計算機模擬仿真技術(shù)在SF6絕緣氣體研究和工程檢測中的應(yīng)用現(xiàn)狀

蔡 萱，張 馳

（國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

SF6氣體因其良好的絕緣性，滅弧性和電負(fù)性從20世紀(jì)50年代開始已經(jīng)被作為滅弧和絕緣介質(zhì)應(yīng)用于電器設(shè)備，現(xiàn)今已在高壓斷路器、氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備、氣體絕緣輸電管道、變壓器和互感器中廣泛使用[1]。中國從20世紀(jì)60年代開始研制SF6絕緣電氣設(shè)備，目前在中國63-500 kV、750 kV、±800 kV及1 000 kV電壓等級中，SF6斷路器和SF6全封閉組合電器（GIS）的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍，110 kV的SF6變壓器也已經(jīng)在運行。

雖然SF6作為氣體絕緣介質(zhì)被廣泛的應(yīng)用，但是直到今天，SF6氣體放電理論還不是十分完善，對于SF6的放電機理僅僅只是停留在定性闡釋階段，因此，對于SF6氣體放電理論的研究需要繼續(xù)深入，從而達到對其放電機制本質(zhì)性的解釋。另一方面，隨著中國輸變電容量不斷增大，電壓等級快速增高，在電力基礎(chǔ)建設(shè)和運行過程中，GIS設(shè)備故障頻繁發(fā)生，直接威脅到國內(nèi)電網(wǎng)安全運行[2]。根據(jù)國家電網(wǎng)公司2014年關(guān)于變電設(shè)備運行的統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，因為GIS設(shè)備故障所引發(fā)的電網(wǎng)停運次數(shù)的比例已經(jīng)達到40%，因此，對該類設(shè)備的檢測和檢測手段的提高已經(jīng)迫在眉睫，需要通過更深入的研究，更科學(xué)的驗證，從而真正達到對設(shè)備的準(zhǔn)確監(jiān)測和有效管理。

但是，以往的研究大多都是通過對實驗數(shù)據(jù)的總結(jié)，具有統(tǒng)計性和經(jīng)驗性；同時，設(shè)備在運行過程中，所處的環(huán)境千差萬別，設(shè)備所處狀態(tài)也各不相同，因此，通過實驗得出的結(jié)論往往不具有普適性；另外，運行設(shè)備發(fā)生故障時都是由于各種極端條件的發(fā)生所造成，而這種極端條件很難通過實驗的方式再現(xiàn)。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，計算機模擬仿真技術(shù)也得到了極大的提高，將計算機模擬仿真技術(shù)與SF6絕緣氣體的研究和檢測相結(jié)合成為了當(dāng)前研究熱點，同時對克服傳統(tǒng)研究方法所遇到的困難提供了很好的解決方式。以下，綜述了該研究方向的發(fā)展現(xiàn)狀。

1 基于計算流體力學(xué)(CFD)理論的模擬仿真

計算流體力學(xué)和相關(guān)的計算傳熱學(xué)、計算燃燒學(xué)的原理是用數(shù)值方法求解非線性聯(lián)立的質(zhì)量、能量、組分、動量和自定義標(biāo)量的微分方程組，求解結(jié)果能預(yù)報流動、傳熱、傳質(zhì)、燃燒等過程的細(xì)節(jié)，并成為過程裝置優(yōu)化和放大定量設(shè)計的有力工具。計算流體力學(xué)的基本特征是數(shù)值模擬和計算機實驗，它從基本物理定理出發(fā)，在很大程度上替代了耗資巨大的流體力學(xué)實驗設(shè)備，在科學(xué)研究和工程技術(shù)中產(chǎn)生巨大的影響。

SF6絕緣氣體中水分含量是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定檢測項目之一，水分不僅影響SF6氣體的電氣絕緣性能，還會參與SF6電弧分解氣的水解反應(yīng)，生成有害的低氟化物及具有腐蝕作用的酸性物質(zhì)，影響設(shè)備的使用壽命，危害運行人員的安全，因此，對SF6絕緣氣體中水分含量的準(zhǔn)確測量是十分重要的。SF6設(shè)備靠近取樣口、閥門、管道銜接處的位置屬于設(shè)備密封薄弱處，往往這些位置的水分含量較高，但是由于SF6絕緣設(shè)備的制造工藝、氣密性要求以及在線檢測裝置安裝、檢修等條件的制約，目前大多數(shù)SF6氣體微水在線檢測裝置只能安裝在電器設(shè)備取樣口上，這便造成了檢測結(jié)果不能真實地反應(yīng)電氣設(shè)備本體內(nèi)部的水分含量。

