不同絕緣氣體下中壓開關柜溫升特性研究

孫利雄，趙莉華，趙 虎

(1.云南電網(wǎng)有限責任公司保山供電局，云南 保山 678000；2.四川大學電氣工程學院，四川 成都 610065；3.西北工業(yè)大學自動化學院，陜西 西安 710072)

0 引言

中壓氣體絕緣開關柜是分配電能的重要開關設備，直接關系著電網(wǎng)的安全可靠運行，近年來廣受關注[1]。據(jù)統(tǒng)計，95%的氣體絕緣開關柜采用SF6氣體作為開關柜的絕緣介質[2]，因其占地面積小、維護次數(shù)少以及不受外界環(huán)境影響等性能成為高原、沿海等惡劣環(huán)境地區(qū)的首選方案。SF6是一種惰性氣體，絕緣和消弧性能優(yōu)良，但其對大氣也造成一定的影響[3]。近年來，伴隨著對國家環(huán)保力度的加大、公眾環(huán)保意識的提高以及深入人心的綠水青山理念，應用環(huán)保氣體的中壓氣體絕緣開關柜逐漸成為了目前一種有效的解決方案。

國內(nèi)外學者針對SF6替代氣體進行了大量研究。賈申利等[4]從電弧半徑、電弧電壓和電弧溫度的角度，對比分析了CO2、N2和SF6氣體的燃弧特性，認為CO2的滅弧特性較N2更接近于SF6；閆飛越等[5]建立了SF6/N2混合氣體的絕緣強度和純SF6絕緣強度之間的關系；李美等[6]從壓力上升、電弧電壓、電弧注入能量和輻射能量4個方面研究了空氣、SF6、CO2和N2這4種不同絕緣氣體對密閉腔體故障電弧引起的壓力特性的影響；Stoller等[7]研究了CO2在斷路器中的熱中斷性能和電弧后的介電恢復能力，并對比分析了空氣和SF6，結果表明CO2滅弧能力較好；Aanensen等[8]分析了空氣在不同電流下的開斷能力，并討論了開斷能力的影響因素：觸點、噴嘴尺寸和空氣流速。此類文獻主要從飽和蒸氣壓、滅弧能力等方面討論了SF6替代氣體的合理性。

溫升是影響開關設備安全可靠性的重要指標，長期發(fā)熱會造成開關柜過熱、電氣和絕緣性能降低，因而在SF6替代氣體的溫升方面學者們也進行了一定研究。趙婧等[9]基于12 kV干燥空氣氣體絕緣開關柜熱分析模型，對比分析了干燥空氣和SF6這2種氣體下的溫度場和流場分布情況，并提出了開關柜優(yōu)化方法；吳小忠等[10]針對氮氣絕緣開關設備大電流工況進行了溫升仿真研究，通過結構優(yōu)化、增大散熱面積系數(shù)等控制方法降低了開關柜整體溫升；彭波[11]結合熱力學仿真和DOE試驗設計的方法，研究了12 kV干燥空氣氣體絕緣開關柜的溫度場和流場分布情況，對比驗證了運動黏度、結構厚度對溫升影響的顯著性；楊楨等[12-13]建立了SF6/N2混合氣體的單相GIS母線多物理場耦合模型，并針對負載電流、環(huán)境溫度、氣體壓強和SF6氣體組成等溫升影響因素進行研究，并加以實驗驗證。

總體來說，現(xiàn)階段的國內(nèi)外研究大多研究了SF6替代氣體的絕緣性能和滅弧能力，以及對單種環(huán)保氣體進行溫升特性研究并進行結構優(yōu)化，而對不同環(huán)保氣體溫度場和流場分布特性的對比研究較少，缺少從溫升特性角度討論替代氣體的可行性。本文以KYN28-12型中壓開關柜為研究對象，運用有限元分析的方法建立開關柜的三維溫度場和流場耦合分析模型，對比研究干燥空氣、N2和SF6這3種絕緣氣體下氣體絕緣中壓開關柜的溫度場和流場分布特性，分析干燥空氣和N2在溫升角度替代SF6的合理性。

1 中壓開關柜仿真模型的建立

本文采用KYN28-12型中壓開關柜為研究對象，對其進行建模和仿真分析。

1.1 物理模型

本文探究的是不同絕緣氣體下開關柜溫升特性的變化。中壓氣體絕緣開關柜通電導體部分包括主母排、分支母排、動靜觸頭、斷路器導體、電流互感器導體以及電纜室電纜。因為導體件的圓孔、腰圓孔和圓角等結構的設計以及電場分布的優(yōu)化，對銅排歐姆損耗的影響很小，所以為了優(yōu)化計算量，可以忽略各種裝配孔。機柜內(nèi)電流互感器本身的溫升要求已經(jīng)有明確的規(guī)定，發(fā)熱量影響整個溫度場分布的可能性較小，而接地開關在正常運行時不進行投運，故均忽略[14]。將柜體簡化為平板，忽略儀表室內(nèi)的二次設備。簡化后的開關柜模型即為本文仿真所采用的物理模型，如圖1所示。

