靳國豪，秦 川，靳婷蕾，張建飛，王玉春，劉朋亮

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0 引言

SF6作為重要的氣體絕緣和滅弧介質(zhì)，在氣體絕緣金屬封閉開關(guān)(gas insulated switchgear，GIS)、氣體絕緣斷路器(gas insulated circuit breaker，GCB)、氣體絕緣輸電線路(gas insulated line，GIL)等氣體絕緣電氣設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。但是，SF6是一種溫室效應(yīng)很強(qiáng)的氣體，其全球變暖潛能值(global warming potential，GWP)非常高[2-4]，約為 23 500（在100年時(shí)間范圍，以CO2為當(dāng)量），且在大氣中極難分解，在大氣中的壽命約為3 200年[2]。由于全球氣候變暖形勢嚴(yán)峻，極高的GWP值使得本已成熟應(yīng)用的SF6再次成為國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)，在《京都議定書》和《巴黎協(xié)議》中被明令限制使用，在2020年要求禁止使用。近年來，為保護(hù)人類生存環(huán)境，減少SF6用量，尋找綜合性能優(yōu)異的環(huán)保型絕緣氣體成為必然趨勢。為此，學(xué)者們進(jìn)行了大量研究工作，研究內(nèi)容主要關(guān)注新型替代氣體的溫室效應(yīng)影響、毒性、液化特性、絕緣特性等，取得了一定進(jìn)展[3-6]。通過對SF6替代氣體進(jìn)行的大量研究，替代氣體應(yīng)用的基礎(chǔ)是具有良好的介電性能、化學(xué)穩(wěn)定性、低毒性和低GWP值。

八氟環(huán)丁烷(c-C4F8)、氟代甲基異丙基酮(C5F10O)是兩種具有較高電氣強(qiáng)度的絕緣氣體，具有替代SF6的潛力。其中，c-C4F8常溫下為氣態(tài)，無毒且不可燃，分子量為200.03 g/mol，沸點(diǎn)為-6℃，分子為非平面結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)對稱性好，化學(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，不易與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。與SF6對比，c-C4F8的GWP值約為8 700，是SF6的1/3[7]，能顯著降低對環(huán)境的影響，但是它在大氣中的壽命同樣相對較長，預(yù)計(jì)為2 600～10 000年，而且c-C4F8的液化溫度較高，因此純c-C4F8氣體難以實(shí)現(xiàn)寬溫度范圍的應(yīng)用。目前，已有針對c-C4F8與緩沖氣體N2、CO2等組成的混合氣體的研究。滿林坤等[7]對純c-C4F8氣體及其與N2、CO2組成的混合氣體的絕緣性能、液化特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)c-C4F8的體積分?jǐn)?shù)為5%～20%時(shí)，c-C4F8-CO2混合氣體的綜合性能與SF6較為接近，具有較大的應(yīng)用潛力。C5F10O是一種新型的人工合成絕緣氣體，由3M公司開發(fā)，并被ABB公司用作替代SF6的新型絕緣氣體空氣PlusTM的主絕緣介質(zhì)。其分子量為266 g/mol，沸點(diǎn)為26.9℃。與SF6相比，C5F10O具有絕緣強(qiáng)度高、GWP值約為1（以CO2為當(dāng)量）、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。但其沸點(diǎn)過高，在常壓下的液化溫度為26.5℃，在常溫常壓下已成為液態(tài)[8]。目前，ABB公司及相關(guān)學(xué)者的研究認(rèn)為，C5F10O的體積分?jǐn)?shù)為5%～20%時(shí)，C5F10O/空氣混合氣體的綜合性能與SF6較為接近[8-9]。

由于氣體絕緣輸電線路和開關(guān)設(shè)備的通流容量較大，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，將對設(shè)備的運(yùn)行安全帶來極大挑戰(zhàn)。設(shè)備中心導(dǎo)體和外殼之間的熱阻依賴于氣體散熱特性，而外殼的溫升則主要取決于周圍環(huán)境介質(zhì)的熱阻[10]。在GIS、GIL中使用的SF6具有良好的導(dǎo)熱性，散熱能力強(qiáng)，通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，一般可將GIS、GIL中的溫升保持在可接受的范圍。然而，若采用新型絕緣氣體或氣體混合物代替SF6，必須對新氣體SF6的傳熱特性進(jìn)行考察。

