基于流體力學(xué)的SF6電氣設(shè)備中SO2和H2S氣體擴散特性計算

賀毅，張靖，張英2,，朱春曉，王為

(1.貴州大學(xué)電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025; 2.貴州電網(wǎng)有限責任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002)

目前，各種高壓電器設(shè)備中大量使用 六氟化硫(SF6)氣體作為絕緣和滅弧介質(zhì)[1-3]。但設(shè)備時常發(fā)生故障，這是因為在設(shè)計、生產(chǎn)、運維等過程存在諸多問題[4-7]。充裝SF6氣體的全封閉組合電器設(shè)備(GIS)在運行過程中曾多次發(fā)生故障[8-11]，當放電或過熱等故障在設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生時，SF6氣體會發(fā)生分解，生成SO2、H2S、SOF2、HF、CO等特征組分氣體來表征設(shè)備內(nèi)部的故障[12-14]。

檢測設(shè)備內(nèi)部是否產(chǎn)生故障的方法有2種，分為在線監(jiān)測和離線檢測技術(shù)[15-16]。在線監(jiān)測的原理是通過在取氣口處裝設(shè)監(jiān)測設(shè)備來監(jiān)測故障特征組份氣體的有無，進而判斷設(shè)備內(nèi)部是否發(fā)生故障。紅外光譜法、電化學(xué)傳感器法等是典型的在線監(jiān)測方法[17-19]。離線檢測的原理是將設(shè)備內(nèi)部的氣體導(dǎo)出，并通過分解產(chǎn)物分析器來判斷設(shè)備內(nèi)部是否存在故障，通過對故障特征組份氣體的檢測曾多次發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部故障，保障了設(shè)備的安全與穩(wěn)定運行[20-21]。

SO2和H2S氣體作為最典型的分解產(chǎn)物，常用于檢測設(shè)備內(nèi)部是否存在潛伏性故障[22-23]，在電力行業(yè)標準DLT1359-2014《SF6電氣設(shè)備故障設(shè)備氣體分析與判斷方法》中，給出了SO2和H2S組分的檢測指標與評價結(jié)果的判斷標準，這2種氣體和發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部潛伏性故障有直接聯(lián)系。但是，因為設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障時故障氣體擴散效應(yīng)不明，致使在設(shè)備故障診斷方面存在嚴重不足，相關(guān)文獻報道極少，設(shè)備故障診斷技術(shù)的發(fā)展受到很大的阻礙[24]。因此，為了明確故障特征組分氣體的擴散特性，本文提出利用FLUENT仿真工具來研究GIS設(shè)備中故障特征組分氣體的擴散特性，得到SO2和H2S氣體在擴散初期、中期、擴散均勻時濃度的分布情況以及達到均勻的時間和濃度。通過設(shè)置監(jiān)測點，監(jiān)測到設(shè)備內(nèi)部各個位置濃度隨時間變化情況，得到氣體擴散到取氣口達到檢測裝置檢測到(1μL·L-1)的時間，以及取氣口氣體濃度隨時間的變化情況，氣體擴散效應(yīng)計算與現(xiàn)有的特征組份氣體的檢測技術(shù)相結(jié)合，為準確判斷設(shè)備內(nèi)部故障提供參考依據(jù)，進而指導(dǎo)生產(chǎn)實際。

1 模型及初始條件

1.1 物理模型和劃分網(wǎng)格

GIS設(shè)備物理模型參照文獻[25]1∶1的比例建模，該GIS模型由兩個部分組成，大圓柱是GIS設(shè)備本體，其直徑為0.65(m)，高為2(m)，小圓柱為取氣口，直徑為0.01(m)，高為0.15(m)。GIS設(shè)備的總體積為0.66m3，以GIS設(shè)備的左平面中心為原點建立幾何模型，如下圖1所示，兩個坐標位置分別為模型的原點以及故障初始位置。

