庞乐乐(1988),女,硕士,工程师,从事电网一次设备运维及检修试验相关工作(E-mail:
杨文勇(1979),男,学士,高级工程师,从事电网一次设备运维及检修试验相关工作
李鹏飞(1989),男,硕士,工程师,从事电网一次设备运维及检修试验相关工作
SF6/N2混合气体具有绝缘性能良好、环境效益好等优点,被认为是能替代SF6的最具发展前景的气体之一,但SF6/N2混合气体在不同场景下的混合比问题尚缺乏研究。文中在保证气体绝缘输电线路(GIL)绝缘水平的前提下,建立多物理场耦合计算模型,从混合气体热特性的角度出发,分析不同绝缘气体压强、负载电流和环境温度下SF6/N2混合比与GIL温升之间的关系,为GIL在不同场景下选择合适的SF6/N2混合比提供依据。结果表明:绝缘气体压强和相同压强下SF6含量均与GIL温升呈负相关关系;设备的负载电流长期超过3 kA时,建议SF6含量为40%~60%;设备运行在中低纬度地区时,建议SF6含量为40%~70%,运行在高纬度地区时,建议SF6含量为30%~40%。此外,由于设计GIL设备时考虑了安全裕度,因此通常SF6含量不低于建议值的70%就能满足GIL设备的绝缘和温升要求。
SF6/N2 gas mixture is considered as one of the most promising gases to replace SF6 because of its good insulation performance and environmental benefits. However, there is a lack of research on the mixing ratio of SF6/N2 gas mixture in different conditions. Under the premise of ensuring the insulation level of gas-insulated transmission lines (GIL), a multi-physical field coupling calculation model is established. From the perspective of heat characteristics of gas mixture, the relationship between SF6/N2 mixing ratio and GIL temperature rise under different insulating gas pressure, load current and ambient temperature is analyzed to determine the appropriate SF6/N2 mixture ratio under different conditions. The results show that there is a negative correlation between the insulation gas pressure (or the SF6 content) and GIL temperature rise at the same pressure. The SF6 content is suggested to be in the range of 40%~60% when the load current exceeds 3 kA for a long period of time, 40%~70% when the equipment is running in the middle and low latitudes, and 30%~40% when the equipment is in the high latitudes. In addition, considering the safety margin, the insulation and temperature rise requirements of GIL can be met when SF6 content is not less than 70% of the recommended value.
气体绝缘输电线路(gas insulated transmission lines,GIL)具有电压等级高、传输容量大、可靠性高、环境适应能力强等优点[
目前,国内外学者针对SF6混合气体与替代气体已进行了大量研究。现有的新型气体CF3I,C4F7N和c-C4F8的绝缘性能研究还不完善,且易受不均匀电场的影响[
针对SF6/N2混合气体的气体绝缘和气体击穿等,目前已取得了丰富的研究成果[
因此,文中在满足GIL绝缘能力的前提下,采用有限元法,结合GIL和材料热物性参数以及边界条件建立单相三维GIL仿真模型。利用该模型,通过改变绝缘气体压力、负载电流、环境温度,研究了不同条件下,不同SF6/N2混合比对GIL温升特性的影响,从而为不同条件下SF6/N2混合比的确定提供了使用依据,对降低SF6的使用量、减少对环境的影响具有重要意义。
以1 100 kV GIL为研究对象,包括铝合金材料的导体和外壳,盆式绝缘子,触头,绝缘气体和支撑绝缘子等部分。
在GIL导体流经负载电流时导体和壳体均会产生焦耳热损耗,因此通过麦克斯韦方程组求解,其控制方程表达式如下[
式中:
计算壳体热损耗时,由于电磁感应,GIL外壳上产生2种感应电流,即外壳接地引起的壳体环流和在壳体横截面内的涡流。全连式结构的涡流损耗在工程计算中可以忽略不计[
