结构模拟法

6、该方法利用量子化学计算获取分子的极化率、电子亲和能等静态参数，并借助机器学习构建结构与绝缘性能之间的关系模型，从而实现气体性能的预测。然而，该方法侧重于分子静态属性的计算，难以动态模拟气体在电场作用下从放电起始到击穿全过程所涉及的物理机制，导致筛选结果往往与工程实际存在偏差。

7、气体绝缘性能的本质在于其对放电发展的抑制能力。根据汤森放电理论，气体间隙是否击穿取决于电子崩的发展过程，其中电离系数是描述电子电离能力的关键参数 。对于电负性气体，还存在吸附系数，两者共同决定了气体的有效电离系数。当有效电离系数大于0时，电子崩增长，间隙易击穿；当有效电离系数小于或等于0时，电离过程受抑制，气体保持绝缘状态。所以，有效电离系数归零时的约化场强，即为临界击穿场强 ，是衡量气体绝缘强度的直接物理量 。因此，如何通过测量气体的电离和吸附特性，直接从电子群行为层面筛选出高绝缘强度的环保气体，是目前本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供一种基于电子群参数的电气设备用环保绝缘气体的筛选方法，包括：

2、构建环保绝缘气体的候选数据库；

3、基于汤森放电理论，构建汤森放电实验系统；

4、基于汤森放电实验系统，针对候选数据库中的每一种绝缘气体，进行汤森放电实验；所述汤森放电实验在设定气压和间距条件下，改变施加的电场强度，获得不同约化场强下的电离系数和吸附系数，基于所述电离系数和吸附系数获得对应的绝缘气体的有效电离系数和临界击穿场强；

5、根据所述绝缘气体的有效电离系数与电场和气压的关系，获得所述绝缘气体的工频绝缘强度；

6、基于所述绝缘气体的临界击穿场强和工频绝缘强度，从所述候选数据库中筛选出符合预设性能指标的绝缘气体。

7、进一步的， 环保绝缘气体的候选数据库，包括：

8、全氟异丁腈（c4f7n）、全氟戊酮（c5f10o）、三氟甲基磺酰氟（cf3so2f）、含氟烯烃类气体（hfo1234ze）绝缘气体，及其与co2、n2、o2自然气体构成的二元或三元混合气体。

9、进一步的，汤森放电实验系统，具体为：

10、两个具有bruce剖面的平板铜电极构成均匀电场；通过嵌入真空室中的真空紫外线光源uv产生紫外光，照射在光电阴极中心嵌入的镀膜玻璃表面，激发出初始电子；

11、在平板铜电极间施加直流高压，初始电子在直流电场中加速运动，加速后的电子与气体分子相互作用；气体分子出现多种碰撞反应，其中电离和吸附反应影响电子数，所述电子数影响气体中的电流大小；通过测量外回路的放电电流，反演得到气体放电的电离和吸附系数。

12、进一步的，所述汤森放电实验在设定气压和间距条件下，改变施加的电场强度，获得不同约化场强下的电离系数和吸附系数，基于所述电离系数和吸附系数获得对应的绝缘气体的有效电离系数和临界击穿场强，包括：

13、设定气压

p1和间距

d条件下，改变施加的电场强度

e，获得不同约化场强

e

r下的电离系数

α和吸附系数

η；

14、基于所述电离系数

α和吸附系数

η获得对应的绝缘气体的有效电离系数=

α-

η；

15、在汤森放电实验中，通过紫外线连续照射光电阴极产生初始光电子电流

i0，在均匀电场下，忽略二次过程，回路中的放电电流

i与间距

d的关系为：

16、 （1）

17、设气压为

p1，改变间距

d，测量不同

d下实验回路中的放电电流

i，代入式（1），得到不同

e

r下的

α和

η，当=0时，满足

α=

η的约化场强值记为

e

rc，

e

rc为该绝缘气体的临界击穿场强。

18、进一步的，根据所述绝缘气体的有效电离系数与电场和气压的关系，获得所述绝缘气体的工频绝缘强度，包括：

19、绝缘气体的有效电离系数与电场

e和气压

p的关系用式（2）表示，其中a和b为与气体类型有关的常数；

20、 （2）

21、将式（2）进行转换，得到均匀电场中的工频放电电压

u

b表达式为：

22、 （3）

23、式中，

e

c为工频击穿场强。式（2）中，=0得到：

24、 （4）

25、将式（4）代入式（3）中，得到：

26、 （5）

27、对于电负性气体，流注放电判据的表达式为：

28、 （6）

29、式中，

x

c为流注起始时的临界电子崩长度，

f为经验常数，均匀电场中，

x

c=

d, 有效电离系数相等，代入式（6）得到：

30、 （7）

31、同时，采用理想状态方程进行不同物理量的临界击穿场强的变换，满足：

32、 （8）

33、式中，

k

b为boltzman常数，1.38*10-23j/k ；t为气体温度，单位k；

34、将式（7）、式（8）代入式（5），得到绝缘气体的工频放电电压为：

35、 （9）

36、式中，

p为设备气压，单位mpa；

d为设备电极的间距，与电压等级有关，单位mm；工频放电电压为

u

b为绝缘气体的工频绝缘强度。

37、进一步的，基于所述绝缘气体的临界绝缘强度和工频绝缘强度，从所述候选数据库中筛选出符合预设性能指标的绝缘气体，包括：

38、以所述绝缘气体的临界击穿场强

e

rc和工频绝缘强度

u

b作为核心筛选指标，结合候选绝缘气体的液化温度、环保性能指标作为辅助筛选指标，筛选出符合预设性能指标的绝缘气体。

39、本发明同时提供一种基于电子群参数的电气设备用环保绝缘气体的筛选系统，包括：

40、候选数据库构建模块，用于构建环保绝缘气体的候选数据库；

41、汤森放电实验系统构建模块，用于基于汤森放电理论，构建汤森放电实验系统；

42、有效电离系数和临界击穿场强确定模块，用于基于汤森放电实验系统，针对候选数据库中的每一种绝缘气体，进行汤森放电实验；所述汤森放电实验在设定气压和间距条件下，改变施加的电场强度，获得不同约化场强下的电离系数和吸附系数，基于所述电离系数和吸附系数获得对应的绝缘气体的有效电离系数和临界击穿场强；

