基于混合氣體熱特性的GIL氮?dú)馐褂门浔妊芯?/h1>
2022-05-26 09:11:06龐樂(lè)樂(lè)楊文勇李鵬飛郭曉飛高鵬梁睿
電力工程技術(shù) 2022年3期
龐樂(lè)樂(lè)， 楊文勇， 李鵬飛， 郭曉飛， 高鵬， 梁睿
(1. 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司，河北 張家口 075000；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)
0 引言
氣體絕緣輸電線(xiàn)路(gas insulated transmission lines，GIL)具有電壓等級(jí)高、傳輸容量大、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1—3],在電力系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前，GIL主要使用純SF6氣體作為絕緣氣體，但大量研究發(fā)現(xiàn)，SF6的全球變暖潛能值是CO2的23 900倍，且其在大氣中的降解過(guò)程可以達(dá)到3 200 a左右[4—6]，這表明SF6是一種溫室效應(yīng)顯著且在大氣中難以分解的惰性氣體。為應(yīng)對(duì)全球氣候變暖問(wèn)題，歐盟相關(guān)國(guó)家明確規(guī)定：截止2030年，歐盟國(guó)家境內(nèi)SF6排放量控制到2014年排放量的1/3。我國(guó)也制定了“碳達(dá)峰，碳中和”的國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)，因此，整個(gè)電力行業(yè)亟須減少SF6的使用。
目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)SF6混合氣體與替代氣體已進(jìn)行了大量研究?，F(xiàn)有的新型氣體CF3I，C4F7N和c-C4F8的絕緣性能研究還不完善，且易受不均勻電場(chǎng)的影響[7—9]。與SF6混合氣體相比，CF3I的伏秒特性受電場(chǎng)不均勻程度的影響更大[6]，c-C4F8混合氣體的液化溫度低，不能用于低溫和高海拔地區(qū)[10]。與以上新型氣體相比，SF6混合氣體更適宜成為純SF6的可行替代氣體，SF6/N2混合氣體具有絕緣性能好、液化溫度低、電場(chǎng)均勻性靈敏度高、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益好等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景[11]，同時(shí)SF6/N2混合氣體能在較大的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，可應(yīng)用于寒冷地區(qū)[12]。
針對(duì)SF6/N2混合氣體的氣體絕緣和氣體擊穿等，目前已取得了豐富的研究成果[13—16]。研究發(fā)現(xiàn)，隨著壓強(qiáng)的增加，不同混合比的SF6/N2混合氣體的擊穿電壓線(xiàn)性增加，并趨于穩(wěn)定，且SF6含量為10%～20%時(shí)即可保持足夠的絕緣能力[17]。然而，在滿(mǎn)足設(shè)備絕緣能力的前提下，以SF6/N2為絕緣氣體的GIL在不同條件下的熱特性研究還相對(duì)較少，且均未研究不同條件下滿(mǎn)足工程需要的SF6/N2混合比方案。
因此，文中在滿(mǎn)足GIL絕緣能力的前提下，采用有限元法，結(jié)合GIL和材料熱物性參數(shù)以及邊界條件建立單相三維GIL仿真模型。利用該模型，通過(guò)改變絕緣氣體壓力、負(fù)載電流、環(huán)境溫度，研究了不同條件下，不同SF6/N2混合比對(duì)GIL溫升特性的影響，從而為不同條件下SF6/N2混合比的確定提供了使用依據(jù)，對(duì)降低SF6的使用量、減少對(duì)環(huán)境的影響具有重要意義。
1 GIL溫升仿真模型建立
以1 100 kV GIL為研究對(duì)象，包括鋁合金材料的導(dǎo)體和外殼，盆式絕緣子，觸頭，絕緣氣體和支撐絕緣子等部分。
1.1 電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算
在GIL導(dǎo)體流經(jīng)負(fù)載電流時(shí)導(dǎo)體和殼體均會(huì)產(chǎn)生焦耳熱損耗，因此通過(guò)麥克斯韋方程組求解，其控制方程表達(dá)式如下[18]：
(1)
式中：Js為電流密度；μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率；ρ為導(dǎo)體電導(dǎo)率；A為磁矢位；ω為角頻率。在計(jì)算導(dǎo)體的焦耳熱損耗時(shí)，由于外殼接地的屏蔽作用，GIL導(dǎo)體的鄰近效應(yīng)系數(shù)為1，阻抗較小。因此，不平衡電流的影響可以忽略不計(jì)，只考慮集膚效應(yīng)[19]。
計(jì)算殼體熱損耗時(shí)，由于電磁感應(yīng)，GIL外殼上產(chǎn)生2種感應(yīng)電流，即外殼接地引起的殼體環(huán)流和在殼體橫截面內(nèi)的渦流。全連式結(jié)構(gòu)的渦流損耗在工程計(jì)算中可以忽略不計(jì)[20]。GIL導(dǎo)體與殼體單位體積下的損耗為[21]：
(2)
(3)
式中：Pdv，Pkv分別為導(dǎo)體、殼體單位體積焦耳熱功率；Id為導(dǎo)體電流;Ik為殼體感應(yīng)電流；Rd，Rk分別為導(dǎo)體、殼體電阻值；Sd，Sk分別為導(dǎo)體、殼體的橫截面積。
1.2 溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算
為簡(jiǎn)化計(jì)算，考慮GIL的工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)，作出以下假設(shè)：(1) 由于絕緣氣體和空氣的流速遠(yuǎn)低于聲速，可將其視為不可壓縮粘性流體處理。(2) 對(duì)于單相GIL，導(dǎo)體和殼體材質(zhì)各向同性，熱損耗在其內(nèi)部均勻分布。(3) GIL絕緣氣體處于自然對(duì)流狀態(tài)，即因溫度差而導(dǎo)致絕緣氣體存在密度差，造成氣體流動(dòng)。(4) 空氣域的外邊界溫度為環(huán)境溫度，不受GIL內(nèi)部發(fā)熱的影響。
當(dāng)產(chǎn)生的熱量與交換的熱量相同時(shí)認(rèn)為GIL處于熱平衡狀態(tài)，GIL熱交換過(guò)程如圖1所示，熱平衡公式為式(4)和式(5)。