圖1 GIS設(shè)備幾何模型Fig.1 Geometry model of GIS equipment

選用Ansys Fluent Meshing來劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)為12843個，網(wǎng)格質(zhì)量良好，滿足要求。GIS設(shè)備網(wǎng)格劃分情況見下圖2。

圖2 GIS設(shè)備網(wǎng)格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of grid division of GIS equipment

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 質(zhì)量守恒方程

(1)

式中，ρ為氣體密度，μj為湍流黏性系數(shù)的徑向分量，t為時間，xj表示氣體沿設(shè)備徑向的位移，Sm為源項。

1.2.2 動量守恒方程

X方向：

(2)

Y方向：

(3)

Z方向：

(4)

u、v、w為速度矢量在X、Y、Z方向上的分量，Su、Sv及Sw是動量方程的廣義源項;μ為湍流黏性系數(shù)。

1.2.3 能量守恒方程

(5)

T為流體溫度;kt為流體的湍流導(dǎo)熱系數(shù);cp為混合氣體的定壓比熱;cpr為SO2定壓比熱;cpa為SF6的定壓比熱;ω為重氣質(zhì)量比例;為常數(shù)，常取1;μt為流體的湍流黏性系數(shù)。

1.2.4 組分輸運方程

SF6氣體分解產(chǎn)生分解物，需依靠組分輸運方程來計算局部相的質(zhì)量分數(shù)。由組分質(zhì)量守恒定律可以得到氣體擴散組分方程：

(6)

ω為每種故障氣體的質(zhì)量分數(shù)，Dm為湍流擴散系數(shù)。

1.3初始條件

設(shè)置氣室內(nèi)壓力為0.4Mpa(大部分GIS設(shè)備的實際壓力)，GIS氣室內(nèi)的溫度設(shè)定為300K(接近室內(nèi)GIS變電站環(huán)境溫度)，求解方法選取為非耦合非穩(wěn)態(tài)，GIS設(shè)備模型封閉即故障氣體在封閉體系內(nèi)自由擴散，其擴散只依靠濃度差和分子熱運動實現(xiàn)。不考慮GIS設(shè)備內(nèi)部空間上的母線及其他部件對擴散的影響，定義故障氣體擴散均勻的條件是設(shè)備內(nèi)部故障氣體濃度差小于等于1μL·L-1。分別研究以下2種場景：SO2氣體擴散、H2S氣體擴散。2種場景分別研究6種不同的濃度的差別，最后得出結(jié)果并給出結(jié)論。

2 仿真結(jié)果和分析

2.1 SO2擴散模擬

為仿真模擬GIS設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生局放故障時SF6氣體分解產(chǎn)生的分解物的擴散特性，假定本體內(nèi)先前并無故障氣體產(chǎn)生，只存在有SF6氣體。當設(shè)備內(nèi)部發(fā)生故障時，在設(shè)備左下邊緣位置(0.1m，-0.225m，0m)處產(chǎn)生了總量為0.0002L的SO2氣體。基于FLUENT仿真模擬得到了SO2氣體從故障發(fā)生位置擴散至充滿整個GIS設(shè)備的過程，結(jié)果如圖3-5所示。

圖3 封閉體系下，Z=0切面，t=500s時SO2濃度場Fig.3 SO2 concentration field when Z=0 section andt=500s in the closed system

圖4 封閉體系下，Z=0切面，t=6000s時SO2濃度場Fig.4 SO2 concentration field when Z=0 section andt=6000s in the closed system

圖5 封閉體系下，Z=0切面，t=12500s時SO2濃度場Fig.5 SO2 concentration field when Z=0 section andt=12500s in the closed system