通過實(shí)驗(yàn)方法對充有絕緣氣體的設(shè)備進(jìn)行溫度測量可以反映氣體的傳熱性能，但是，由于GIL、GIS腔體密封，目前的觀測方法均存在一定的問題。紅外成像方法分辨率難以達(dá)到要求；定期測量回路電阻的方法無法實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測；光纖測溫方法雖然可以實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，但是受傳感器布置區(qū)域和數(shù)量的限制，無法全面反映GIL/GIS的完整工況[10-11]。有限元(finite-element method，F(xiàn)EM)方法是工程領(lǐng)域重要的計(jì)算方法[11-12]，可將電磁場、溫度場、流體場進(jìn)行耦合，建立模擬GIL、GIS同軸結(jié)構(gòu)多物理場數(shù)值的計(jì)算模型，從而實(shí)現(xiàn)氣-固絕緣系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中的流體運(yùn)動(dòng)和氣、固傳熱狀態(tài)以及溫度分布的模擬[13-15]。文獻(xiàn)[11-15]采用有限元數(shù)值計(jì)算方法對采用SF6氣體絕緣的GIL設(shè)備進(jìn)行二維溫升仿真計(jì)算。文獻(xiàn)[16]對采用SF6/N2混合氣體的氣體絕緣輸電線路的溫度場穩(wěn)態(tài)分布進(jìn)行數(shù)值模擬，通過仿真計(jì)算方法研究了氣體組分比例和壓強(qiáng)對GIL溫升的影響。

本研究針對GIS、GIL的管道結(jié)構(gòu)，建立電-熱-流體多物理場仿真計(jì)算模型，利用該模型，研究環(huán)保型c-C4F8/CO2和C5F10O/空氣混合絕緣氣體的傳熱性能及其對氣體絕緣輸變電設(shè)備溫升的影響。

1 溫升數(shù)值計(jì)算模型

針對500 kV GIL建立仿真計(jì)算模型，由于該同軸結(jié)構(gòu)的對稱程度高，為提高計(jì)算速度，選取二維平面模型，其幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。仿真中，GIL的高壓導(dǎo)體和外殼材料設(shè)定為鋁合金，與實(shí)際工程應(yīng)用相符。高壓導(dǎo)體、外殼的幾何尺寸及材料特性如表1所示。

圖1 GIL二維幾何結(jié)構(gòu)與網(wǎng)格剖分Fig.1 Two-dimensional geometric structure and meshing generation of GIL

表1 幾何尺寸與材料基本參數(shù)Tab.1 Geometric dimensions and basic material parameters

1.1 物理模型與邊界條件

載流導(dǎo)體中的電流是GIL設(shè)備的核心熱源，由于工況電流源為工頻正弦電流，外殼存在感應(yīng)渦流產(chǎn)生的熱量。物理模型首先通過電磁場計(jì)算，獲得電流密度和總熱量。電磁場求解域?yàn)橥獠凯h(huán)境空氣、高壓導(dǎo)體、絕緣氣體和外殼。假設(shè)GIL無限長，對于二維結(jié)構(gòu)，GIL導(dǎo)體與外殼的焦耳熱損耗(Qj)可表示為式（1）。

式（1）中：ρR為電阻率；J為電流密度；S為導(dǎo)體和外殼的橫截面積。

GIL為同軸圓柱結(jié)構(gòu)的氣-固系統(tǒng)，其傳熱包括熱對流、熱輻射和熱傳導(dǎo)3種方式。其中，熱對流占主導(dǎo)地位，熱輻射也會(huì)傳遞大量熱量。高壓導(dǎo)體產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)焦耳熱損耗將以熱對流和熱輻射兩種方式傳遞給外殼。而對外殼而言，不但有高壓導(dǎo)體傳遞的熱量，還有自身渦流發(fā)熱的熱量，并將自身熱損耗與外界空氣域之間進(jìn)行對流和輻射換熱[13]。而對于高壓導(dǎo)體和外殼金屬內(nèi)部，熱傳導(dǎo)則是熱量的主要傳遞方式。

由于封閉的GIL腔體在熱源發(fā)熱的情況下，氣體會(huì)發(fā)生流動(dòng)，導(dǎo)致氣體密度分布不均，流體計(jì)算選擇可壓縮層流模型。其控制方程包括質(zhì)量、動(dòng)量和能量守恒方程，如式（2）～（4）所示。