圖1 GIL熱交換過(guò)程Fig.1 Heat exchange process of GIL
Pd+Pk=QkF+QkD
(4)
Pd=QdF+QdD
(5)
式中：Pd為導(dǎo)體焦耳熱損耗；Pk為殼體渦流損耗；QkF為殼體輻射散熱量；QkD為殼體對(duì)流散熱量；QdF為導(dǎo)體輻射散熱量；QdD為導(dǎo)體對(duì)流散熱量。
GIL外殼和導(dǎo)體內(nèi)部的傳熱主要由熱傳導(dǎo)控制方程表示，當(dāng)分析由于GIL載流量變化引起的溫度變化過(guò)程時(shí)，由于載流量是時(shí)間的函數(shù)，所以傳熱微分方程也應(yīng)包括時(shí)間。GIL熱傳導(dǎo)控制方程為[22]：
(6)
式中：ρT為導(dǎo)體或殼體在溫度T時(shí)的材料密度；Cp為恒壓熱容；λT為溫度T時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)；T為實(shí)際溫度；Q為熱損耗；t為運(yùn)行時(shí)間。
GIL與空氣域之間的對(duì)流換熱可以等效為大空間內(nèi)水平圓柱體的對(duì)流換熱，因此邊界條件為：
qk=hk(Tk-Tkq)
(7)
式中：qk為殼體與外部空氣的對(duì)流換熱量；Tk為殼體溫度；Tkq為空氣域溫度;hk為對(duì)流換熱系數(shù)。hk受許多因素影響，如氣體流速、溫度、特征尺寸等。hk由兩部分組成，即不考慮氣流的自然對(duì)流換熱系數(shù)hkD和考慮氣流的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)hkF。
GIL導(dǎo)體與外殼之間以及外殼對(duì)空氣的熱輻射可以根據(jù)前面的假設(shè)和Stefan-Boltzmann定律來(lái)計(jì)算[23]：
(8)
(9)
式中：qdk為導(dǎo)體與外殼之間的熱輻射；qkF為外殼對(duì)空氣的熱輻射；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)；εd0，εk，εk0分別為導(dǎo)體外表面、外殼內(nèi)表面和外殼外表面的表面發(fā)射率，其大小與導(dǎo)體和外殼所涂的材料有關(guān)；Td為導(dǎo)體溫度；Dd0為導(dǎo)體外徑；Dk為殼體內(nèi)徑。
1.3 混合氣體熱物性參數(shù)
在工程應(yīng)用中，需要求解多物理場(chǎng)耦合作用下混合氣體的熱物性參數(shù)。氣體密度ρ、恒壓熱容Cp、定容熱容Cv都與溫度和壓力有關(guān)。然而，導(dǎo)熱系數(shù)k和動(dòng)力粘度μ只與溫度有關(guān)，其熱物性參數(shù)計(jì)算如下[24]：
(10)
(11)
式中：αm為熱物性參數(shù)，包括ρ，Cp，Cv，k，μ；αi為組分i對(duì)應(yīng)的熱物性參數(shù)；n為混合氣體組分的數(shù)量，文中n=2；yi為組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；Mi為組分i的相對(duì)分子質(zhì)量；β為與熱物性參數(shù)相關(guān)的常數(shù)。
利用NIST發(fā)布的REFPROP9.0軟件，計(jì)算SF6和N2的熱物性參數(shù)。大氣壓強(qiáng)0.1 MPa，環(huán)境溫度293.15 K下的熱物性參數(shù)如表1所示。
表1 熱物性參數(shù)Table 1 Physical and chemical parameters
密度和溫度之間的關(guān)系滿(mǎn)足理想氣體狀態(tài)方程：
(12)
導(dǎo)熱系數(shù)和動(dòng)力粘度滿(mǎn)足Sutherland定律：
(13)
(14)
式中：ρ0為溫度T0時(shí)混合氣體的密度；p0為溫度T0時(shí)混合氣體的壓強(qiáng)；k0為溫度T0時(shí)混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；μ0為溫度T0時(shí)混合氣體的動(dòng)力粘度；T0為參考溫度，值為293.15 K；S為Sutherland常數(shù)。
2 仿真結(jié)果與分析
利用COMSOL仿真軟件建立三維電磁-流體-溫度場(chǎng)多物理場(chǎng)耦合的GIL模型，有限元模型主要分為外部空氣、殼體、絕緣氣體和導(dǎo)體。模型的具體參數(shù)如表2所示，其中GIL可以在短時(shí)耐受電流下運(yùn)行2 s。
表2 1 100 kV GIL參數(shù)Table 2 Parameters of 1 100 kV GIL
三維模型可以描述徑向和軸向的傳熱特性，圖2為三維GIL模型仿真結(jié)果。如圖2(a)所示，絕緣子對(duì)溫度場(chǎng)的影響被忽略。
圖2 三維GIL模型仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of 3D GIL model
圖2(a)中，溫度場(chǎng)在求解域內(nèi)對(duì)稱(chēng)分布，導(dǎo)體溫度最高為359.88 K，外殼底部溫度最低為325.94 K，GIL內(nèi)部絕緣氣體溫度分布不均。由于氣體受熱后向上流動(dòng)，對(duì)流更強(qiáng)。絕緣氣體的流速如圖2(b)所示，加熱的絕緣氣體從導(dǎo)體垂直流向外殼，并沿著外殼呈圓柱狀流動(dòng)，流向外殼底部。在此過(guò)程中，絕緣氣體的熱量傳遞到外殼，絕緣氣體被冷卻下沉到氣體域的底部。然后，導(dǎo)體加熱絕緣氣體，循環(huán)再次開(kāi)始。因此，導(dǎo)體和外殼之間存在溫差，絕緣氣體的上、下溫度存在梯度，沿GIL軸向方向沒(méi)有溫度變化。
此外，由于氣體的自然對(duì)流和溫度分布不均勻，導(dǎo)體和外殼的溫度分布從上到下逐漸減小，外殼溫差為6.92 K，導(dǎo)體則相差0.53 K。1 100 kV GIL的工作環(huán)境為江底管廊，所以文中在考慮參考溫度選取時(shí)忽略了氣體流動(dòng)和日照的影響，選擇外殼正上方的溫度作為參考。經(jīng)仿真驗(yàn)證，額定短時(shí)耐受電流和額定峰值耐受電流的溫升在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，這些電流突變引起的瞬間溫升小于1 K。
為驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，利用TESTO 890紅外測(cè)溫儀在蘇通GIL綜合管廊進(jìn)行紅外測(cè)溫，在負(fù)載電流1 000 A，管廊環(huán)境溫度291.2 K時(shí)，測(cè)得M1點(diǎn)的溫度為293.55 K，M2點(diǎn)的溫度為293.65 K，M3點(diǎn)的溫度為293.35 K，實(shí)際紅外測(cè)溫如圖3所示。為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的有效性，不同條件下的測(cè)溫結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。
圖3 紅外測(cè)溫Fig.3 Infrared temperature measurement
表3 紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和仿真結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of infrared temperature measurement data and simulation results
由表3可知，紅外測(cè)溫均值與仿真值誤差小于1 K，證明了文中模型的有效性。
3 SF6/N2混合氣體分析
由于GIL實(shí)際工作環(huán)境較為復(fù)雜，為了保證GIL的工作可靠性，有必要綜合考慮SF6/N2混合氣體在不同組分、不同條件下的熱特性?？刂谱兞糠梢匝芯慷喾N影響因素的作用效果大小。因此，通過(guò)控制和調(diào)整單一變量研究在不同的絕緣氣體壓力、負(fù)載電流和環(huán)境溫度下，SF6/N2不同的混合比對(duì)GIL導(dǎo)體和殼體溫升的影響。影響因素和參數(shù)值如表4所示。
表4 影響因素Table 4 Influencing factors parameters
此外，SF6/N2的介電強(qiáng)度按歸一化值考慮，包括歸一化壓力、歸一化數(shù)量和歸一化本征介電強(qiáng)度。根據(jù)SF6/N2的特性，在相同的壓強(qiáng)下當(dāng)SF6含量大于20%時(shí)，混合氣體的絕緣能力可以達(dá)到純SF6的70%～80%[25]，能夠滿(mǎn)足技術(shù)和環(huán)保要求。因此，文中選擇的SF6含量為20%～100%。
3.1 絕緣氣體壓強(qiáng)
由于混合氣體參數(shù)隨混合氣體壓強(qiáng)的變化而變化，考慮到混合氣體的絕緣能力和GIL結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，文中的絕緣氣體壓強(qiáng)范圍為0.3～0.6 MPa，環(huán)境溫度為293.15 K，負(fù)載電流為6.3 kA，導(dǎo)體和殼體的溫升如圖4所示。
圖4 不同氣壓不同SF6含量下GIL溫升Fig.4 Temperature rise of GIL under different pressure and different SF6 content
如圖4所示，0.6 MPa時(shí)的溫升為4組中最低的。需要指出的是，壓強(qiáng)越大，導(dǎo)體和殼體的溫升越低，二者呈負(fù)相關(guān)。此外，在相同壓強(qiáng)下，SF6含量與導(dǎo)體和殼體的溫升呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)SF6含量小于30%時(shí)，GIL的溫升趨勢(shì)均明顯下降，而當(dāng)SF6含量超過(guò)70%時(shí)，隨著SF6含量達(dá)到一定水平，溫升沒(méi)有明顯變化。
通過(guò)對(duì)比導(dǎo)體和殼體溫升，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體對(duì)絕緣氣體壓強(qiáng)的變化更敏感。在相同的混合氣體比例下，導(dǎo)體溫度隨著壓強(qiáng)的增加而顯著降低。因?yàn)闅怏w密度隨氣體壓強(qiáng)的增大而增大，傳熱系數(shù)也隨之增加，這意味著絕緣氣體可以交換更多的熱量從而導(dǎo)致導(dǎo)體溫度降低比外殼溫度降低更加顯著。
表5為溫升值相同時(shí)的幾組氣體壓強(qiáng)和混合氣體比例。從表中可以看出，與相同溫升值下的純SF6相比，SF6/N2混合氣體既保證了溫升效果，又最大程度減少了SF6的使用量。
表5 穩(wěn)態(tài)時(shí)殼體等溫升的壓強(qiáng)和混合氣體比例Table 5 Pressure and proportion of gas mixture for isothermal rise of the enclosure at steady state
綜上所述，增加絕緣氣體壓強(qiáng)有利于降低導(dǎo)體溫度，20%的SF6即具有良好的介電強(qiáng)度，然而，當(dāng)SF6含量在20%～30%之間時(shí)，GIL溫升曲線(xiàn)變化較為明顯。為了減少SF6的使用量，降低溫升，建議在GIL應(yīng)用中使用SF6含量30%～70%的SF6混合氣體。但文中僅給出定性分析，實(shí)際應(yīng)用中，具體的壓強(qiáng)須要根據(jù)混合氣體的比例略作修改。
當(dāng)絕緣氣體壓強(qiáng)為0.4 MPa時(shí)，仿真得到的內(nèi)部絕緣氣體的壓強(qiáng)等值線(xiàn)如圖5所示。由于GIL上方溫度高于下方，壓強(qiáng)會(huì)有2×10-4MPa的微小差異，所以絕緣氣體的壓強(qiáng)在空間中認(rèn)為是相等的。
圖5 絕緣氣體壓強(qiáng)等值線(xiàn)Fig.5 Insulating gas pressure isoline
3.2 負(fù)載電流
溫度與焦耳熱損耗直接相關(guān)，熱交換、外殼感應(yīng)電流和渦流損耗、導(dǎo)體熱損耗共同作用，導(dǎo)致導(dǎo)體、外殼和絕緣氣體溫度升高。因此，電流是引起溫度變化的重要原因之一。
在GIL正常運(yùn)行過(guò)程中，GIL的負(fù)載電流在長(zhǎng)期運(yùn)行期間不超過(guò)3 kA，因此仿真中的電流設(shè)置為1 kA，2 kA，3 kA，4 kA，5 kA，6.3 kA，環(huán)境溫度為293.15 K，絕緣氣體壓強(qiáng)為0.4 MPa。
溫升與電流變化有關(guān)，正如前文分析，不同負(fù)載電流和不同SF6含量下GIL溫升如圖6所示。
圖6 不同電流不同SF6含量下GIL溫升Fig.6 Temperature rise of GIL under different current and different SF6 content
