SF6氣體在線凈化處理對設(shè)備內(nèi)部磁場分布的影響研究

袁志堅， 袁鏡江， 周斌

(廣東電網(wǎng)有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000)

0 引 言

SF6氣體指六氟化硫氣體，具有優(yōu)越的絕緣性能以及滅弧性能[1]。SF6氣體通過機械制冷式深冷分離以及變壓吸附等處理凈化后符合《工業(yè)六氟化硫》技術(shù)指標，凈化處理后SF6氣體質(zhì)量分數(shù)可高達99.98%以上，凈化后的SF6氣體可在高壓電器設(shè)備中循環(huán)再利用。

SF6氣體通過電弧作用分解形成具有較強反應(yīng)能力的有害分解產(chǎn)物[2]，尤其是其成分內(nèi)存在氧氣以及水分時，有害分解物與水分以及電機材料結(jié)合，形成大量成分極為復(fù)雜的化合物，令電力系統(tǒng)設(shè)備內(nèi)部金屬發(fā)生腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)的有機絕緣材料性能受到影響[3]，甚至可能危害高壓設(shè)備操作人員身體健康。SF6氣體屬溫室氣體，其造成的溫室效應(yīng)可高于二氧化碳兩萬多倍。電力設(shè)備內(nèi)部磁場分布情況對評估設(shè)備的安全性極為重要，本文分析SF6氣體在線凈化后電力設(shè)備內(nèi)部磁場的分布情況。

1 SF6氣體在線凈化原理

SF6氣體在線凈化處理原理如圖1所示。

圖1 SF6氣體在線凈化處理原理

SF6氣體在線凈化處理的倒轉(zhuǎn)裝置夾緊鋼瓶并倒轉(zhuǎn)，滿足所設(shè)定高度值后，利用安裝手動球閥的壓力軟管將倒轉(zhuǎn)裝置與汽化裝置連接，鋼瓶內(nèi)高壓SF6液體經(jīng)過汽化裝置氣化后轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪簹怏w，低壓氣體壓力約為0.6 MPa，低壓氣體向凈化處理單元吸附塔內(nèi)流動[4]，吸附原氣體的水分、雜質(zhì)以及部分空氣等。利用動力單元，將尾氣通過深冷分離單元的深冷容器內(nèi)的低溫液體向鋼瓶內(nèi)抽動。

動力單元內(nèi)儲氣罐壓力到達一定高度時，利用凈化處理單元，將氣體再次充入深冷容器內(nèi)，通過深冷處理后，將氣態(tài)空氣排放后進行真空抽離，再將固態(tài)SF6氣體液化后，通過低溫低壓條件灌入鋼瓶內(nèi)。

SF6氣體在線凈化處理需要通過液態(tài)SF6凈化處理以及固態(tài)SF6凈化處理，提升SF6氣體的純度[5]。在液態(tài)情況下，其利用較小能量進行分離，獲取已使用氣體90%左右的純凈SF6氣體；在固態(tài)情況下，將剩余10%左右純度氣體實施固化提純處理。

2 SF6氣體在線凈化處理設(shè)備內(nèi)部磁場控制方程構(gòu)建

為了分析SF6氣體在線凈化處理對設(shè)備內(nèi)部磁場強度分布影響，需要利用Maxwell方程組獲取SF6氣體在線凈化處理設(shè)備內(nèi)部磁場控制方程，由法拉第電磁感應(yīng)定律、高斯磁通定律、安培環(huán)路定律以及高斯電通定律組成感應(yīng)電磁場的控制方程,對設(shè)備內(nèi)部磁場分布情況進行分析[6]。

1) 安培環(huán)路定律

假設(shè)電力設(shè)備內(nèi)部磁場強度H不受介質(zhì)以及磁場強度分布的影響，磁場強度沿不同閉合回路的線積分與穿過該積分獲取的曲面電流總和相同，即積分路徑包圍獲取的傳導(dǎo)電流以及位移電流相加的總電流與線積分相同。采用積分形式表示安培環(huán)路定律[7]，即：

(1)

式中:S與l分別為曲面邊界以及隨機閉合路徑矢量；K為位移電流矢量；D為電位移矢量；t為時間變量。通過安培環(huán)路定律可知傳導(dǎo)電流以及電場變換均可形成磁場。

2) 法拉第電磁感應(yīng)定律

設(shè)備內(nèi)部穿過閉合回路的磁通量與閉合回路內(nèi)感應(yīng)電動勢，隨時間變化呈現(xiàn)正態(tài)分布，通過積分形式表示為：

(2)