式（2）～（4）中：ρ為氣體密度；p為氣體壓強(qiáng)；μ為氣體的動(dòng)力黏度；cp為氣體的比定壓熱容；λ為氣體的導(dǎo)熱系數(shù)；u為氣體流速；G為重力，即流體計(jì)算中的體積力；Q為熱量，由高壓導(dǎo)體和外殼的熱損耗組成。

計(jì)算模型設(shè)定無窮遠(yuǎn)處大氣溫度恒定，外界環(huán)境邊界溫度滿足第一類邊界條件，固-氣界面共有3個(gè)：導(dǎo)體-絕緣氣體界面（內(nèi)、外共兩個(gè)）、外殼-空氣界面。本研究中輻射和對流換熱的邊界條件與文獻(xiàn)[8]相同，在此不再贅述。

1.2 網(wǎng)格的剖分

在實(shí)際的流體流動(dòng)與傳熱問題中，二維幾何域通常具有不規(guī)則的形狀。對于這種不規(guī)則區(qū)域的離散，使用矩形作為基本有限元是最簡單顯然但不是最合適的選擇，因?yàn)榫匦尾荒軠?zhǔn)確地表示區(qū)域的任意幾何形狀。因此對于給定的二維區(qū)域，在離散化的處理上，三角形單元較矩形單元更為合適，因?yàn)樵谶@種情況下，離散誤差較小，甚至可忽略不計(jì)。另一方面，對于三維域中的網(wǎng)格劃分，四面體是大多數(shù)物理模型中使用的默認(rèn)元素類型，其他3種元素類型是六面體、三角棱柱體和棱錐體。與這3種元素類型不同的是，任何三維幾何體，無論其形狀或拓?fù)洌伎梢耘c四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，而且它們是唯一一種可用于自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化的單元。

在本研究中，四面體單元更適合于邊界區(qū)域的離散化。圖1為計(jì)算區(qū)域的空間離散剖分構(gòu)建結(jié)果，為了解決壁面區(qū)域附近垂直于管壁的流量變化現(xiàn)象，使用默認(rèn)邊界層網(wǎng)格，同時(shí)減少與管壁相切方向上的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)量，從而有助于避免收斂不穩(wěn)定。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，同時(shí)保證得到的解與網(wǎng)格無關(guān)，進(jìn)行了網(wǎng)格收斂分析。當(dāng)網(wǎng)格單元數(shù)大于7 956時(shí)，在10 s的計(jì)算時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了＜0.1%的變化。同樣，當(dāng)元素?cái)?shù)量超過60 000時(shí)，擴(kuò)展到三維模型的收斂性分析顯示變化小于1%，但是計(jì)算時(shí)間增加了210 s。為保證計(jì)算精度和收斂速度的平衡，對于目前使用自由網(wǎng)格的分析，二維和三維模型分別使用7 956個(gè)三角形單元和1 520個(gè)四面體單元。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

利用上述多物理場仿真模型，首先對充有SF6絕緣氣體的氣體絕緣輸電管道溫度場分布進(jìn)行研究。設(shè)定初始環(huán)境溫度為298 K（25℃），高壓導(dǎo)體的激勵(lì)源選擇工頻50 Hz，載流為3500 A，SF6氣體的氣壓為0.4 MPa。

二維管道達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的溫度分布如圖2所示。從圖2可以看出，求解域內(nèi)溫度整體分布接近軸對稱，且高壓導(dǎo)體、氣體和外殼溫度自上而下呈現(xiàn)梯度分布的模式。溫度最高值出現(xiàn)在高壓導(dǎo)體的頂部，為358.2 K；溫度最低值出現(xiàn)在外殼的最底部，為323 K。高壓導(dǎo)體為主要熱源，其頂部與底部的溫差為1.2 K；外殼頂端與底端的溫差較大，達(dá)到3.7 K。對于SF6氣體，由于其較強(qiáng)的流動(dòng)性，溫度呈現(xiàn)出明顯的上高下低規(guī)律。

圖2 二維GIL管道穩(wěn)態(tài)溫度場分布Fig.2 Steady state temperature field distribution of two dimensional GIL pipeline