如圖6所示，當(dāng)電流小于1 kA時(shí)，SF6/N2的比例對(duì)溫升的影響不大。當(dāng)電流低于3 kA時(shí)，導(dǎo)體溫升低于15 K，同時(shí)外殼溫升低于10 K，在這種情況下，實(shí)際應(yīng)用的混合氣體比例應(yīng)由其他因素共同決定。然而，當(dāng)電流超過(guò)3 kA時(shí)，從溫升變化的角度來(lái)看，建議SF6含量大于30%。在上述2種情況下，60%SF6到純SF6之間的溫升幾乎保持不變。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，SF6含量選取60%～80%即可滿(mǎn)足絕緣和溫升要求。
在相同的氣體組分下，導(dǎo)體和外殼的溫度都與負(fù)載電流呈非線(xiàn)性正相關(guān)。這是因?yàn)閷?dǎo)體和外殼的焦耳熱損耗與負(fù)載電流呈非線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系，所以隨著負(fù)載電流的增加，GIL熱量生成的速度加快，并且導(dǎo)體和外殼之間的溫差越來(lái)越明顯。因此，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)負(fù)載電流的最大值選擇SF6含量。
為了保證供電的可靠性，關(guān)鍵區(qū)域經(jīng)常使用雙回路GIL。因此，同時(shí)考慮了雙回GIL供電線(xiàn)路中，當(dāng)一回線(xiàn)路的一相發(fā)生故障時(shí)，另一回線(xiàn)路須要承擔(dān)所有線(xiàn)路電流。假設(shè)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，每條線(xiàn)路的電流為3 kA，如果線(xiàn)路Ⅰ的B相發(fā)生故障，線(xiàn)路Ⅱ須要承載6 kA的電流。
文中以SF6/N2(其中SF6含量60%)為例。故障發(fā)生在1.3×104s，線(xiàn)路Ⅱ的電流從3 kA增加到6 kA，其溫升如圖7所示，當(dāng)線(xiàn)路電流以2倍的幅值突變后，導(dǎo)體的溫升小于6.45 K，殼體的溫升約為3.65 K。因此，溫升結(jié)果表明當(dāng)SF6含量超過(guò)40%時(shí)，GIL可以承受線(xiàn)路電流的短期大幅增加。
圖7 線(xiàn)路溫升Fig.7 The line temperature rise
3.3 環(huán)境溫度
絕緣氣體的傳熱性能對(duì)電氣參數(shù)有重要意義，混合氣體參數(shù)ρ，Cp，Cv，k，μ都與環(huán)境溫度有關(guān)，進(jìn)一步影響絕緣氣體的熱傳導(dǎo)和自然對(duì)流。因此，就不同環(huán)境溫度下的GIL溫升情況展開(kāi)分析，不同溫度和不同SF6含量下GIL溫升如圖8所示。
圖8 不同溫度不同SF6含量下GIL溫升Fig.8 Temperature rise of GIL under different temperature and different SF6 content
由圖8可知，隨著SF6含量的增加，導(dǎo)體和外殼的溫升呈下降趨勢(shì)且導(dǎo)體溫度的變化幅度較大。不同環(huán)境溫度下的導(dǎo)體溫升曲線(xiàn)表明，當(dāng)SF6含量超過(guò)40%時(shí)，溫升變化趨勢(shì)變得相對(duì)平緩。雖然外殼的溫度變化趨勢(shì)略有不同，但當(dāng)SF6的含量超過(guò)70%時(shí)，導(dǎo)體和殼體的溫升都變得平緩。因此，含量略低于70%的SF6的混合氣體作為替代氣體更為理想。此外，當(dāng)環(huán)境溫度為313.15 K時(shí)，外殼溫升低于25 K，導(dǎo)體溫升低于38 K。符合現(xiàn)行的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62271-1、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22383—2017和GB/T 11022—2011的要求。
4 結(jié)論
從替代純SF6絕緣氣體的角度出發(fā)，采用有限元和多物理場(chǎng)耦合的方法分析了不同SF6含量下的傳熱特性。通過(guò)建立三維軸對(duì)稱(chēng)GIL模型，研究了不同影響因素下SF6/N2的傳熱特性，具體分析了導(dǎo)體和殼體的溫升趨勢(shì)。主要結(jié)論可歸納如下：
(1) 絕緣氣體壓強(qiáng)和導(dǎo)體、殼體的溫升有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，SF6組分也呈現(xiàn)類(lèi)似趨勢(shì)。不同的絕緣氣體壓強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體的溫度變化范圍大于殼體。因此建議SF6含量在30%～70%之間，壓強(qiáng)應(yīng)根據(jù)SF6含量略作修改。當(dāng)保持SF6/N2混合氣體不變時(shí)，導(dǎo)體和外殼的溫度隨著壓強(qiáng)的增加而顯著降低。
(2) 如果設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行期間電流超過(guò)3 kA，建議SF6含量應(yīng)選擇在40%～60%之間；若設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行期間電流不超過(guò)3 kA，建議SF6含量應(yīng)選擇在20%～40%之間；當(dāng)在額定電流下運(yùn)行時(shí)，SF6含量應(yīng)高于60%。
(3) 導(dǎo)體和殼體的溫升隨著SF6含量的增加呈下降趨勢(shì)，不同環(huán)境溫度的趨勢(shì)相似。當(dāng)SF6含量超過(guò)40%時(shí)，溫升變化趨勢(shì)變得平緩，當(dāng)SF6含量超過(guò)70%時(shí)，溫升幾乎不再發(fā)生變化。因此，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行在中低緯度時(shí)，SF6含量建議在40%～70%之間；當(dāng)設(shè)備運(yùn)行在高緯度地區(qū)時(shí)，SF6含量建議在30%～40%之間。
此外，GIL通常不會(huì)在極限溫度下運(yùn)行，由于在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)考慮了安全裕度，因此通常SF6含量不低于建議值的70%就能夠滿(mǎn)足GIL設(shè)備的絕緣和溫升要求。根據(jù)對(duì)GIL混合氣體熱特性的定性分析，在實(shí)際應(yīng)用中，可以定量分析不同的影響因素，得到最佳的SF6/N2含量，為實(shí)際工程中，在不同運(yùn)行條件下選擇合適的SF6/N2混合比提供依據(jù)，從而減少SF6的使用量，減少電力設(shè)備對(duì)環(huán)境的影響。