圖1 中壓開關柜物理模型

1.2 數(shù)學模型

本文首先建立電磁場模型以求解開關柜通電導體內(nèi)部的電場和所產(chǎn)生的焦耳熱量，即模型中的主要熱源。其次，基于溫度場數(shù)學模型，描述通電導體內(nèi)部熱量的傳導以及導體與周圍氣體及絕緣材料之間的熱傳遞，即開關柜內(nèi)的熱傳導過程。根據(jù)前述分析，在自然重力的作用下，冷熱氣體交換形成自然對流，因此本文建立流體動力學模型用以求解氣體的熱對流。

在電磁場模型中，求解開關柜通入指定電流后的電勢分布情況為

(1)

J為電流密度矢量；E為電場強度矢量；D為電位移矢量；Qj,v為電荷量；σ為電導率；V為電勢。

開關柜發(fā)熱主要受電阻、介電和鐵損耗等因素所影響。其中，中壓開關柜介電損耗較小，故忽略不計。根據(jù)文獻[15]，計算時可忽略鐵損耗，僅考慮電阻損耗，即

P=KfI2RRMS

(2)

Kf為交流附加加熱系數(shù)；RRMS為導體回路電阻。

在溫度場模型中，熱傳遞主要有傳熱、對流和輻射等過程。根據(jù)仿真對比分析發(fā)現(xiàn)，熱輻射對于開關柜溫升變化影響較小，因此在熱分析過程中僅考慮熱傳導和熱對流對溫升的影響。開關柜的真空滅弧室內(nèi)部為真空狀態(tài)，因此不存在氣體的對流散熱過程，只有導體內(nèi)部的熱傳導。式(3)用以模擬導體內(nèi)部以及導體與氣體、絕緣材料之間的熱傳導過程，即

(3)

k為材料的導熱系數(shù)；ρ為材料的密度；Cp為材料的恒壓熱容；u是流體速度場；Q為熱量；q為每單位體積產(chǎn)生的能量。

在流體動力學模型中，熱源產(chǎn)生熱量，加熱零部件周圍的氣體，使氣體在重力作用下流動，氣體的流動促進了導電回路的散熱，從而形成了自然對流過程。假設氣體流動的廣義雷諾數(shù)足夠小，整個內(nèi)部空間處于層流狀態(tài)，因此，針對自然對流建立氣體的質量傳遞、動量傳遞和能量傳遞的過程。

質量守恒方程為

(4)

動量守恒方程即納維-斯托克斯方程為

(5)

其中，在流體狀態(tài)下，p為壓力；μ為動力黏度；g為重力加速度；u為慣性力；?p為壓力；T為溫度。

能量守恒方程為

(6)

其中，Φ為損耗函數(shù)。

1.3 邊界條件及模型參數(shù)設置

本文假設氣體流動的廣義雷諾數(shù)足夠小，處于層流狀態(tài)，且氣體為可壓縮流體。在流場計算中，設置無滑移邊界條件，氣體流動為弱可壓縮流動。

在重力或其他力場中，自然對流指的是由氣體密度變化不均勻所產(chǎn)生的浮力，促使其運動。因此本文在模擬中壓開關柜內(nèi)的氣體自然對流時，氣體的密度隨溫度的變化而改變，而理想氣體狀態(tài)方程為

pV=nRT

(7)

其中，在理想氣體狀態(tài)下，p為壓強；V為體積；n為物質的量；R為常數(shù)，其值為8.314 J/(mol·K)。根據(jù)式(7)得出氣體密度為

(8)

ρ為空氣密度；pht.A為固體和流體傳熱模塊求解出的壓強；Mw為氣體物質的量。

在本文仿真中，環(huán)境溫度設置為20 ℃，充氣壓力為0.1 MPa。除開關柜內(nèi)部自然對流過程，開關柜外壁面與外部氣體同樣進行對流換熱過程，本文通過設定對流換熱系數(shù)h模擬求解此過程，其中h=5.0 W/(m2·K)。而對于開關柜內(nèi)部的自然對流，本文將固體、液體傳熱模塊與層流模塊結合起來，分別用質量、動量守恒和能量守恒方程對其進行耦合求解。