周舟[3]等人通過有限元軟件ANSYS對水分子在SF6絕緣氣體中的擴散情況進行模擬，在模型中選擇a(0,0,400),b(0,0,0),c(0,500,0)三點作為水分含量的檢測點，在壓力分別為0.4 Mpa和0.5 Mpa時，三點水分含量隨時間的變化如圖1[3]。研究發(fā)現(xiàn)水分子從取樣口滲入進設(shè)備后需要經(jīng)過222個小時才能擴散均勻。在擴散均勻之前，取樣口對SF6電氣設(shè)備進行在線水分檢測，檢測結(jié)果將會高于設(shè)備內(nèi)部本體的水分含量真實，從而會導(dǎo)致設(shè)備本體水分含量在允許范圍之內(nèi)時，檢測裝置已經(jīng)開始報警，從而干擾工作人員對SF6電氣設(shè)備的管理。為了更深入和全面地研究這一缺陷，文章[4,5]繼續(xù)基于CFD理論分別對水分在封閉和流動SF6絕緣氣體中的擴散情況進行研究，通過研究發(fā)現(xiàn)，在封閉的SF6絕緣氣體中，當(dāng)取樣口處于高濕度情況下，水分子擴散均勻需要幾個小時，而在流動的SF6絕緣氣體中這一過程只需要幾秒鐘；若設(shè)備本體中出現(xiàn)高濕度時，封閉情況下水分子擴散均勻依舊需要幾個小時，而流動情況下水分子擴散均勻所需時間不超過60 s。綜上所述，在設(shè)備取樣口處安裝氣體濕度在線檢測裝置均不能實時、準(zhǔn)確地反映出設(shè)備內(nèi)部水分含量的真實情況。

圖1 監(jiān)測點分別在0.4 Mpa和0.5 Mpa條件下氣體濕度隨時間的變化情況Fig 1 The variation of gas humidity of the three locations over time on the condition of 0.4 Mpa and 0.5 Mpa

斷路器在電力系統(tǒng)中能夠有效地開斷斷路電流，取決于介質(zhì)復(fù)強度是否始終高于端口間恢復(fù)電壓之上，而介質(zhì)恢復(fù)強度受滅弧室內(nèi)的電場和流場分布的影響，而電場分布和流暢分布與開斷電流燃弧時間的長短密切相關(guān)，因此，電流燃弧時間可以作為衡量斷路器性能好壞的重要指標(biāo)。過去研究斷路器電流燃弧時間均是通過搭建回路做實驗，這種方法雖然能夠確定電流燃弧時間，但是其成本過高，實驗要求苛刻，同時也具有很高的危險性。文章[6]采用計算機仿真技術(shù)模擬了斷路器開斷短路電流過程，F(xiàn)LUENT進行流場的模擬計算，ANSYS進行電場的模擬計算，通過仿真技術(shù)準(zhǔn)確計算出介質(zhì)恢復(fù)強度和斷路器的燃弧時間。