本文得到國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司科技項(xiàng)目“基于邊緣計(jì)算的GIS溫度反演及過(guò)熱故障診斷”(830107200003)資助，謹(jǐn)此致謝！
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龐樂(lè)樂(lè)， 楊文勇， 李鵬飛， 郭曉飛， 高鵬， 梁睿
(1. 國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司張家口供電公司，河北 張家口 075000；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)
0 引言
氣體絕緣輸電線(xiàn)路(gas insulated transmission lines，GIL)具有電壓等級(jí)高、傳輸容量大、可靠性高、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[1—3],在電力系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前，GIL主要使用純SF6氣體作為絕緣氣體，但大量研究發(fā)現(xiàn)，SF6的全球變暖潛能值是CO2的23 900倍，且其在大氣中的降解過(guò)程可以達(dá)到3 200 a左右[4—6]，這表明SF6是一種溫室效應(yīng)顯著且在大氣中難以分解的惰性氣體。為應(yīng)對(duì)全球氣候變暖問(wèn)題，歐盟相關(guān)國(guó)家明確規(guī)定：截止2030年，歐盟國(guó)家境內(nèi)SF6排放量控制到2014年排放量的1/3。我國(guó)也制定了“碳達(dá)峰，碳中和”的國(guó)家戰(zhàn)略目標(biāo)，因此，整個(gè)電力行業(yè)亟須減少SF6的使用。
目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)SF6混合氣體與替代氣體已進(jìn)行了大量研究?，F(xiàn)有的新型氣體CF3I，C4F7N和c-C4F8的絕緣性能研究還不完善，且易受不均勻電場(chǎng)的影響[7—9]。與SF6混合氣體相比，CF3I的伏秒特性受電場(chǎng)不均勻程度的影響更大[6]，c-C4F8混合氣體的液化溫度低，不能用于低溫和高海拔地區(qū)[10]。與以上新型氣體相比，SF6混合氣體更適宜成為純SF6的可行替代氣體，SF6/N2混合氣體具有絕緣性能好、液化溫度低、電場(chǎng)均勻性靈敏度高、經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益好等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景[11]，同時(shí)SF6/N2混合氣體能在較大的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，可應(yīng)用于寒冷地區(qū)[12]。
針對(duì)SF6/N2混合氣體的氣體絕緣和氣體擊穿等，目前已取得了豐富的研究成果[13—16]。研究發(fā)現(xiàn)，隨著壓強(qiáng)的增加，不同混合比的SF6/N2混合氣體的擊穿電壓線(xiàn)性增加，并趨于穩(wěn)定，且SF6含量為10%～20%時(shí)即可保持足夠的絕緣能力[17]。然而，在滿(mǎn)足設(shè)備絕緣能力的前提下，以SF6/N2為絕緣氣體的GIL在不同條件下的熱特性研究還相對(duì)較少，且均未研究不同條件下滿(mǎn)足工程需要的SF6/N2混合比方案。
因此，文中在滿(mǎn)足GIL絕緣能力的前提下，采用有限元法，結(jié)合GIL和材料熱物性參數(shù)以及邊界條件建立單相三維GIL仿真模型。利用該模型，通過(guò)改變絕緣氣體壓力、負(fù)載電流、環(huán)境溫度，研究了不同條件下，不同SF6/N2混合比對(duì)GIL溫升特性的影響，從而為不同條件下SF6/N2混合比的確定提供了使用依據(jù)，對(duì)降低SF6的使用量、減少對(duì)環(huán)境的影響具有重要意義。
1 GIL溫升仿真模型建立
以1 100 kV GIL為研究對(duì)象，包括鋁合金材料的導(dǎo)體和外殼，盆式絕緣子，觸頭，絕緣氣體和支撐絕緣子等部分。
1.1 電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算
在GIL導(dǎo)體流經(jīng)負(fù)載電流時(shí)導(dǎo)體和殼體均會(huì)產(chǎn)生焦耳熱損耗，因此通過(guò)麥克斯韋方程組求解，其控制方程表達(dá)式如下[18]：
(1)
式中：Js為電流密度；μ為介質(zhì)的磁導(dǎo)率；ρ為導(dǎo)體電導(dǎo)率；A為磁矢位；ω為角頻率。在計(jì)算導(dǎo)體的焦耳熱損耗時(shí)，由于外殼接地的屏蔽作用，GIL導(dǎo)體的鄰近效應(yīng)系數(shù)為1，阻抗較小。因此，不平衡電流的影響可以忽略不計(jì)，只考慮集膚效應(yīng)[19]。
計(jì)算殼體熱損耗時(shí)，由于電磁感應(yīng)，GIL外殼上產(chǎn)生2種感應(yīng)電流，即外殼接地引起的殼體環(huán)流和在殼體橫截面內(nèi)的渦流。全連式結(jié)構(gòu)的渦流損耗在工程計(jì)算中可以忽略不計(jì)[20]。GIL導(dǎo)體與殼體單位體積下的損耗為[21]：
(2)
(3)
式中：Pdv，Pkv分別為導(dǎo)體、殼體單位體積焦耳熱功率；Id為導(dǎo)體電流;Ik為殼體感應(yīng)電流；Rd，Rk分別為導(dǎo)體、殼體電阻值；Sd，Sk分別為導(dǎo)體、殼體的橫截面積。
1.2 溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算
為簡(jiǎn)化計(jì)算，考慮GIL的工作環(huán)境和結(jié)構(gòu)，作出以下假設(shè)：(1) 由于絕緣氣體和空氣的流速遠(yuǎn)低于聲速，可將其視為不可壓縮粘性流體處理。(2) 對(duì)于單相GIL，導(dǎo)體和殼體材質(zhì)各向同性，熱損耗在其內(nèi)部均勻分布。(3) GIL絕緣氣體處于自然對(duì)流狀態(tài)，即因溫度差而導(dǎo)致絕緣氣體存在密度差，造成氣體流動(dòng)。(4) 空氣域的外邊界溫度為環(huán)境溫度，不受GIL內(nèi)部發(fā)熱的影響。