式中:E為電場強度矢量;B為磁感應(yīng)強度矢量。

通過法拉第電磁感應(yīng)定律可知電場受磁場影響的變化情況。

3) 高斯電通定律

在電力設(shè)備內(nèi)部電場中，閉合曲線的電通量不受電通密度矢量以及電解質(zhì)分布情況影響，閉合曲線電通量與包圍至該閉合曲線電荷量相同，電通密度與閉合曲面積分即為電通量，利用積分形式表現(xiàn)該定律為：

(3)

式中:Ω為設(shè)備內(nèi)部利用閉合曲面形成的體積區(qū)域；ρ為自由電荷體密度；V為閉合曲線電通量流轉(zhuǎn)速度。通過高斯電通定律可知電場由電荷通過發(fā)散形式形成。

4) 高斯磁通定律

在設(shè)備內(nèi)部磁場中，穿過隨機閉合曲面，不受磁通密度矢量以及磁介質(zhì)分布情況影響，磁通量恒為零，閉合曲線受磁通量矢量有向積分即磁通量的影響，以積分形式體現(xiàn)該定律為：

(4)

分析高斯磁通定律可知,設(shè)備內(nèi)部磁力線由閉合曲線組成。

綜上所述，設(shè)備內(nèi)部電場與磁場變化情況互相聯(lián)系，最終產(chǎn)生統(tǒng)一的電磁場。根據(jù)以上定律分析設(shè)備內(nèi)部電磁場的變化情況,構(gòu)建Maxwell方程組,對其進行詳細分析。本文引入拉普拉斯算子，可得Maxwell方程組微分公式為：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:H與K分別為磁場強度矢量以及總電流密度矢量；KS與Ke分別為源電流密度矢量以及感應(yīng)電流密度矢量。在進行磁場分布分析過程中遵循變分原理，通過儲能一直趨于最小的能量相關(guān)泛函，使函數(shù)值達到最小，從而誤差達到最小。通過設(shè)定泛函的各項待定系數(shù)的偏導(dǎo)系數(shù)，明確各待定系數(shù)值。

3 仿真試驗

3.1 試驗環(huán)境及參數(shù)

為了驗證所提方法的綜合有效性，進行仿真試驗分析。利用AnsoftMaxwell 3D 電磁場仿真軟件建立SF6氣體在線凈化處理三維模型，檢測設(shè)備內(nèi)部鐵芯橫截面大小為160 mm×160 mm，將錳鋅鐵氧體作為鐵芯材料，鐵芯材料的相對磁導(dǎo)率以及電導(dǎo)率分別為8 100以及0；利用截面以及壁厚分別為12 mm×12 mm，壁厚為2 mm的紫銅方管繞制線圈，紫銅方管電導(dǎo)率以及相對磁導(dǎo)率分別為59 MS/m以及1；設(shè)置設(shè)備內(nèi)部氣隙長度為500 mm，處理裝置以及管道內(nèi)最大承受壓力≤2.5 MPa，正常環(huán)境溫度下在線凈化處理可連續(xù)工作運行時長高達1 000 h以上。

3.2 試驗方案

利用示波器以及交流電流鉗測量空載情況下設(shè)備內(nèi)部線圈的輸出電流，賦值線圈的勵磁電流，獲取相應(yīng)磁感應(yīng)強度分布情況，通過探測線圈方法檢測氣隙內(nèi)部磁感應(yīng)強度，與模擬結(jié)果對比檢測分析有效性。

3.3 試驗結(jié)果分析

為了驗證所提方法對設(shè)備內(nèi)部磁場分布的影響，分析了設(shè)備橫截面氣隙磁場感應(yīng)強度徑向分量和切向分量的分布情況，結(jié)果如圖2所示。

圖2 氣隙磁場感應(yīng)強度分布情況

圖2可以看出，在相同環(huán)境下，所提方法對設(shè)備內(nèi)部磁場感應(yīng)強度分布的不同方向分量分布情況與其理想分布狀態(tài)吻合度較高。這是由于所提方法結(jié)合多種定律組成感應(yīng)電磁場的控制方程，對磁場感應(yīng)強度分量控制效果較好，驗證了所提方法的科學(xué)有效性。

4 結(jié)束語

本文分析了SF6氣體在線凈化處理對設(shè)備內(nèi)部磁場分布的影響。通過試驗得出以下結(jié)論：

(1)SF6氣體在線凈化處理后氣隙磁場感應(yīng)強度與理想分布值較為一致。

(2)凈化后氣體可在設(shè)備內(nèi)部氣隙內(nèi)形成磁場，設(shè)備內(nèi)部橫截面區(qū)域磁場以均勻狀態(tài)分布，符合凈化電磁需求。