團(tuán)隊(duì)介紹

智能電氣設(shè)備研究團(tuán)隊(duì)隸屬于中國(guó)科學(xué)院電工研究所微納加工技術(shù)與智能電氣設(shè)備研究部，由研究員和副研究員3名、助研1名、在讀博士生和碩士生共10余人組成。課題組主要從事高壓電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)的研究，發(fā)展檢測(cè)專(zhuān)有技術(shù)和相關(guān)裝備，在研項(xiàng)目包括國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和企事業(yè)項(xiàng)目等。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人：張國(guó)強(qiáng)，工學(xué)博士，中國(guó)科學(xué)院電工研究所研究員，博士生導(dǎo)師，致力于變壓器設(shè)計(jì)、高壓電氣設(shè)備在線監(jiān)測(cè)與故障診斷技術(shù)研究和光譜學(xué)檢測(cè)儀器研制，承擔(dān)國(guó)家級(jí)省部級(jí)項(xiàng)目10余項(xiàng)。獲得授權(quán)的發(fā)明專(zhuān)利35項(xiàng)；國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物與會(huì)議上發(fā)表論文50余篇，合著2部。獲國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)和三等獎(jiǎng)2項(xiàng)。

導(dǎo)語(yǔ)

環(huán)境友好型氣體絕緣介質(zhì)全氟異丁腈C4F7N在介電特性和環(huán)保方面表現(xiàn)良好，具有替代SF6氣體的可能性。本文對(duì)10%C4F7N/90%CO2混合氣體實(shí)施了3h的650℃過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)（GC/MS）檢測(cè)C4F7N/ CO2混合氣體及其過(guò)熱條件下的分解組分，對(duì)比分析了四種常用吸附劑γ-Al2O3和分子篩（3A、4A和5A）對(duì)絕緣介質(zhì)C4F7N、緩沖氣體CO2及其混合氣體分解產(chǎn)物的吸附特性。本文的研究結(jié)果可為C4F7N氣體絕緣電力設(shè)備中吸附劑的選擇提供一定參考。

研究背景

氣體絕緣電力設(shè)備可能會(huì)因固體絕緣表面殘留水分或長(zhǎng)期工作在潮濕環(huán)境中使得設(shè)備內(nèi)部水分超出規(guī)定值，進(jìn)而影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，絕緣介質(zhì)在放電或過(guò)熱故障下會(huì)發(fā)生分解，產(chǎn)生有毒或腐蝕性氣體。因此，氣體絕緣電力設(shè)備中往往配有吸附劑以吸附水分和故障分解產(chǎn)物。

C4F7N作為一種新型絕緣介質(zhì)用于氣體絕緣電力設(shè)備中時(shí)，吸附劑的選擇不僅要考慮水分和分解產(chǎn)物的吸附特性，還要具備良好的選擇性和吸附能力。然而，不同種類(lèi)吸附劑對(duì)絕緣介質(zhì)C4F7N、緩沖氣體及其分解產(chǎn)物的吸附性能強(qiáng)弱的綜合評(píng)價(jià)尚未有詳細(xì)報(bào)道。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文對(duì)10%C4F7N/90%CO2混合氣體實(shí)施了3小時(shí)的650℃過(guò)熱模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了450 kPa下四種常用吸附劑γ-Al2O3和分子篩（3A、4A和5A）的吸附特性。吸附時(shí)間360小時(shí)，吸附劑質(zhì)量為氣體質(zhì)量的10%。

圖1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和吸附實(shí)驗(yàn)裝置

首先通過(guò)對(duì)比C4F7N/CO2混合氣體的過(guò)熱分解組分與標(biāo)準(zhǔn)氣體的保留時(shí)間，可以確定分解產(chǎn)物包括CO、CF4、C2F6、C3F8和C3F6化合物；通過(guò)查詢(xún)和對(duì)比美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)局（NIST）的質(zhì)譜庫(kù)數(shù)據(jù)庫(kù)，初步判斷分解組分還包括C2F4、(CF3)3CF（以下簡(jiǎn)稱(chēng)i-C4F10）、C2F5CN、CF3CN和CNCN。C4F7N/CO2過(guò)熱分解組分的色譜檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 過(guò)熱分解組分色譜檢測(cè)結(jié)果