當(dāng)產(chǎn)生的熱量與交換的熱量相同時(shí)認(rèn)為GIL處于熱平衡狀態(tài)，GIL熱交換過(guò)程如圖1所示，熱平衡公式為式(4)和式(5)。
圖1 GIL熱交換過(guò)程Fig.1 Heat exchange process of GIL
Pd+Pk=QkF+QkD
(4)
Pd=QdF+QdD
(5)
式中：Pd為導(dǎo)體焦耳熱損耗；Pk為殼體渦流損耗；QkF為殼體輻射散熱量；QkD為殼體對(duì)流散熱量；QdF為導(dǎo)體輻射散熱量；QdD為導(dǎo)體對(duì)流散熱量。
GIL外殼和導(dǎo)體內(nèi)部的傳熱主要由熱傳導(dǎo)控制方程表示，當(dāng)分析由于GIL載流量變化引起的溫度變化過(guò)程時(shí)，由于載流量是時(shí)間的函數(shù)，所以傳熱微分方程也應(yīng)包括時(shí)間。GIL熱傳導(dǎo)控制方程為[22]：
(6)
式中：ρT為導(dǎo)體或殼體在溫度T時(shí)的材料密度；Cp為恒壓熱容；λT為溫度T時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)；T為實(shí)際溫度；Q為熱損耗；t為運(yùn)行時(shí)間。
GIL與空氣域之間的對(duì)流換熱可以等效為大空間內(nèi)水平圓柱體的對(duì)流換熱，因此邊界條件為：
qk=hk(Tk-Tkq)
(7)
式中：qk為殼體與外部空氣的對(duì)流換熱量；Tk為殼體溫度；Tkq為空氣域溫度;hk為對(duì)流換熱系數(shù)。hk受許多因素影響，如氣體流速、溫度、特征尺寸等。hk由兩部分組成，即不考慮氣流的自然對(duì)流換熱系數(shù)hkD和考慮氣流的強(qiáng)制對(duì)流換熱系數(shù)hkF。
GIL導(dǎo)體與外殼之間以及外殼對(duì)空氣的熱輻射可以根據(jù)前面的假設(shè)和Stefan-Boltzmann定律來(lái)計(jì)算[23]：
(8)
(9)
式中：qdk為導(dǎo)體與外殼之間的熱輻射；qkF為外殼對(duì)空氣的熱輻射；σ為Stefan-Boltzmann常數(shù)；εd0，εk，εk0分別為導(dǎo)體外表面、外殼內(nèi)表面和外殼外表面的表面發(fā)射率，其大小與導(dǎo)體和外殼所涂的材料有關(guān)；Td為導(dǎo)體溫度；Dd0為導(dǎo)體外徑；Dk為殼體內(nèi)徑。
1.3 混合氣體熱物性參數(shù)
在工程應(yīng)用中，需要求解多物理場(chǎng)耦合作用下混合氣體的熱物性參數(shù)。氣體密度ρ、恒壓熱容Cp、定容熱容Cv都與溫度和壓力有關(guān)。然而，導(dǎo)熱系數(shù)k和動(dòng)力粘度μ只與溫度有關(guān)，其熱物性參數(shù)計(jì)算如下[24]：
(10)
(11)
式中：αm為熱物性參數(shù)，包括ρ，Cp，Cv，k，μ；αi為組分i對(duì)應(yīng)的熱物性參數(shù)；n為混合氣體組分的數(shù)量，文中n=2；yi為組分i的摩爾分?jǐn)?shù)；Mi為組分i的相對(duì)分子質(zhì)量；β為與熱物性參數(shù)相關(guān)的常數(shù)。
利用NIST發(fā)布的REFPROP9.0軟件，計(jì)算SF6和N2的熱物性參數(shù)。大氣壓強(qiáng)0.1 MPa，環(huán)境溫度293.15 K下的熱物性參數(shù)如表1所示。
表1 熱物性參數(shù)Table 1 Physical and chemical parameters
密度和溫度之間的關(guān)系滿(mǎn)足理想氣體狀態(tài)方程：
(12)
導(dǎo)熱系數(shù)和動(dòng)力粘度滿(mǎn)足Sutherland定律：
(13)
(14)
式中：ρ0為溫度T0時(shí)混合氣體的密度；p0為溫度T0時(shí)混合氣體的壓強(qiáng)；k0為溫度T0時(shí)混合氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；μ0為溫度T0時(shí)混合氣體的動(dòng)力粘度；T0為參考溫度，值為293.15 K；S為Sutherland常數(shù)。
2 仿真結(jié)果與分析
利用COMSOL仿真軟件建立三維電磁-流體-溫度場(chǎng)多物理場(chǎng)耦合的GIL模型，有限元模型主要分為外部空氣、殼體、絕緣氣體和導(dǎo)體。模型的具體參數(shù)如表2所示，其中GIL可以在短時(shí)耐受電流下運(yùn)行2 s。
表2 1 100 kV GIL參數(shù)Table 2 Parameters of 1 100 kV GIL
三維模型可以描述徑向和軸向的傳熱特性，圖2為三維GIL模型仿真結(jié)果。如圖2(a)所示，絕緣子對(duì)溫度場(chǎng)的影響被忽略。
圖2 三維GIL模型仿真結(jié)果Fig.2 Simulation results of 3D GIL model
圖2(a)中，溫度場(chǎng)在求解域內(nèi)對(duì)稱(chēng)分布，導(dǎo)體溫度最高為359.88 K，外殼底部溫度最低為325.94 K，GIL內(nèi)部絕緣氣體溫度分布不均。由于氣體受熱后向上流動(dòng)，對(duì)流更強(qiáng)。絕緣氣體的流速如圖2(b)所示，加熱的絕緣氣體從導(dǎo)體垂直流向外殼，并沿著外殼呈圓柱狀流動(dòng)，流向外殼底部。在此過(guò)程中，絕緣氣體的熱量傳遞到外殼，絕緣氣體被冷卻下沉到氣體域的底部。然后，導(dǎo)體加熱絕緣氣體，循環(huán)再次開(kāi)始。因此，導(dǎo)體和外殼之間存在溫差，絕緣氣體的上、下溫度存在梯度，沿GIL軸向方向沒(méi)有溫度變化。
此外，由于氣體的自然對(duì)流和溫度分布不均勻，導(dǎo)體和外殼的溫度分布從上到下逐漸減小，外殼溫差為6.92 K，導(dǎo)體則相差0.53 K。1 100 kV GIL的工作環(huán)境為江底管廊，所以文中在考慮參考溫度選取時(shí)忽略了氣體流動(dòng)和日照的影響，選擇外殼正上方的溫度作為參考。經(jīng)仿真驗(yàn)證，額定短時(shí)耐受電流和額定峰值耐受電流的溫升在標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)，這些電流突變引起的瞬間溫升小于1 K。
為驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，利用TESTO 890紅外測(cè)溫儀在蘇通GIL綜合管廊進(jìn)行紅外測(cè)溫，在負(fù)載電流1 000 A，管廊環(huán)境溫度291.2 K時(shí)，測(cè)得M1點(diǎn)的溫度為293.55 K，M2點(diǎn)的溫度為293.65 K，M3點(diǎn)的溫度為293.35 K，實(shí)際紅外測(cè)溫如圖3所示。為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的有效性，不同條件下的測(cè)溫結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比如表3所示。