2 碳納米管吸附SF6分解產(chǎn)物的動力學(xué)模擬仿真

對SF6電氣設(shè)備進行故障診斷，其主要依據(jù)之一，是設(shè)備內(nèi)的放電故障類型不同會產(chǎn)生不同成分的SF6分解產(chǎn)物。因此通過分析設(shè)備內(nèi)SF6分解產(chǎn)物，可以判斷放電故障類型及故障程度。文章[7]利用Materials Studio分子動力學(xué)仿真軟件模擬計算了單壁碳納米管(SWNT)對SF6局部放電特征產(chǎn)物吸附過程中的吸附能、電荷轉(zhuǎn)移量和作用距離，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1[7]。表1中吸附能所帶負(fù)號表示吸附過程均為放熱反應(yīng)，可以自發(fā)進行，而HF和CF4與SWNT吸附過程產(chǎn)生吸附能均比其分解產(chǎn)物吸附過程所產(chǎn)生的吸附能小1到2個數(shù)量級，說明這兩種分解產(chǎn)物發(fā)生吸附過程的概率很小。而在其他分解產(chǎn)物中SO2F2和SO2在吸附過程中的電荷轉(zhuǎn)移量最大，從電荷轉(zhuǎn)移的角度可以說明這兩種分解產(chǎn)物與SWNT吸附過程的劇烈程度相較于其他分解產(chǎn)物更為劇烈，這種劇烈作用宏觀上表現(xiàn)為表面載流子增多，電導(dǎo)發(fā)生變化。通過模擬計算發(fā)現(xiàn)SO2F2和SO2發(fā)生吸附過程時，SO2F2與SWNT作用距離更小，結(jié)合以上3類計算結(jié)果綜合判斷，單壁碳納米管SWNT對SF6分解產(chǎn)物中的SO2F2的識別最靈敏。SO2F2吸附在碳納米管上，一方面明顯地改變了碳納米管的電子結(jié)構(gòu)，提高了碳納米管的態(tài)密度，另一方面降低了單壁碳納的能級。但是，由于HF、H2S、CF4、SO2和SOF2分子吸附到單壁碳納米管上很難改變它們的電子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致單壁碳納米管很難識別。文章[8]同樣利用模擬仿真進一步研究了通過利用羧基修飾后的單壁碳納米管（SWNT-COOH）對SF6分解產(chǎn)物的識別能力，通過計算吸附過程中的吸附能、電荷轉(zhuǎn)移量、作用距離、前線軌道和電子態(tài)密度的變化，結(jié)果顯示在SF6最主要的四種分解產(chǎn)物（SO2、SO2F2、SOF2和 CF4）中，SWNT-COOH 的選擇靈敏度為 SO2＞SOF2＞SO2F2＞CF4，因此,SWNT-COOH 可以用來制備SF6局部放電分解產(chǎn)物的檢測傳感器。文章[9,10]分別利用計算機模擬羥基和硼原子修飾的單壁碳納米管對SF6主要分解產(chǎn)物的檢測靈敏度，計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)羥基修飾后的單壁碳納米管對SO2識別很靈敏，而硼修飾后的單壁碳納米管對SO2F2的識別最靈敏。文章[11]利用蒙特卡洛模擬方法研究發(fā)現(xiàn)了單壁碳納米管是吸附和儲備SF6氣體的優(yōu)良材料，即便氣體中含有微量的SF6氣體，也能夠?qū)⑵渥R別并吸附。

表1 模擬計算吸附過程中吸附能、電荷轉(zhuǎn)移量和作用距離Table.1 Calculated adsorption energy,charge-transfer and interacting distance

3 SF6放電模型的動態(tài)模擬仿真

氣體絕緣電氣設(shè)備內(nèi)SF6處于高壓狀態(tài)，因此需要采用流注理論來研究其擊穿現(xiàn)象[1]，流注理論目前還很粗糙，實際上只限于放電過程的定性描述，而且大都是對大量實驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和總結(jié)。直到1987年，Morrow[12]利用有限差分與通量校正傳輸法(FCT,flux-corrected transportmethod)相結(jié)合研究了SF6流注放電的動力學(xué)特性。十多年后，Pfeiffe與Tong借鑒了以上方法研究了SF6和N2混合氣體的流注放電理論的機理[13]。但是這些都僅僅只是停留在一維動力學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，對深入地研究流注放電理論的幫助有限。文章[14]通過建立二維模型對SF6流注放電過程進行模擬，通過模擬計算發(fā)現(xiàn)，SF6放電過程是通過電子崩轉(zhuǎn)變?yōu)檎?、?fù)流注，而且光電離對流注放電過程的發(fā)展發(fā)揮了促進作用，將流注放電理論的研究從定性轉(zhuǎn)變成定量研究。為了更進一步研究SF6混合器的流注放點理論機制，文章[15]利用同樣的方法研究了低SF6含量的SF6/N2混合氣體的流注放點理論。仿真結(jié)果表明，混合氣體的流注放點過程由電子崩和流注兩個階段組成，而且正負(fù)電荷的分離造成了電場的畸變，與純SF6氣體流注放電過程相似的是，光電離對整個過程有很明顯的影響作用。

4 結(jié)語

文章主要綜述了近期計算機仿真技術(shù)在SF6理論研究和工程檢測中應(yīng)用的主要進展情況，總結(jié)出了以下主要成果和發(fā)展趨勢：

（1）通過計算機模擬仿真技術(shù)，指出了在GIS電氣設(shè)備取樣口、閥門處微水在線檢測所存在的不準(zhǔn)確性，需要采用更合理、科學(xué)的取樣方法來進行檢測；

（2）計算機模擬仿真技術(shù)在SF6分解產(chǎn)物氣敏傳感檢測器的研究中應(yīng)用廣泛，通過模擬仿真，準(zhǔn)確地計算出各種物理化學(xué)參數(shù)，對后續(xù)的研究有很好的指導(dǎo)意義；

（3）通過建模對SF6氣體放電過程進行模擬，深化了對SF6放電機制的理解和認(rèn)識。

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