式中:
为简化计算,考虑GIL的工作环境和结构,作出以下假设:(1) 由于绝缘气体和空气的流速远低于声速,可将其视为不可压缩粘性流体处理。(2) 对于单相GIL,导体和壳体材质各向同性,热损耗在其内部均匀分布。(3) GIL绝缘气体处于自然对流状态,即因温度差而导致绝缘气体存在密度差,造成气体流动。(4) 空气域的外边界温度为环境温度,不受GIL内部发热的影响。
当产生的热量与交换的热量相同时认为GIL处于热平衡状态,GIL热交换过程如
GIL热交换过程
Heat exchange process of GIL
式中:
GIL外壳和导体内部的传热主要由热传导控制方程表示,当分析由于GIL载流量变化引起的温度变化过程时,由于载流量是时间的函数,所以传热微分方程也应包括时间。GIL热传导控制方程为[
式中:
GIL与空气域之间的对流换热可以等效为大空间内水平圆柱体的对流换热,因此边界条件为:
式中:
GIL导体与外壳之间以及外壳对空气的热辐射可以根据前面的假设和Stefan-Boltzmann定律来计算[
式中:
在工程应用中,需要求解多物理场耦合作用下混合气体的热物性参数。气体密度
式中:
利用NIST发布的REFPROP9.0软件,计算SF6和N2的热物性参数。大气压强0.1 MPa,环境温度293.15 K下的热物性参数如
热物性参数
Physical and chemical parameters
参数 | SF6 | N2 |
6.064 0 | 1.149 6 | |
0.661 0 | 1.041 3 | |
0.601 0 | 0.743 0 | |
1.199 2×10-5 | 1.757 2×10-5 | |
1.262×10-2 | 2.547×10-2 |
密度和温度之间的关系满足理想气体状态方程:
导热系数和动力粘度满足Sutherland定律:
式中:
利用COMSOL仿真软件建立三维电磁-流体-温度场多物理场耦合的GIL模型,有限元模型主要分为外部空气、壳体、绝缘气体和导体。模型的具体参数如
1 100 kV GIL参数
Parameters of 1 100 kV GIL
参数 | 数值 |
额定电压/kV | 1 100 |
额定电流/kA | 6.3 |
额定短时耐受电流/kA | 63 |
额定峰值耐受电流/kA | 170 |
标准直线单元母线长度/m | 18 |
壳体外径/mm | 900 |
导体外径/mm | 200 |
三维模型可以描述径向和轴向的传热特性,
三维GIL模型仿真结果
Simulation results of 3D GIL model
此外,由于气体的自然对流和温度分布不均匀,导体和外壳的温度分布从上到下逐渐减小,外壳温差为6.92 K,导体则相差0.53 K。1 100 kV GIL的工作环境为江底管廊,所以文中在考虑参考温度选取时忽略了气体流动和日照的影响,选择外壳正上方的温度作为参考。经仿真验证,额定短时耐受电流和额定峰值耐受电流的温升在标准允许范围内,这些电流突变引起的瞬间温升小于1 K。
为验证仿真模型的准确性,利用TESTO 890红外测温仪在苏通GIL综合管廊进行红外测温,在负载电流1 000 A,管廊环境温度291.2 K时,测得
红外测温
Infrared temperature measurement
红外测温数据和仿真结果对比
Comparison of infrared temperature measurement data and simulation results
导体电流/kA | 环境温度/K | 3次红外测温温度/K | 红外测温均值/K | 仿真值/K | 误差/K |
0.55 | 291.50 | 294.00,294.10,294.10 | 294.07 | 293.65 | 0.42 |
0.8 | 291.80 | 294.20,294.20,294.20 | 294.20 | 293.80 | 0.40 |
1.0 | 291.20 | 293.55,293.65,293.35 | 293.52 | 293.70 | 0.18 |
1.2 | 292.15 | 294.35,294.35,294.40 | 294.37 | 294.80 | 0.43 |
1.4 | 293.15 | 294.40,294.50,294.40 | 294.40 | 295.10 | 0.70 |
由
由于GIL实际工作环境较为复杂,为了保证GIL的工作可靠性,有必要综合考虑SF6/N2混合气体在不同组分、不同条件下的热特性。控制变量法可以研究多种影响因素的作用效果大小。因此,通过控制和调整单一变量研究在不同的绝缘气体压力、负载电流和环境温度下,SF6/N2不同的混合比对GIL导体和壳体温升的影响。影响因素和参数值如
影响因素
Influencing factors parameters
影响因素 | 数值 |
绝缘气体压强/MPa | 0.3,0.4,0.5,0.6 |
负载电流/kA | 1,2,3,4,5,6.3 |
环境温度/K | 243.15, 253.15, 263.15, 273.15, |
此外,SF6/N2的介电强度按归一化值考虑,包括归一化压力、归一化数量和归一化本征介电强度。根据SF6/N2的特性,在相同的压强下当SF6含量大于20%时,混合气体的绝缘能力可以达到纯SF6的70%~80%[
由于混合气体参数随混合气体压强的变化而变化,考虑到混合气体的绝缘能力和GIL结构的强度,文中的绝缘气体压强范围为0.3~0.6 MPa,环境温度为293.15 K,负载电流为6.3 kA,导体和壳体的温升如