表2為仿真計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[17]利用溫度傳感器對500 kV GIL導(dǎo)體及外殼進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度測量結(jié)果的對比。從表2可以看出，導(dǎo)體上下位置溫度仿真計(jì)算值的相對誤差在1.3%～1.4%，而且計(jì)算值均高于實(shí)驗(yàn)值，這與仿真模型將盆式絕緣子看作絕熱體而進(jìn)行二維簡化計(jì)算有關(guān)[18]。對于GIL外殼，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)測量值更為接近，誤差在1%以內(nèi)。該仿真模型溫度分布的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際氣體絕緣裝備關(guān)鍵位置的溫度分布測量結(jié)果接近，溫升狀態(tài)滿足同軸結(jié)構(gòu)自然對流主導(dǎo)的分布規(guī)律，可認(rèn)為該模型可靠。因此，后續(xù)使用此模型仿真不同氣體下氣體絕緣輸電管道的溫度場分布，對典型環(huán)保型絕緣氣體的傳熱性能進(jìn)行評估。

表2 GIL穩(wěn)態(tài)溫度仿真計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果對比Tab.2 Comparison between simulation calculation and experimental measurement results of steady state temperature for GIL

計(jì)算過程中，SF6、c-C4F8、空氣和 CO2氣體的熱學(xué)相關(guān)參數(shù)來源于美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院發(fā)布的REFPROP軟件，C5F10O的相關(guān)數(shù)據(jù)來源于3M公司提供的熱物性手冊[19]，如表3所示。

表3 SF6、c-C4F8、C5F10O、空氣和CO2氣體的熱學(xué)相關(guān)參數(shù)Tab.3 Thermal parameters of SF6,c-C4F8,C5F10O,air,and CO2

圖3為采用c-C4F8/CO2混合氣體的GIL從外殼底端至頂端的徑向溫度分布。

圖3 采用c-C4F8/CO2混合氣體的GIL徑向溫度分布Fig.3 Radial temperature distribution of GIL with c-C4F8/CO2gas mixtures

從圖3可以看出，相同氣壓下，c-C4F8/CO2混合氣體的傳熱性能比SF6氣體差。5% c-C4F8/95% CO2混合氣體中高壓導(dǎo)體的最高溫度比SF6中高4.5 K，20% c-C4F8/80% CO2混合氣體中高壓導(dǎo)體的最高溫度比SF6中高3 K。對于外殼，不同氣體下的溫升較為接近。隨著c-C4F8體積分?jǐn)?shù)的增加，c-C4F8/CO2混合氣體的傳熱性能有一定改善，當(dāng)c-C4F8的體積分?jǐn)?shù)到達(dá)20%時(shí)，其散熱能力與SF6較為接近，在中壓系統(tǒng)的絕緣氣體替代中具備一定的應(yīng)用潛力。

圖4為采用C5F10O/空氣混合氣體的GIL徑向溫度分布。從圖4可以看出，相同氣壓下，C5F10O/空氣混合氣體的傳熱性能相較于SF6氣體和相同配比的c-C4F8/CO2混合氣體散熱能力下降較多。5% C5F10O/95%空氣混合氣體中高壓導(dǎo)體的最高溫度比SF6中高7.6 K，20% C5F10O/80%空氣混合氣體中高壓導(dǎo)體的最高溫度比SF6中高5 K，與5% c-C4F8/95% CO2混合氣體的傳熱性能較為接近。同樣，該混合氣體中外殼溫度變化與SF6氣體比較相對差異較小。C5F10O氣體濃度的提高，同樣使得混合氣體的傳熱性能有了明顯改善。

圖4 采用C5F1OO/空氣混合氣體的GIL徑向溫度分布Fig.4 Radial temperature distribution of GIL with C5F10O/air gas mixtures

將填充SF6氣體、c-C4F8/CO2、C5F10O/空氣3種混合氣體的GIL溫度分布進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)在同等條件下，SF6氣體的傳熱性能優(yōu)于c-C4F8/CO2混合氣體和C5F10O/空氣混合氣體。這是因?yàn)闆Q定氣體對流換熱的關(guān)鍵參數(shù)是動(dòng)力黏度和定壓熱容。c-C4F8氣體的動(dòng)力黏度和定壓熱容本身與SF6較為接近，但是，由于為降低其液化溫度而采用了較高含量的CO2氣體，使其散熱能力有所降低。而對于C5F10O，其分子量比SF6大，動(dòng)力黏度相對較低，使其本身也具備較好的導(dǎo)熱性。使用空氣作為緩沖方案后，由于空氣的散熱能力相較于SF6差距較大，導(dǎo)致充有C5F10O/空氣混合氣體的氣體絕緣裝備溫升較高。

