Study of sulfur hexafluoride-nitrogen mixtures contaminated by copper vapors in high voltage circuit breakers

• Autorzy: Zaanoune Seif Allah , Belarbi Ahmed Wahid , Moulai Hocine , Ziani Abderrahmane

Identyfikatory

DOI

10.15199/48.2022.11.15

Warianty tytułu

PL

Badanie mieszanin sześciofluorku siarki i azotu skażonych oparami miedzi w wyłącznikach wysokiego napięcia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The task of this paper is to contribute to the study of discharges in SF6-N2 gas mixtures in the presence of copper impurities in order to improve the dielectric properties of SF6-N2 used in high voltage circuit breakers. The ionization coefficient is an important indicator to evaluate breakdown in SF6 and its mixtures. The discharge will be described by the Townsend model evolving in a weakly ionized mixture at low pressure. Two types of elastic collision have been considered: electron-electron collision and electron-ion collision. The electronic transport coefficients of the SF6-N2 mixture are obtained by integration of the Boltzmann equation in the stationary case and for a uniform field. It is shown that the addition of N2 in SF6 reduces significantly the number of high energy electrons, which effectively improves the resistance to arcing. It is also found that copper increases the concentration of high energy electrons.

PL

Zadaniem artykułu jest przyczynienie się do badania wyładowań w mieszaninach gazowych SF6-N2 w obecności zanieczyszczeń miedziowych w celu poprawy właściwości dielektrycznych SF6-N2 mieszanin stosowanych w wyłącznikach wysokiego napięcia. Współczynnik jonizacji jest ważnym wskaźnikiem oceny rozkładu w SF6 i jego mieszaninach. Wyładowanie zostanie opisane przez model Townsenda ewoluujący w słabo zjonizowanej mieszaninie pod niskim ciśnieniem. Rozważono dwa rodzaje zderzeń sprężystych: zderzenie elektron-elektron i zderzenie elektron-jon. Współczynniki transportu elektronowego mieszaniny SF6-N2 uzyskuje się przez całkowanie równania Boltzmanna w przypadku stacjonarnym i dla pola jednorodnego. Wykazano, że dodatek N2 w SF6 znacząco zmniejsza liczbę elektronów wysokoenergetycznych, co skutecznie poprawia odporność na wyładowania łukowe. Stwierdzono również, że miedź zwiększa koncentrację elektronów o wysokiej energii.

Słowa kluczowe

EN

SF6-N2 mixtures; copper vapors; high-voltage circuit breaker; lonization coefficient

PL

mieszaniny SF6-N2; opary miedzi; wyłącznik wysokiego napięcia; współczynnik jonizacji

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Przegląd Elektrotechniczny
• Rocznik: 2022
• Tom: R. 98, nr 11
• Strony: 87--91
• Opis fizyczny: Bibliogr. 32 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Zaanoune Seif Allah

• University of Science and technology Boudiaf, Oran, 31000 Algeria

autor

Belarbi Ahmed Wahid

• University of Science and technology Boudiaf, Oran, 31000 Algeria

• https://orcid.org/0000-0002-5106-2821

autor

Moulai Hocine

• University of Science and technology Houari Boumediene, Bab Ezzouar, Algiers 16025 Algeria

autor

Ziani Abderrahmane

• University of Science and technology Houari Boumediene, Bab Ezzouar, Algiers 16025 Algeria