封閉體系中，在擴散初期即擴散時間為500s時，設(shè)備內(nèi)部SO2氣體濃度由最初的5000μL·L-1下降至90.7μL·L-1， SO2氣體在設(shè)備內(nèi)部呈現(xiàn)一定的濃度梯度，由上至下、由大到小，設(shè)備頂部有最大濃度，大小為90.7μL·L-1，設(shè)備底部存在最小濃度，大小為1.84μL·L-1。擴散時間來到6000s時即擴散到達中期，設(shè)備內(nèi)部最大濃度僅為40.2μL·L-1，此時取氣口處濃度最大，設(shè)備底部濃度最小，最小濃度也達到了30.2μL·L-1。當擴散來到12500s時，此時設(shè)備內(nèi)部SO2氣體的濃度最高為35.5μL·L-1，濃度最低為34.5μL·L-1，認為擴散達到均勻。

表1 不同SO2濃度下擴散均勻的時間及最大最小濃度Tab.1 The time required for uniform diffusion and the maximum and minimum concentration under different SO2 concentrations

當設(shè)備內(nèi)部SO2濃度分別為5000、2000、1000、500、200、100μL·L-1時，其他條件不變，擴散達到均勻所消耗的時間依次為12500s、7930s、6130s、3940s、2830s、1950s。

2.2 H2S擴散模擬

同2.1，封閉體系下，產(chǎn)生的H2S氣體總量為0.0002L，基于FLUENT仿真模擬得到了H2S氣體從故障發(fā)生位置擴散至充滿整個GIS設(shè)備的過程，結(jié)果如圖6-8所示。

圖6 封閉體系下，Z=0切面，t=500s時H2S濃度場Fig.6 H2S concentration field when Z=0 section andt=500s in the closed system

圖7 封閉體系下，Z=0切面，t=6000s時H2S濃度場Fig.7 H2S concentration field when Z=0 section andt=6000s in the closed system

圖8 封閉體系下，Z=0切面，t=10740s時H2S濃度場Fig.8 H2S concentration field when Z=0 section andt=10740s in the closed system

封閉體系中，在擴散初期即擴散時間為500s時，設(shè)備內(nèi)部H2S氣體濃度由最初的5000μL·L-1下降至83.1μL·L-1，H2S氣體在設(shè)備內(nèi)部呈現(xiàn)濃度梯度，由上至下、由大到小，設(shè)備頂部有最大濃度，大小為83.1μL·L-1，設(shè)備底部存在最小濃度，大小為3.73μL·L-1。擴散時間來到6000s時即擴散到達中期，設(shè)備內(nèi)部最大濃度僅為38.1μL·L-1，此時取氣口處濃度最大，設(shè)備底部濃度最小，最小濃度也達到了33.8μL·L-1。當擴散來到10740s時，此時設(shè)備內(nèi)部H2S氣體的濃度最高為35.6μL·L-1，濃度最低為34.6μL·L-1，認為擴散達到均勻。

當設(shè)備內(nèi)部H2S濃度分別為5000、2000、1000、500、200、100μL·L-1時，其他條件不變，擴散達到均勻所消耗的時間依次為10740s、7020s、5850s、3290s、2620s、1710s。

表2 不同H2S濃度下擴散均勻的時間及最大最小濃度Tab.2 The time required for uniform diffusion and the maximum and minimum concentration under different H2S concentrations

2.3 各監(jiān)測點濃度隨時間變化

為了進一步研究SF6電氣設(shè)備內(nèi)部的SO2和H2S的擴散特性，在模型內(nèi)部設(shè)置8個監(jiān)測點，以模型右平面中心為原點，各監(jiān)測點坐標如下表3所示。