對于環(huán)保型氣體絕緣輸電設(shè)備，傳熱性能的優(yōu)劣是進(jìn)行替代氣體選擇的重要考慮因素。通過上述對比分析可以看出，使用典型環(huán)保型絕緣氣體與緩沖氣體形成的混合氣體替代方案，其傳熱性能相較于SF6有一定程度的下降，建議通過適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)增強(qiáng)設(shè)備發(fā)熱嚴(yán)重部件的散熱。如在外殼上增加散熱片，或在滿足電場設(shè)計(jì)合理的前提下，在導(dǎo)體上加工散熱槽或散熱孔，以改善帶電部件周圍的氣體對流能力[20]。此外，電接觸的可靠性對于GIL、GIS長期工作的溫升具有重要影響，應(yīng)增加觸點(diǎn)或觸片數(shù)，考慮增大接觸壓力和采用觸頭鍍銀、鍍錫等措施減小接觸電阻[21]，從而實(shí)現(xiàn)替代氣體應(yīng)用后可能面臨的電接觸及附近導(dǎo)體溫升超過設(shè)備限制的隱患。

3 氣壓對溫升的影響及優(yōu)選

氣壓是影響氣體傳熱的重要影響因素，圖5為提高氣體壓力后，采用c-C4F8/CO2、C5F10O/空氣混合氣體的GIL高壓導(dǎo)體和外殼溫升隨氣壓的變化。

圖5 氣壓對GIL溫升的影響Fig.5 Influence of gas pressure on the temperature rise of GIL

從圖5可以看出，隨著氣壓的增大，高壓導(dǎo)體的溫升逐漸下降。當(dāng)氣壓提高至0.5 MPa時(shí)，20% C5F10O/80%空氣、5% c-C4F8/95% CO2混合氣體的散熱能力有一定提高，高壓導(dǎo)體溫升下降到國家標(biāo)準(zhǔn)要求的溫升范圍內(nèi)。當(dāng)5% C5F10O/95%空氣混合氣體的氣壓提高至0.6 MPa及其以上時(shí)，采用該絕緣氣體的GIL高壓導(dǎo)體溫升達(dá)到使用要求[22]。這是因?yàn)闅怏w壓強(qiáng)的增大使得管道內(nèi)部氣體的分子密度增大，對流換熱能力增強(qiáng)，由高壓導(dǎo)體通流產(chǎn)生的熱量更快地傳導(dǎo)到外界。最終，在導(dǎo)體總發(fā)熱量不變的情況下，高壓導(dǎo)體溫升隨氣壓升高而降低。但外殼溫升則出現(xiàn)緩慢升高的現(xiàn)象，這是由于環(huán)境溫度對外殼溫度起主導(dǎo)作用，所以幾種不同氣體環(huán)境中的外殼溫升差異較小。

4 結(jié)論

（1）隨著c-C4F8和C5F10O氣體含量的提高，c-C4F8/CO2、C5F10O/空氣混合氣體的傳熱性能有較大改善。相應(yīng)地，采用這兩種混合氣體的GIL/GIS高壓導(dǎo)體和外殼溫升隨主絕緣氣體含量的提升而逐漸降低。

（2）對于c-C4F8和C5F10O氣體含量相同的兩種混合氣體方案，c-C4F8/CO2混合氣體的散熱能力優(yōu)于C5F10O/空氣混合氣體。其中，20% c-C4F8/80% CO2混合氣體的傳熱性能與SF6最為接近，在搭載流量氣體的絕緣輸變電裝備上可替代SF6氣體使用。

（3）兩種典型環(huán)保型混合氣體的散熱能力均隨氣壓增大而增強(qiáng)。提升1個(gè)大氣壓后，高壓導(dǎo)體的溫升可接近或低于國家標(biāo)準(zhǔn)要求的限值。因此，適當(dāng)提高氣壓可改善由于替代氣體引發(fā)輸變電設(shè)備溫升提高問題。