Bibliografia

• [1] J. Pasteau, ‘’Introduction à l’appareillage très haute tension’’, Cahier technique n° 127, Schneider Electric, Édition juin 1984
• [2] Antoni Sawicki, Modified arc models in a SF6 power circuitbreaker, Przegląd Elektrotechniczny, ISSN 0033-2097, R. 94 NR 4/2018, doi:10.15199/48.2018.04.23
• [3] Y. Long et al., "Ionization and attachment coefficients in C4F7N/N2 gas mixtures for use as a replacement to SF6" in IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation,vol. 26, no. 4, pp. 1358-1362, Aug. 2019, doi: 10.1109/TDEI.2019.008066
• [4] Cressault Y, Connord V, Hingana H, Teulet & Gleizes A, "Transport properties of CF3I thermal plasmas mixed with CO2, air or N2 as an alternative to SF6 plasmas in high voltage circuit breakers", J. Phys. D, 2011
• [5] Y. Tu et al., "±100-kV HVDC SF6/N2 Gas-Insulated Transmission Line," in IEEE Transactions on Power Delivery,vol. 35, no. 2, pp. 735-744, April 2020, doi: 10.1109/TPWRD.2019.2925519
• [6] H. Li, Y. Zheng, P. Zhang, X. Han and W. Zhou, "Effect of Temperature on Insulation Properties of SF₆/N₂ Mixed Gas Under AC Voltage," in IEEE Transactions on Plasma Science,vol. 48, no. 4, pp. 914-920, April 2020, doi: 10.1109/TPS.2020.2979805
• [7] Y. He, W. Ding, A. Sun and G. Zhang, "Effect of Gas-MixtureRatio on the Characteristics of Positive DC Corona Discharge in SF6/ N2 Gas Mixtures," in IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 28, no. 3, pp. 829-837, June 2021, doi: 10.1109/TDEI.2021.9450688
• [8] L. Lin, Q. Chen, X. Wang, H. Zhang, Z. Jia and C. Zhang, "Study on the Decomposition Mechanism of the HFO1234zeE/N2 Gas Mixture," in IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 48, no. 4, pp. 1130-1137, April 2020, doi: 10.1109/TPS.2020.2973644
• [9] Zheng D et al, 2009, ICPADM 2009: Proc. 9th Int. Conf. on Properties and Applications of Dielectric Materials, (Harbin, China), vol. 1–3, pp 618–21
• [9] Dincer M S, Ozerdem O C and Bektas S, 2007, IEEE Trans. Plasma Sci., 35, 1210–4
• [10] Hernandez-Avila J L and de Urquijo J, 2003, J. Phys. D: Appl. Phys., 36, L51–4
• [11] Hoshina Y et al, 2000, Proc. 2000 IEEE Power Engineering Society Winter Meeting (Singapore), vol. 1–4 Conf. Proc. 3, pp 2129–34
• [12] Yousfi M., Robin-Jouan P. and Kanzari Z., "Electric Field Calculations of Hot SF6 for High Voltage Circuit..Breaker Applications", IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., Vol. 12, No. 6, pp. 1192-1200, 2005
• [13] J. D. Yan, M. T. C. Fang, and Q. S. Liu, "Dielectric breakdown of a residual SF6 plasma at 3000 K under..diatomic equilibrium", EEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., Vol. 4, No. 1, pp. 114-119, 1997
• [14] G. J. Cliteur, Y. Hayashi, E. Hagionmori, and K. Suzuki, "Calculation of the Uniform Breakdown Field Strength of SF6Gas", IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., Vol. 5, No. 6, pp. 843-849, 1998
• [15] Y. Tanaka, "Influence of Copper Vapor Contamination on Dielectric Properties of Hot Air at 300-3500 K in Atmospheric Pressure", IEEE Trans. Dielectr. Electr. Insul., Vol. 12, No. 3, pp. 504-512, 2005
• [16] Samira Kacem, ‘’Modélisation électro-hydrodynamique des Décharges couronne dans l’air à la pression Atmosphérique pour application aux Actionneurs plasmas’’, doctorat thesis, University of Toulouse III – Paul Sabatier, 30 septembre 2011
• [17] Hexafluorure de soufre, fiche de sécurité du Programme International sur la Sécurité des Substances Chimiques, https://www.pangas.ch/fr/images/pangas_sdb_hexafluorure-de-soufre-30_f_tcm557-115233.pdf, consulted on 9-06-2021
• [18] David R. Lide, Handbook of chemistry and physics, Boca Raton, CRC, 2008, 89e éd., 2736 p. (ISBN 978-1-4200-6679-1), p. 10-205
• [19] David R. Lide, CRC Handbook of Chemistry and Physics, CRC Press Inc, 2009, 90th ed., 2804 p. (ISBN 978-1-420-09084-0)
• [20] R. Jacobson, ‘’The thermodynamic properties of nitrogen from 65 to 2000 K with pressures to 10000 atmospheres’’, PHD thesis, Washington State University, (1972)
• [21] W. M. Haynes, ‘’Ionization Energies of Atoms and Atomic Ions", In CRC Handbook of Chemistry and Physics, 91st Edition (Internet Version 2011), CRC Press/Taylor and Francis, Boca Raton, FL., p. 10-203
• [22]Procès-verbaux du Comité international des poids et mesures, 78th session, 1989, pp. T1-T21 and T23-T42
• [23] D. Rapp, Englander-Golden, J. Chem. Phys., 43, p. 1464,.(1965)
• [24] M. Yousfi et K. Kanzari, ‘’Etude de la cinétique chimique due à des décharges dans un câble à isolation gazeuse. Première partie : modélisation des décharges partielles dans le SF6 et le mélange SF6 /N2’’, Research Convention between Université de Toulouse III/ Electricité de France, Technical report (1997)
• [25] L.G. Christophorou, D.L. Mac Corkle and A.A. Christodoulides, "Electron-molecule interactions and their applications", Academic Press, p.478, (1984)
• [26] B.C. O’Neill and J.D. Craggs, J. Phys. B : Atom. Molec. Phys., 6, p. 2625, (1973)
• [27] G. J. M. Hagelaar, and L. C. Pitchford, "Solving the Boltzmann equation to obtain electron transport.coefficients and rate coefficients for fluid models", Plasma Sources Sci. Technol. Vol. 14, pp. 722-733, 2005
• [28] Hu Zhao, Xingwen Li, Shenli Jia, and Anthony B. Murphy, "Dielectric breakdown properties of SF6-N2 mixtures at 0.01-1.6 MPa and 300-3000K", April 2013
• [29] Sen Jing Yao, Ronghui Huang, Xin Zhang, "Influence of Copper Contamination on Dielectric Breakdown Properties of High temperature SF6 Gas Based on Boltzmann Equation Analysis", 3rd International Conference on Electric Power Equipment Switching Technology (ICEPE-ST) Oct. 25-.28, 2015, Busan, Korea
• [30] G. J. M. Hagelaar, Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie (LAPLACE), Université Paul Sabatier, www.bolsig.laplace.univ-tlse.fr/March, 2016
• [31] Xingwen Li, Hu Zhao and Shenli Jia, Dielectric breakdown properties of SF6–N2 mixtures in the temperature range 300–3000 K’', October 2012

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).