43、工频绝缘强度确定模块，用于根据所述绝缘气体的有效电离系数与电场和气压的关系，获得所述绝缘气体的工频绝缘强度；

44、绝缘气体筛选模块，用于基于所述绝缘气体的临界击穿场强和工频绝缘强度，从所述候选数据库中筛选出符合预设性能指标的绝缘气体。

45、进一步的，环保绝缘气体的候选数据库，包括：

46、全氟异丁腈（c4f7n）、全氟戊酮（c5f10o）、三氟甲基磺酰氟（cf3so2f）、含氟烯烃类气体（hfo1234ze）绝缘气体，及其与co2、n2、o2自然气体构成的二元或三元混合气体。

47、进一步的，汤森放电实验系统，具体为：

48、两个具有bruce剖面的平板铜电极构成均匀电场；通过嵌入真空室中的真空紫外线光源uv产生紫外光，照射在光电阴极中心嵌入的镀膜玻璃表面，激发出初始电子；

49、在平板铜电极间施加直流高压，初始电子在直流电场中加速运动，加速后的电子与气体分子相互作用；气体分子出现多种碰撞反应，其中电离和吸附反应影响电子数，所述电子数影响气体中的电流大小；通过测量外回路的放电电流，反演得到气体放电的电离和吸附系数。

50、进一步的，有效电离系数和临界击穿场强确定模块，包括：

51、电离系数和吸附系数获得子模块，用于设定气压

p1和间距

d条件下，改变施加的电场强度

e，获得不同约化场强

e

r下的电离系数

α和吸附系数

η；

52、有效电离系数获得子模块，用于基于所述电离系数

α和吸附系数

η获得对应的绝缘气体的有效电离系数=

α-

η；

53、电流与间距关系确定子模块，用于在汤森放电实验中，通过紫外线连续照射光电阴极产生初始光电子电流

i0，在均匀电场下，忽略二次过程，回路中的放电电流

i与间距

d的关系为：

54、 （1）

55、临界击穿场强确定子模块，用于设气压为

p1，改变间距

d，测量不同

d下实验回路中的放电电流

i，代入式（1），得到不同

e

r下的

α和

η，当=0时，满足

α=

η的约化场强值记为

e

rc，

e

rc为该绝缘气体的临界击穿场强。

56、进一步的，工频绝缘强度确定模块，包括：

57、关系确定子模块，用于绝缘气体的有效电离系数与电场

e和气压

p的关系用式（2）表示，其中a和b为与气体类型有关的常数；

58、 （2）

59、工频放电电压获得子模块，用于将式（2）进行转换，得到均匀电场中的工频放电电压

u

b表达式为：

60、 （3）

61、式中，

e

c为工频击穿场强，式（2）中，=0得到：

62、 （4）

63、将式（4）代入式（3）中，得到：

64、 （5）

65、对于电负性气体，流注放电判据的表达式为：

66、 （6）

67、式中，

x

c为流注起始时的临界电子崩长度，

f为经验常数；均匀电场中，

x

c=

d, 有效电离系数相等，代入式（6）得到：

68、 （7）

69、同时，采用理想状态方程进行不同物理量的临界击穿场强的变换，满足：

70、 （8）

71、式中，

k

b为boltzman常数，1.38*10-23j/k ；t为气体温度，单位k；

72、将式（7）、式（8）代入式（5），得到绝缘气体的工频放电电压为：

73、 （9）

74、式中，

p为设备气压，单位mpa；

d为设备电极的间距，与电压等级有关，单位mm；工频放电电压为

u

b为绝缘气体的工频绝缘强度。

75、进一步的，绝缘气体筛选模块，包括：以所述绝缘气体的临界击穿场强

e

rc和工频绝缘强度

u

b作为核心筛选指标，结合候选绝缘气体的液化温度、环保性能指标作为辅助筛选指标，筛选出符合预设性能指标的绝缘气体。

76、本发明同时提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序用于执行所述的方法。

77、本发明同时提供一种电子设备，所述电子设备包括：

78、处理器；

79、用于存储所述处理器可执行指令的存储器；

80、所述处理器，用于从所述存储器中读取所述可执行指令，并执行所述指令以实现所述的方法。

81、本发明提供的一种基于电子群参数的电气设备用环保绝缘气体的筛选方法及系统，以汤森放电理论为基础，通过稳态汤森法或脉冲汤森法精确测量候选气体的电离系数和吸附系数，计算其临界击穿场强，从而建立一套从微观电子行为到宏观绝缘性能的量化筛选体系。采用汤森放电实验方法获得环保绝缘气体在介观层面的放电特征参量，进而演绎得到工频绝缘强度相关的表征系数，代入环保绝缘气体的工频放电电压数值模拟计算表达式，可得到环保绝缘气体在不同间隙距离、气压和混合比例下的归一化绝缘强度。本发明克服了传统方法效率低或物理机制不明确的缺陷，既减少了大量的工频放电实验次数，同时针对具体环保混合气体获得其介观放电特征参数，可在统一基础上得到其应用于设备中表征物理本质的绝缘强度。