表3 各監(jiān)測點坐標Tab.3 Coordinates of each monitoring point

仿真得到各監(jiān)測點濃度隨時間變化規(guī)律，如圖9和圖10所示。由圖9可以明顯看出，在最初擴散的2000s內(nèi)，監(jiān)測點E的SO2濃度變化趨勢最大，濃度變化趨勢為先增大后減小，最大濃度達到了158.9μL·L-1，A、C、D和G四個監(jiān)測點濃度變化趨勢相近，濃度呈現(xiàn)波動性上升趨勢，B、F和H三個監(jiān)測點SO2濃度變化趨勢相近，呈現(xiàn)為隨時間緩慢上升的趨勢。在接下來的擴散時間內(nèi)，各監(jiān)測點的濃度繼續(xù)變化，慢慢地趨于穩(wěn)定，最終達到擴散均勻，擴散均勻時各監(jiān)測點濃度基本維持在35.0μL·L-1的一個水平。結(jié)合SO2擴散路徑和各監(jiān)測點濃度變化趨勢可知，SO2擴散先由設(shè)備左下邊緣向上擴散，設(shè)備頂部濃度高，監(jiān)測點G位于設(shè)備頂部，所以G點的濃度變化最大，接著在濃度差和分子熱運動的驅(qū)使下，由上往下擴散，所以A、C、D和G四個監(jiān)測點濃度變化趨勢次之，而B、F三個監(jiān)測點均位于設(shè)備底部，所以SO2濃度變化趨勢很小，而監(jiān)測點H位于取氣口處，但是取氣口空間較小，擴散減慢，所以濃度變化也小。

圖9 封閉體系下，各監(jiān)測點SO2濃度隨時間變化趨勢Fig.9 The trend of SO2 concentration at each monitoring point in a closed system over time

由圖10可以看出，在擴散開始的2000s內(nèi)，監(jiān)測點E的H2S濃度趨勢最大，濃度變化趨勢同樣為先增大后減小，最大濃度為165.2μL·L-1，A、C、D和G四個監(jiān)測點H2S濃度變化趨勢相近，呈現(xiàn)為波動上升的趨勢，B、F和H三個監(jiān)測點H2S濃度變化趨勢相近，隨時間增加H2S濃度緩慢上升。在接下來的擴散時間內(nèi)，各監(jiān)測點H2S濃度逐漸趨于穩(wěn)定，最終達到擴散均勻，擴散均勻后各監(jiān)測點濃度穩(wěn)定在35.0μL·L-1。同樣，結(jié)合H2S擴散路徑與各監(jiān)測點濃度變化趨勢分析，兩種故障特征組分氣體的擴散路徑相同， 所以各監(jiān)測點濃度變化趨勢與SO2相同，但由于擴散速率不同，所以各監(jiān)測點的濃度大小有差異。

圖10 封閉體系下，各監(jiān)測點H2S濃度隨時間變化趨勢Fig.10 The trend of H2S concentration at each monitoring point in a closed system over time

為了對比設(shè)備內(nèi)部SO2和H2S氣體擴散的差異，從表3中8個監(jiān)測點選出3個最具代表性的監(jiān)測點，監(jiān)測點的選取遵循以下原則，從三個平面中各選擇一個點，所選的代表性監(jiān)測點為A、B和D，結(jié)果如圖11所示。第一幅為監(jiān)測點D，由圖可知，D點SO2和H2S氣體擴散趨勢相同，但二者最大濃度不同。SO2氣體的最大濃度為62.8μL·L-1，H2S氣體的最大濃度為69.8μL·L-1。因為H2S擴散達到均勻的時間比SO2短，所以擴散速率更快，所以在同一時間擴散到G點濃度更大。中間為監(jiān)測點B，由圖可知，兩者濃度變化情況基本一致，因為監(jiān)測點B位于設(shè)備底部。最后一幅為監(jiān)測點A，SO2和H2S氣體擴散趨勢相同，呈現(xiàn)為波動性上升。SO2氣體最大濃度為53.1μL·L-1，H2S氣體最大濃度為43.2μL·L-1。因為監(jiān)測點A位于設(shè)備中部，濃度隨時間的變化波動較大。各監(jiān)測點整體的趨勢均為隨時間變化濃度逐漸上升，最終達到擴散均勻。

圖11 3個代表性監(jiān)測點SO2和H2S濃度對比Fig.11 Comparison of SO2 and H2S concentrations at 3 representative monitoring points