中壓開關柜模型中各相關材料的基本屬性參數(shù)如表1所示。

表1 材料屬性參數(shù)

研究表明，接觸電阻遠大于母排本身的電阻，是導體回路電阻的重要組成部分。正常工作情況的接觸電阻值如表2所示。

表2 接觸電阻參數(shù)

1.4 網(wǎng)格劃分

導體回路的發(fā)熱以及氣體流場的分布是本文求解的重點。因此本文的溫度場和流場網(wǎng)格劃分方法相同，均采用自由四面體網(wǎng)格剖分，劃分順序為：首先剖分梅花觸頭，接著依次劃分通電導體、斷路器部分、絕緣外殼、開關柜體及擋板，最后對柜內(nèi)氣體進行網(wǎng)格劃分。最終整體模型的網(wǎng)格數(shù)約為300萬，網(wǎng)格劃分效果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分效果

2 仿真結果分析

根據(jù)1.3節(jié)所述，本文溫度場仿真的初始值設為20 ℃，充氣壓力為0.1 MPa。為滿足溫升穩(wěn)定的條件，仿真時長設定為180 min，步長5 min。根據(jù)GB3906和DL/T593要求，在開關柜溫升試驗中，需設定1 375 A工頻電流。在開關柜內(nèi)，通電導體回路是其主要熱源，溫升往往較高，因此本文選取溫度最值以及進線母排接觸處、梅花觸頭接觸處、斷路器觸頭接觸處和電纜觸頭作為測溫點來分析不同絕緣氣體下開關柜的溫度場和流場分布特性。

2.1 溫度場分布特性對比

在干燥空氣、N2和SF6此3種絕緣氣體環(huán)境下，開關柜通電導體的溫升云圖如圖3所示。

圖3 不同氣體下通電導體溫度分布圖

由圖3可知，溫度最高部分均集中在A相斷路器觸頭處，干燥空氣下最高溫度為43.34 ℃，N2中最高溫度為43.42 ℃，而SF6中最高溫度為34.54 ℃；最低溫度集中在電纜夾處，干燥空氣下最低溫度為20.92 ℃，N2中最低溫度與干燥空氣下一致，而SF6中最低溫度為20.43 ℃。造成溫度高低差異的主要原因有接觸電阻大小不等以及周圍氣體流動情況不同。接觸電阻越高，產(chǎn)生的熱量越大，其溫升就越高。如圖3中斷路器觸頭處接觸電阻最大，且熱傳遞形式僅為熱傳導，則溫度較高。同時熱量在通電導體間傳導，從溫度較高的零件傳遞給溫度較低的零件，所以使得回路中與斷路器觸頭相連的導電桿和梅花觸頭溫度值較高。

為進一步分析在不同絕緣氣體下通電導體的溫度分布特性，本文給出了在各氣體下，各測溫點溫升曲線如圖4所示。結合圖3可以發(fā)現(xiàn)在不同氣體下，上梅花觸頭的溫升均要高于下梅花觸頭，溫差約為0.80 ℃。在不同絕緣氣體下，開關柜通電導體的溫度分布規(guī)律相同，各部位溫升從高到低依次為斷路器觸頭、上梅花觸頭、下梅花觸頭、進線母排接觸處以及電纜觸頭。

圖4 不同氣體下各測溫點溫升曲線

結合前文所述，選取不同氣體絕緣下，開關柜內(nèi)同一處測溫點溫度進行對比分析，如表3所示。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，SF6環(huán)境下通電導體溫升普遍低于干燥空氣和N2環(huán)境。

表3 測溫點溫升對比 ℃

3種氣體環(huán)境下中壓氣體絕緣開關柜的通電導體回路的溫度分布基本一致，上梅花觸頭溫升高于下梅花觸頭，各部位溫升從高到低依次為斷路器觸頭、上梅花觸頭、下梅花觸頭、進線母排接觸處以及電纜觸頭。干燥空氣和N2的溫升極為接近，溫升差小于1.00 ℃，而SF6氣體溫升最低，較干燥空氣和N2低約5.00～9.00 ℃。

如果通電導體產(chǎn)生的熱量相同，則氣體的對流散熱能力就決定了不同氣體下開關柜的整體溫升。衡量氣體對流散熱能力的參數(shù)主要為對流換熱系數(shù)，隨著對流換熱系數(shù)的增大，能夠有效確保散熱效果并降低溫升，反之，無法保證散熱效果且溫升較高。隨著流體密度和定壓熱容的增加，流換熱系數(shù)隨之增大，而隨著動力黏度的減小，流換熱系數(shù)隨之降低。由于SF6氣體的密度和定壓熱容大于空氣和N2，而動力黏度最小，因此SF6對流換熱系數(shù)最大，N2和干燥空氣對流換熱系數(shù)近似，因而SF6下開關柜整體溫升最低，干燥空氣和N2環(huán)境下溫升近似。從溫升角度看，N2和干燥空氣可以作為SF6的替代氣體，且N2和干燥空氣之間散熱性能接近。

