单壁碳纳米管传感器检测SF6局部放电分解组分的气敏性研究-电气工程专业论文.docx

重庆大学硕士学位论文中文摘要 重庆大学硕士学位论文 中文摘要 I I 摘 要 六氟化硫气体（SF6），具有较高的电气强度，优良的灭弧性能，被广泛应用 于气体绝缘组合电器（Gas Insulated Switchgear，GIS）中。长期运行过程中，GIS 内部绝缘缺陷处会发生局部放电（Partial Discharge，PD），导致 SF6 发生分解反 应，生成不同的气体组分。检测和分析 SF6 分解的特征气体组分对 GIS 的故障诊 断具有重要意义。而从混合气体组分中检测出特征组分是主要难题。 本文在分析现有的特征组分检测方法不足的基础上，将纳米气敏传感技术应 用于 SF6 分解的特征组分的检测，研制了单壁碳纳米管气体传感器，通过理论仿真 和气敏实验对单壁碳纳米管的微观气敏机理和宏观气敏特性进行研究。 利用 Materials Studio（MS） 建立了 SF6 放电分解生成的四种主要气体组分 （SOF2、SO2F2、SO2、CF4）与单壁碳纳米管的微观吸附模型，并根据密度泛函理 论（DFT）对吸附过程进行理论计算。主要研究和分析了羟基修饰单壁碳纳米管 （hydroxylation single-wall carbon nanobutes，SWNT-OH）的微观气敏机理。首先， 根据计算结果对 SWNT-OH 与四种分子的吸附能力进行了判断。其次，根据分子 前线轨道理论分析了 SWNT-OH 与四种分子发生吸附作用的难易程度。第三，根 据能隙计算结果研究了气体分子吸附在 SWNT-OH 上对其表面载流子转移能力的 影响，并结合态密度计算结果分析了 SO2 与 SWNT-OH 吸附过程中的原子轨道杂 化情况。最后，将 SWNT-OH 与本征 SWNT 的计算结果进行对比。计算结果表明： 四种分子中，SWNT-OH 最容易与 SO2 发生吸附作用，吸附能力最强；且吸附 SO2 后，能隙减小，导致其上电子转移能力提高；吸附过程中，两者原子的部分轨道 趋于杂化形成电子输运通道，有利于两者之间的电子转移。SWNT-OH 对四种分子 的吸附能力高于本征 SWNT 的吸附能力。 采用叉指电极印制电路板为基底，制备了 SWNT-OH 及本征 SWNT 气体传感 器，利用 SOF2、SO2F2、SO2、CF4 标气进行气敏实验。将两种传感器的气敏特性 进行对比 ，重点 研究 和 分析 了 SWNT-OH 传感器 的 气 敏 响 应 特 性 。为 探究 SWNT-OH 电阻变化率与 SO2 气体浓度的关系，对其响应曲线进行了线性拟合。之 后研究了 SWNT-OH 传感器的恢复特性和稳定性。实验表明：在四种标气中， SWNT-OH 对 SO2 响应速度最快，灵敏度最高；SWNT-OH 电阻变化率与 SO2 的气 体浓度满足一定的线性关系；传感器在空气中可以自恢复，恢复时间短，且在一 定程度上满足稳定性的要求。 关键词： 局部放电；SF6 分解组分；单壁碳纳米管；二氧化硫；气敏性 重庆大学硕士学位论文英文摘要 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 II II ABSTRACT SF6 is widely used in Gas Insulated Switchgear (GIS) with the advantage of its high electric strength and excellent arc performance. During the continuous operation, the insulation defects in GIS will bring about partial discharge (PD), which leads to the decomposition of SF6, generating different gas components. To detect and analyze decomposed characteristic components of SF6 under PD is significant for fault diagnosis of GIS, however, how to detect the characteristic components from mixed gas components is the main puzzle. In this paper, nano gas sensor technology was applied to develop a new type of single-wall carbon nanotube gas sensor for detecting gas components of SF6, based on the