不同气压不同SF6含量下GIL温升
Temperature rise of GIL under different pressure and different SF6 content
如
通过对比导体和壳体温升,发现导体对绝缘气体压强的变化更敏感。在相同的混合气体比例下,导体温度随着压强的增加而显著降低。因为气体密度随气体压强的增大而增大,传热系数也随之增加,这意味着绝缘气体可以交换更多的热量从而导致导体温度降低比外壳温度降低更加显著。
稳态时壳体等温升的压强和混合气体比例
Pressure and proportion of gas mixture for isothermal rise of the enclosure at steady state
壳体温升/K | 压强/MPa | SF6含量/% |
0.4 | 53 | |
17.6 | 0.5 | 32 |
1.6 | 25 | |
0.4 | 100 | |
16.6 | 0.5 | 48 |
0.6 | 37 | |
15.8 | 0.5 | 100 |
0.6 | 58 |
综上所述,增加绝缘气体压强有利于降低导体温度,20%的SF6即具有良好的介电强度,然而,当SF6含量在20%~30%之间时,GIL温升曲线变化较为明显。为了减少SF6的使用量,降低温升,建议在GIL应用中使用SF6含量30%~70%的SF6混合气体。但文中仅给出定性分析,实际应用中,具体的压强须要根据混合气体的比例略作修改。
当绝缘气体压强为0.4 MPa时,仿真得到的内部绝缘气体的压强等值线如
绝缘气体压强等值线
Insulating gas pressure isoline
温度与焦耳热损耗直接相关,热交换、外壳感应电流和涡流损耗、导体热损耗共同作用,导致导体、外壳和绝缘气体温度升高。因此,电流是引起温度变化的重要原因之一。
在GIL正常运行过程中,GIL的负载电流在长期运行期间不超过3 kA,因此仿真中的电流设置为1 kA,2 kA,3 kA,4 kA,5 kA,6.3 kA,环境温度为293.15 K,绝缘气体压强为0.4 MPa。
温升与电流变化有关,正如前文分析,不同负载电流和不同SF6含量下GIL温升如
不同电流不同SF6含量下GIL温升
Temperature rise of GIL under different current and different SF6 content
如
在相同的气体组分下,导体和外壳的温度都与负载电流呈非线性正相关。这是因为导体和外壳的焦耳热损耗与负载电流呈非线性增长关系,所以随着负载电流的增加,GIL热量生成的速度加快,并且导体和外壳之间的温差越来越明显。因此,实际工程中应根据负载电流的最大值选择SF6含量。
为了保证供电的可靠性,关键区域经常使用双回路GIL。因此,同时考虑了双回GIL供电线路中,当一回线路的一相发生故障时,另一回线路须要承担所有线路电流。假设长期运行时,每条线路的电流为3 kA,如果线路Ⅰ的B相发生故障,线路Ⅱ须要承载6 kA的电流。
文中以SF6/N2(其中SF6含量60%)为例。故障发生在1.3×104 s,线路Ⅱ的电流从3 kA增加到6 kA,其温升如
线路温升
The line temperature rise
绝缘气体的传热性能对电气参数有重要意义,混合气体参数
不同温度不同SF6含量下GIL温升
Temperature rise of GIL under different temperature and different SF6 content
由
从替代纯SF6绝缘气体的角度出发,采用有限元和多物理场耦合的方法分析了不同SF6含量下的传热特性。通过建立三维轴对称GIL模型,研究了不同影响因素下SF6/N2的传热特性,具体分析了导体和壳体的温升趋势。主要结论可归纳如下:
(1) 绝缘气体压强和导体、壳体的温升有一定的负相关关系,SF6组分也呈现类似趋势。不同的绝缘气体压强会导致导体的温度变化范围大于壳体。因此建议SF6含量在30%~70%之间,压强应根据SF6含量略作修改。当保持SF6/N2混合气体不变时,导体和外壳的温度随着压强的增加而显著降低。
(2) 如果设备长期运行期间电流超过3 kA,建议SF6含量应选择在40%~60%之间;若设备长期运行期间电流不超过3 kA,建议SF6含量应选择在20%~40%之间;当在额定电流下运行时,SF6含量应高于60%。
(3) 导体和壳体的温升随着SF6含量的增加呈下降趋势,不同环境温度的趋势相似。当SF6含量超过40%时,温升变化趋势变得平缓,当SF6含量超过70%时,温升几乎不再发生变化。因此,当设备运行在中低纬度时,SF6含量建议在40%~70%之间;当设备运行在高纬度地区时,SF6含量建议在30%~40%之间。
此外,GIL通常不会在极限温度下运行,由于在设计设备时考虑了安全裕度,因此通常SF6含量不低于建议值的70%就能够满足GIL设备的绝缘和温升要求。根据对GIL混合气体热特性的定性分析,在实际应用中,可以定量分析不同的影响因素,得到最佳的SF6/N2含量,为实际工程中,在不同运行条件下选择合适的SF6/N2混合比提供依据,从而减少SF6的使用量,减少电力设备对环境的影响。
本文得到国网冀北电力有限公司科技项目“基于边缘计算的GIS温度反演及过热故障诊断”(830107200003)资助,谨此致谢!
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