2.2 流場分布特性對比

本文選取3種氣體環(huán)境下開關柜XY截面流速分布情況進行展示分析，XY截面穿過導體回路B相的中軸線，將柜體平分為前后2部分，如圖5所示。圖5中背景底色為開關柜內(nèi)該點氣體的流動速率，箭頭線為氣體流動方向，白色曲線為氣體流線，較為直觀體現(xiàn)出氣體的流動軌跡。

圖5 不同氣體下XY截面流速分布

通過對比3種氣體環(huán)境下的流速分布，可以發(fā)現(xiàn)在不同氣體環(huán)境下開關柜流場分布規(guī)律基本一致。各室氣體都有流向通電導體熱源的趨勢。通電導體散發(fā)熱量，加熱周圍氣體，導致導體周圍的氣體溫度較其他區(qū)域快速升高，溫度升高氣體密度和氣壓減小，因而熱氣體上升。當氣體到達上壁面后，氣體與柜體壁面的溫差使氣體在靠近壁面的兩側沿著壁面向下流動，到達底部再一次形成回流向上流動，各室均產(chǎn)生了氣體環(huán)流現(xiàn)象。

盡管流場分布規(guī)律基本一致，但各氣體流速大小不等。其中干燥空氣和N2的流速接近，最高流速為0.16 m/s，而SF6氣體的流速略低，最高流速為0.12 m/s。氣體流速快慢的主要因素是通電導體表面溫度以及氣體的動力黏度。通電導體表面溫度越高，周圍氣體的溫度越高，流速也越快。當動力黏度減小時，氣流在流動過程中的阻力也隨之減小，所以流速加快，反之，流速緩慢。由2.1節(jié)分析可知，通電導體溫升從低到高分別為電纜觸頭、進線母排接觸處、梅花和斷路器觸頭。在斷路器手車室內(nèi)，由于斷路器觸頭中為真空環(huán)境，其附近不存在氣體自然對流，因此其周圍空氣流動緩慢；梅花觸頭上方的空氣流速最高，上下觸頭盒之間氣體流動也較為快速；在母線室和電纜室內(nèi)，母排上方和電纜周圍的空氣受熱源影響，流速也較高；而儀表室內(nèi)不存在熱源，雖然存在環(huán)流現(xiàn)象但流速較為緩慢。3種氣體比較：SF6黏度最小，N2黏度稍小于空氣；且由2.1節(jié)可知，通電導體的溫度在SF6中最低，N2中溫度與空氣中溫度接近。所以，受這2個因素的共同作用，導致3種氣體中SF6的流速緩慢，而干燥空氣流速與N2幾乎相同。

3 結束語

模擬了中壓氣體絕緣開關柜在3種氣體環(huán)境下的溫度場和流場分布情況，結果表明3種氣體環(huán)境下的溫度場分布相似，開關柜各部位溫升從高到低依次為斷路器觸頭、上梅花觸頭、下梅花觸頭、進線母排接觸處和電纜觸頭。其中，上下梅花觸頭處溫差約為0.80 ℃左右；斷路器觸頭處由于接觸電阻值高且自身散熱條件差，因而溫升最高；干燥空氣和N2的溫升接近，SF6氣體溫升最小，較干燥空氣和N2低約5.00～9.00 ℃。3種氣體的流場分布規(guī)律也基本一致，但SF6氣體流速較慢，最高0.12 m/s，干燥空氣和N2的流速類似，最高流速0.16 m/s。這是由于SF6氣體密度和定壓熱容大于空氣和N2，而動力黏度最小，因而對流換熱系數(shù)最高，導致相同溫升情況下所需熱量更多；SF6溫升最低，而動力黏度最小，綜合作用下SF6流速也略低于干燥空氣和N2。

通過比較3種氣體下開關柜溫度場和氣流場的分布情況，從溫升方面考慮，在滿足絕緣條件前提下，由于干燥空氣與N2中溫升要高出SF6氣體5.00～9.00 ℃，因此使用空氣、N2作為開關柜的絕緣氣體替代SF6氣體是可行的，但需要注意由此帶來更高的溫升，本文流場分布特性可為干燥空氣和N2開關柜降低溫升研究提供一定的理論依據(jù)。