圖3 紅外測(cè)溫Fig.3 Infrared temperature measurement
表3 紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)和仿真結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of infrared temperature measurement data and simulation results
由表3可知，紅外測(cè)溫均值與仿真值誤差小于1 K，證明了文中模型的有效性。
3 SF6/N2混合氣體分析
由于GIL實(shí)際工作環(huán)境較為復(fù)雜，為了保證GIL的工作可靠性，有必要綜合考慮SF6/N2混合氣體在不同組分、不同條件下的熱特性?？刂谱兞糠梢匝芯慷喾N影響因素的作用效果大小。因此，通過(guò)控制和調(diào)整單一變量研究在不同的絕緣氣體壓力、負(fù)載電流和環(huán)境溫度下，SF6/N2不同的混合比對(duì)GIL導(dǎo)體和殼體溫升的影響。影響因素和參數(shù)值如表4所示。
表4 影響因素Table 4 Influencing factors parameters
此外，SF6/N2的介電強(qiáng)度按歸一化值考慮，包括歸一化壓力、歸一化數(shù)量和歸一化本征介電強(qiáng)度。根據(jù)SF6/N2的特性，在相同的壓強(qiáng)下當(dāng)SF6含量大于20%時(shí)，混合氣體的絕緣能力可以達(dá)到純SF6的70%～80%[25]，能夠滿(mǎn)足技術(shù)和環(huán)保要求。因此，文中選擇的SF6含量為20%～100%。
3.1 絕緣氣體壓強(qiáng)
由于混合氣體參數(shù)隨混合氣體壓強(qiáng)的變化而變化，考慮到混合氣體的絕緣能力和GIL結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，文中的絕緣氣體壓強(qiáng)范圍為0.3～0.6 MPa，環(huán)境溫度為293.15 K，負(fù)載電流為6.3 kA，導(dǎo)體和殼體的溫升如圖4所示。
圖4 不同氣壓不同SF6含量下GIL溫升Fig.4 Temperature rise of GIL under different pressure and different SF6 content
如圖4所示，0.6 MPa時(shí)的溫升為4組中最低的。需要指出的是，壓強(qiáng)越大，導(dǎo)體和殼體的溫升越低，二者呈負(fù)相關(guān)。此外，在相同壓強(qiáng)下，SF6含量與導(dǎo)體和殼體的溫升呈負(fù)相關(guān)。當(dāng)SF6含量小于30%時(shí)，GIL的溫升趨勢(shì)均明顯下降，而當(dāng)SF6含量超過(guò)70%時(shí)，隨著SF6含量達(dá)到一定水平，溫升沒(méi)有明顯變化。
通過(guò)對(duì)比導(dǎo)體和殼體溫升，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)體對(duì)絕緣氣體壓強(qiáng)的變化更敏感。在相同的混合氣體比例下，導(dǎo)體溫度隨著壓強(qiáng)的增加而顯著降低。因?yàn)闅怏w密度隨氣體壓強(qiáng)的增大而增大，傳熱系數(shù)也隨之增加，這意味著絕緣氣體可以交換更多的熱量從而導(dǎo)致導(dǎo)體溫度降低比外殼溫度降低更加顯著。
表5為溫升值相同時(shí)的幾組氣體壓強(qiáng)和混合氣體比例。從表中可以看出，與相同溫升值下的純SF6相比，SF6/N2混合氣體既保證了溫升效果，又最大程度減少了SF6的使用量。
表5 穩(wěn)態(tài)時(shí)殼體等溫升的壓強(qiáng)和混合氣體比例Table 5 Pressure and proportion of gas mixture for isothermal rise of the enclosure at steady state
綜上所述，增加絕緣氣體壓強(qiáng)有利于降低導(dǎo)體溫度，20%的SF6即具有良好的介電強(qiáng)度，然而，當(dāng)SF6含量在20%～30%之間時(shí)，GIL溫升曲線(xiàn)變化較為明顯。為了減少SF6的使用量，降低溫升，建議在GIL應(yīng)用中使用SF6含量30%～70%的SF6混合氣體。但文中僅給出定性分析，實(shí)際應(yīng)用中，具體的壓強(qiáng)須要根據(jù)混合氣體的比例略作修改。
當(dāng)絕緣氣體壓強(qiáng)為0.4 MPa時(shí)，仿真得到的內(nèi)部絕緣氣體的壓強(qiáng)等值線(xiàn)如圖5所示。由于GIL上方溫度高于下方，壓強(qiáng)會(huì)有2×10-4MPa的微小差異，所以絕緣氣體的壓強(qiáng)在空間中認(rèn)為是相等的。
圖5 絕緣氣體壓強(qiáng)等值線(xiàn)Fig.5 Insulating gas pressure isoline
3.2 負(fù)載電流
溫度與焦耳熱損耗直接相關(guān)，熱交換、外殼感應(yīng)電流和渦流損耗、導(dǎo)體熱損耗共同作用，導(dǎo)致導(dǎo)體、外殼和絕緣氣體溫度升高。因此，電流是引起溫度變化的重要原因之一。
在GIL正常運(yùn)行過(guò)程中，GIL的負(fù)載電流在長(zhǎng)期運(yùn)行期間不超過(guò)3 kA，因此仿真中的電流設(shè)置為1 kA，2 kA，3 kA，4 kA，5 kA，6.3 kA，環(huán)境溫度為293.15 K，絕緣氣體壓強(qiáng)為0.4 MPa。
溫升與電流變化有關(guān)，正如前文分析，不同負(fù)載電流和不同SF6含量下GIL溫升如圖6所示。
圖6 不同電流不同SF6含量下GIL溫升Fig.6 Temperature rise of GIL under different current and different SF6 content
如圖6所示，當(dāng)電流小于1 kA時(shí)，SF6/N2的比例對(duì)溫升的影響不大。當(dāng)電流低于3 kA時(shí)，導(dǎo)體溫升低于15 K，同時(shí)外殼溫升低于10 K，在這種情況下，實(shí)際應(yīng)用的混合氣體比例應(yīng)由其他因素共同決定。然而，當(dāng)電流超過(guò)3 kA時(shí)，從溫升變化的角度來(lái)看，建議SF6含量大于30%。在上述2種情況下，60%SF6到純SF6之間的溫升幾乎保持不變。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，SF6含量選取60%～80%即可滿(mǎn)足絕緣和溫升要求。