為了與工程實際中特征組份氣體檢測技術(shù)相結(jié)合，進一步分析了故障氣體擴散到取氣口時的濃度跟時間的變化趨勢，結(jié)果如圖12所示。針對故障氣體在線監(jiān)測設(shè)備來說，精度一般為1μL·L-1，根據(jù)監(jiān)測點的數(shù)據(jù)，得到不同濃度、兩種故障氣體在取氣口處達到1μL·L-1的時間，結(jié)果如下表4所示。

圖12 封閉體系下，不同特征組份氣體取氣口濃度隨時間變化情況Fig.12 Variation of inlet concentration of different characteristic components with time under the closed system

表4 取氣口處濃度達到1μL·L-1的時間Tab.4 The time when the concentration reached 1μL·L-1 at the sample connection

由圖12可以發(fā)現(xiàn)，在封閉體系下，SO2和H2S氣體在取氣口處濃度變化趨勢基本一致。在擴散初期的100s內(nèi)，取氣口SO2和H2S氣體濃度為0，在100s-3000s擴散時間里， SO2和H2S氣體的濃度逐漸上升，在3000s-10000s擴散時間里，2種氣體的濃度逐漸趨于穩(wěn)定，最終維持在35.5μL·L-1水平，說明設(shè)備本體中故障氣體擴散趨于穩(wěn)定。

2.4 結(jié)果分析

由上述分析可知，SO2氣體的整體擴散路徑為由下往上、由左往右。擴散初期SO2氣體由于密度差從設(shè)備下方向上擴散，存在設(shè)備上方濃度高，下方濃度低的濃度梯度。擴散中期SO2氣體依靠濃度差和分子熱運動繼續(xù)擴散，最終達到擴散均勻。

H2S氣體的整體擴散路徑也是由下往上、由左往右。擴散初期H2S氣體由于密度差從設(shè)備下方向上擴散，存在設(shè)備上方濃度高，下方濃度低的濃度梯度。擴散中期H2S氣體依靠濃度差和分子熱運動繼續(xù)擴散，最終達到擴散均勻。

現(xiàn)有的檢測標準中，檢測氣體組分的精度一般為1μL·L-1，本文得到SO2和H2S擴散到取氣口的時間，在工程實際中設(shè)備發(fā)生故障后，可為工程人員檢測氣體組分的時間和數(shù)據(jù)的可靠性研究提供依據(jù)，但故障較輕時，所產(chǎn)生的故障氣體濃度也小，取氣口檢測到故障氣體濃度可能低于1μL·L-1，在現(xiàn)有的檢測技術(shù)條件下，檢測不到故障氣體，從而無法及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部故障。

3 結(jié)論

為了研究GIS設(shè)備氣室內(nèi)部在發(fā)生局放或過熱等故障時，產(chǎn)生的表征故障的氣體在設(shè)備內(nèi)部的擴散特性，本文運用CFD技術(shù)，利用FLUENT仿真模擬得到了SO2和H2S氣體的擴散情況。同時對兩種故障氣體進行了定性和定量的分析，基于FLUENT仿真模擬得到了兩種故障氣體在GIS設(shè)備氣室內(nèi)部的擴散規(guī)律、濃度大小、擴散均勻的時間以及故障氣體擴散到取氣口達到監(jiān)測設(shè)備能檢測出的時間。本文所做工作可與現(xiàn)有的特征組分氣體檢測技術(shù)相配合，為準確判斷設(shè)備內(nèi)部潛伏性故障提供理論依據(jù)，同時，在后續(xù)工作中，本文可為判斷GIS設(shè)備內(nèi)部故障嚴重性、預(yù)測故障產(chǎn)生時間等研究提供一定理論支撐。但本文只研究了簡單模型背景下GIS設(shè)備中SO2和H2S氣體的濃度、時間的一定規(guī)律，與真實設(shè)備還是存在一定的差距，后續(xù)可繼續(xù)研究復(fù)雜模型下的GIS設(shè)備中更多的故障氣體的擴散特性。