隨后，通過(guò)測(cè)定色譜峰面積隨吸附時(shí)間的變化，綜合比較了四種吸附劑對(duì)絕緣介質(zhì)C4F7N、緩沖氣體CO2及其分解組分的吸附選擇性和吸附性能。

1）當(dāng)吸附劑用量比為絕緣介質(zhì)質(zhì)量的10%時(shí)，圖3顯示，3A、4A和5A分子篩幾乎不吸附絕緣介質(zhì)C4F7N，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)γ-Al2O3能吸附C4F7N。

圖3 分子篩和活性氧化鋁對(duì)C4F7N的吸附特性

2）當(dāng)吸附劑用量比為絕緣介質(zhì)質(zhì)量的10%時(shí)，吸附劑使用前后CO2的峰面積沒(méi)有明顯變化。

值得注意的是，5A分子篩在工業(yè)上常被用作CO2捕集劑，即將天然氣或空氣等通過(guò)較大的吸附床達(dá)到凈化目的。圖4所示，CO2的分子尺寸比5A分子篩的孔徑小，可以進(jìn)入5A分子篩晶穴內(nèi)部，5A分子篩對(duì)CO2氣體具有一定的吸附能力。工業(yè)上凈化氣體時(shí)所使用的吸附劑質(zhì)量和氣壓與本文實(shí)驗(yàn)條件的相比要高的多，會(huì)大大增強(qiáng)分子篩吸附CO2的能力。

圖4 C4F7N和CO2分子的范德華表面和尺寸參數(shù)

3）四種吸附劑對(duì)分解組分的吸附具有選擇性。四種吸附劑幾乎不吸附CO和全氟碳類(lèi)氣體（CF4、C2F6、C2F4、C3F6、C3F8、i-C4F10），但能有選擇地吸附腈類(lèi)氣體（CNCN、CF3CN和C2F5CN）。其中，四種吸附劑均能吸附CNCN氣體，吸附效率由高到低為5A>γ-Al2O3>4A>3A；γ-Al2O3和5A分子篩能吸附CF3CN氣體，吸附效率γ-Al2O3>5A，但3A和4A幾乎不吸附CF3CN；只有γ-Al2O3能夠吸附C2F5CN氣體。

圖5 分子篩和活性氧化鋁對(duì)腈類(lèi)氣體的吸附特性

結(jié)論

由于氣壓、溫度和吸附劑質(zhì)量等因素均會(huì)影響吸附劑的吸附性能。因此，吸附劑用于電力設(shè)備中時(shí)，要適當(dāng)選擇吸附劑的質(zhì)量，使吸附劑能夠充分吸附水分和分解產(chǎn)物，同時(shí)避免吸附絕緣氣體本身。綜合對(duì)比這四種吸附劑對(duì)氣體的吸附選擇性和吸附效率發(fā)現(xiàn)，γ-Al2O3不適合用于C4F7N/CO2混合氣體作為絕緣介質(zhì)的電力設(shè)備中；5A分子篩的吸附性能最好。但5A分子篩不能吸附有毒氣體CO和全氟碳類(lèi)氣體，需要繼續(xù)尋找其他合適的吸附劑。

引用本文

趙明月, 韓冬, 周朕蕊, 張國(guó)強(qiáng). 活性氧化鋁和分子篩對(duì)C3F7CN/CO2及其過(guò)熱分解產(chǎn)物的吸附特性[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(1): 88-96. Zhao Mingyue, Han Dong, Zhou Zhenrui, Zhang Guoqiang. Adsorption Characteristics of Activated Alumina and Molecular Sieves for C3F7CN/CO2 and Its Decomposition By-Products of Overheating Fault. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(1): 88-96.