在相同的氣體組分下，導(dǎo)體和外殼的溫度都與負(fù)載電流呈非線(xiàn)性正相關(guān)。這是因?yàn)閷?dǎo)體和外殼的焦耳熱損耗與負(fù)載電流呈非線(xiàn)性增長(zhǎng)關(guān)系，所以隨著負(fù)載電流的增加，GIL熱量生成的速度加快，并且導(dǎo)體和外殼之間的溫差越來(lái)越明顯。因此，實(shí)際工程中應(yīng)根據(jù)負(fù)載電流的最大值選擇SF6含量。
為了保證供電的可靠性，關(guān)鍵區(qū)域經(jīng)常使用雙回路GIL。因此，同時(shí)考慮了雙回GIL供電線(xiàn)路中，當(dāng)一回線(xiàn)路的一相發(fā)生故障時(shí)，另一回線(xiàn)路須要承擔(dān)所有線(xiàn)路電流。假設(shè)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，每條線(xiàn)路的電流為3 kA，如果線(xiàn)路Ⅰ的B相發(fā)生故障，線(xiàn)路Ⅱ須要承載6 kA的電流。
文中以SF6/N2(其中SF6含量60%)為例。故障發(fā)生在1.3×104s，線(xiàn)路Ⅱ的電流從3 kA增加到6 kA，其溫升如圖7所示，當(dāng)線(xiàn)路電流以2倍的幅值突變后，導(dǎo)體的溫升小于6.45 K，殼體的溫升約為3.65 K。因此，溫升結(jié)果表明當(dāng)SF6含量超過(guò)40%時(shí)，GIL可以承受線(xiàn)路電流的短期大幅增加。
圖7 線(xiàn)路溫升Fig.7 The line temperature rise
3.3 環(huán)境溫度
絕緣氣體的傳熱性能對(duì)電氣參數(shù)有重要意義，混合氣體參數(shù)ρ，Cp，Cv，k，μ都與環(huán)境溫度有關(guān)，進(jìn)一步影響絕緣氣體的熱傳導(dǎo)和自然對(duì)流。因此，就不同環(huán)境溫度下的GIL溫升情況展開(kāi)分析，不同溫度和不同SF6含量下GIL溫升如圖8所示。
圖8 不同溫度不同SF6含量下GIL溫升Fig.8 Temperature rise of GIL under different temperature and different SF6 content
由圖8可知，隨著SF6含量的增加，導(dǎo)體和外殼的溫升呈下降趨勢(shì)且導(dǎo)體溫度的變化幅度較大。不同環(huán)境溫度下的導(dǎo)體溫升曲線(xiàn)表明，當(dāng)SF6含量超過(guò)40%時(shí)，溫升變化趨勢(shì)變得相對(duì)平緩。雖然外殼的溫度變化趨勢(shì)略有不同，但當(dāng)SF6的含量超過(guò)70%時(shí)，導(dǎo)體和殼體的溫升都變得平緩。因此，含量略低于70%的SF6的混合氣體作為替代氣體更為理想。此外，當(dāng)環(huán)境溫度為313.15 K時(shí)，外殼溫升低于25 K，導(dǎo)體溫升低于38 K。符合現(xiàn)行的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62271-1、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22383—2017和GB/T 11022—2011的要求。
4 結(jié)論
從替代純SF6絕緣氣體的角度出發(fā)，采用有限元和多物理場(chǎng)耦合的方法分析了不同SF6含量下的傳熱特性。通過(guò)建立三維軸對(duì)稱(chēng)GIL模型，研究了不同影響因素下SF6/N2的傳熱特性，具體分析了導(dǎo)體和殼體的溫升趨勢(shì)。主要結(jié)論可歸納如下：
(1) 絕緣氣體壓強(qiáng)和導(dǎo)體、殼體的溫升有一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系，SF6組分也呈現(xiàn)類(lèi)似趨勢(shì)。不同的絕緣氣體壓強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)體的溫度變化范圍大于殼體。因此建議SF6含量在30%～70%之間，壓強(qiáng)應(yīng)根據(jù)SF6含量略作修改。當(dāng)保持SF6/N2混合氣體不變時(shí)，導(dǎo)體和外殼的溫度隨著壓強(qiáng)的增加而顯著降低。
(2) 如果設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行期間電流超過(guò)3 kA，建議SF6含量應(yīng)選擇在40%～60%之間；若設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行期間電流不超過(guò)3 kA，建議SF6含量應(yīng)選擇在20%～40%之間；當(dāng)在額定電流下運(yùn)行時(shí)，SF6含量應(yīng)高于60%。
(3) 導(dǎo)體和殼體的溫升隨著SF6含量的增加呈下降趨勢(shì)，不同環(huán)境溫度的趨勢(shì)相似。當(dāng)SF6含量超過(guò)40%時(shí)，溫升變化趨勢(shì)變得平緩，當(dāng)SF6含量超過(guò)70%時(shí)，溫升幾乎不再發(fā)生變化。因此，當(dāng)設(shè)備運(yùn)行在中低緯度時(shí)，SF6含量建議在40%～70%之間；當(dāng)設(shè)備運(yùn)行在高緯度地區(qū)時(shí)，SF6含量建議在30%～40%之間。
此外，GIL通常不會(huì)在極限溫度下運(yùn)行，由于在設(shè)計(jì)設(shè)備時(shí)考慮了安全裕度，因此通常SF6含量不低于建議值的70%就能夠滿(mǎn)足GIL設(shè)備的絕緣和溫升要求。根據(jù)對(duì)GIL混合氣體熱特性的定性分析，在實(shí)際應(yīng)用中，可以定量分析不同的影響因素，得到最佳的SF6/N2含量，為實(shí)際工程中，在不同運(yùn)行條件下選擇合適的SF6/N2混合比提供依據(jù)，從而減少SF6的使用量，減少電力設(shè)備對(duì)環(huán)境的影響。
本文得到國(guó)網(wǎng)冀北電力有限公司科技項(xiàng)目“基于邊緣計(jì)算的GIS溫度反演及過(guò)熱故障診斷”(830107200003)資助，謹(jǐn)此致謝！
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