基于密度泛函的C₄F₇N/N₂/O₂三元混合气体击穿及分解特性分析

摘要

C₄F₇N具有优异的绝缘性能和环保特性，是有潜力替代SF₆的环保型绝缘气体。目前，主要采用CO₂作为C₄F₇N的缓冲气体，其含量一般大于90%，由于CO₂为温室气体，将CO₂替换为N₂后与C₄F₇N混合，会使混合气体环保性大大提升。虽然，C₄F₇N/N₂混合气体在放电时可能有固体碳析出情况，严重影响气体绝缘设备正常运行，但是，O₂的加入能够改善C₄F₇N/N₂二元混合气体的击穿特性，抑制分解产物的产生。为此，本文基于密度泛函理论计算了O₂及C₄F₇N/N₂混合气体的电子亲和能、电负性、不同分子数量的O₂和N₂与C₄F₇N气体之间的相互作用能及电荷转移量，得出了C₄F₇N分子的福井函数、C₄F₇N/N₂/O₂各气体分子化学键的解离能，分析了C₄F₇N与O₂放电分解涉及的自由基反应过程，从微观角度研究O₂对C₄F₇N/N₂混合气体击穿特性及分解特性的影响。结果表明：相较于N₂,O₂的电子亲和能及电负性更强，加入O₂有助于提高C₄F₇N/N₂混合气体的击穿电压。O₂–C₄F₇N的相互作用能约为N₂–C₄F₇N相互作用能的5倍；随着缓冲气体分子数量的增加，缓冲气体与C₄F₇N之间电荷转移量逐渐增加，使得C₄F₇N/O₂体系中C₄F₇N得到电子，而C₄F₇N/N₂体系中C₄F₇N失去电子。C₄F₇N未发生放电分解时，缓冲气体与C₄F₇N分子间主要以物理作用为主，O₂的加入消耗C₄F₇N分解产生的CF₂^·与C^·自由基，减少金属电极表面碳单质的附着。综上，O₂的加入能够减少碰撞电离，消耗C₄F₇N分解产生的自由基，抑制分解产物的产生，改善三元混合气体C₄F₇N/N₂/O₂的击穿特性及分解特性。

关键词

C₄F₇N/N₂混合气体 / 密度泛函理论 / O₂ / 击穿特性 / 分解特性