基于混合氣體熱特性的GIL氮氣使用配比研究

龐樂樂， 楊文勇， 李鵬飛， 郭曉飛， 高鵬， 梁睿

(1. 國網冀北電力有限公司張家口供電公司，河北 張家口 075000；2. 中國礦業大學電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

氣體絕緣輸電線路(gas insulated transmission lines，GIL)具有電壓等級高、傳輸容量大、可靠性高、環境適應能力強等優點[1—3],在電力系統中得到越來越廣泛的應用。目前，GIL主要使用純SF6氣體作為絕緣氣體，但大量研究發現，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程可以達到3 200 a左右[4—6]，這表明SF6是一種溫室效應顯著且在大氣中難以分解的惰性氣體。為應對全球氣候變暖問題，歐盟相關國家明確規定：截止2030年，歐盟國家境內SF6排放量控制到2014年排放量的1/3。我國也制定了“碳達峰，碳中和”的國家戰略目標，因此，整個電力行業亟須減少SF6的使用。

目前，國內外學者針對SF6混合氣體與替代氣體已進行了大量研究?，F有的新型氣體CF3I，C4F7N和c-C4F8的絕緣性能研究還不完善，且易受不均勻電場的影響[7—9]。與SF6混合氣體相比，CF3I的伏秒特性受電場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[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、電場均勻性靈敏度高、經濟和環境效益好等優點，具有很好的應用前景[11]，同時SF6/N2混合氣體能在較大的溫度范圍內保持穩定，可應用于寒冷地區[12]。

針對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]。研究發現，隨著壓強的增加，不同混合比的SF6/N2混合氣體的擊穿電壓線性增加，并趨于穩定，且SF6含量為10%～20%時即可保持足夠的絕緣能力[17]。然而，在滿足設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較少，且均未研究不同條件下滿足工程需要的SF6/N2混合比方案。

因此，文中在滿足GIL絕緣能力的前提下，采用有限元法，結合GIL和材料熱物性參數以及邊界條件建立單相三維GIL仿真模型。利用該模型，通過改變絕緣氣體壓力、負載電流、環境溫度，研究了不同條件下，不同SF6/N2混合比對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，對降低SF6的使用量、減少對環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為研究對象，包括鋁合金材料的導體和外殼，盆式絕緣子，觸頭，絕緣氣體和支撐絕緣子等部分。

1.1 電磁場數值計算

在GIL導體流經負載電流時導體和殼體均會產生焦耳熱損耗，因此通過麥克斯韋方程組求解，其控制方程表達式如下[18]：

(1)

式中：Js為電流密度；μ為介質的磁導率；ρ為導體電導率；A為磁矢位；ω為角頻率。在計算導體的焦耳熱損耗時，由于外殼接地的屏蔽作用，GIL導體的鄰近效應系數為1，阻抗較小。因此，不平衡電流的影響可以忽略不計，只考慮集膚效應[19]。

計算殼體熱損耗時，由于電磁感應，GIL外殼上產生2種感應電流，即外殼接地引起的殼體環流和在殼體橫截面內的渦流。全連式結構的渦流損耗在工程計算中可以忽略不計[20]。GIL導體與殼體單位體積下的損耗為[21]：

(2)

(3)

式中：Pdv，Pkv分別為導體、殼體單位體積焦耳熱功率；Id為導體電流;Ik為殼體感應電流；Rd，Rk分別為導體、殼體電阻值；Sd，Sk分別為導體、殼體的橫截面積。

1.2 溫度場數值計算

為簡化計算，考慮GIL的工作環境和結構，作出以下假設：(1) 由于絕緣氣體和空氣的流速遠低于聲速，可將其視為不可壓縮粘性流體處理。(2) 對于單相GIL，導體和殼體材質各向同性，熱損耗在其內部均勻分布。(3) GIL絕緣氣體處于自然對流狀態，即因溫度差而導致絕緣氣體存在密度差，造成氣體流動。(4) 空氣域的外邊界溫度為環境溫度，不受GIL內部發熱的影響。

當產生的熱量與交換的熱量相同時認為GIL處于熱平衡狀態，GIL熱交換過程如圖1所示，熱平衡公式為式(4)和式(5)。

圖1 GIL熱交換過程Fig.1 Heat exchange process of GIL

Pd+Pk=QkF+QkD

(4)

Pd=QdF+QdD

(5)

式中：Pd為導體焦耳熱損耗；Pk為殼體渦流損耗；QkF為殼體輻射散熱量；QkD為殼體對流散熱量；QdF為導體輻射散熱量；QdD為導體對流散熱量。

GIL外殼和導體內部的傳熱主要由熱傳導控制方程表示，當分析由于GIL載流量變化引起的溫度變化過程時，由于載流量是時間的函數，所以傳熱微分方程也應包括時間。GIL熱傳導控制方程為[22]：

(6)

式中：ρT為導體或殼體在溫度T時的材料密度；Cp為恒壓熱容；λT為溫度T時的導熱系數；T為實際溫度；Q為熱損耗；t為運行時間。

GIL與空氣域之間的對流換熱可以等效為大空間內水平圓柱體的對流換熱，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流換熱量；Tk為殼體溫度；Tkq為空氣域溫度;hk為對流換熱系數。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流換熱系數hkD和考慮氣流的強制對流換熱系數hkF。

GIL導體與外殼之間以及外殼對空氣的熱輻射可以根據前面的假設和Stefan-Boltzmann定律來計算[23]：

(8)

(9)

式中：qdk為導體與外殼之間的熱輻射；qkF為外殼對空氣的熱輻射；σ為Stefan-Boltzmann常數；εd0，εk，εk0分別為導體外表面、外殼內表面和外殼外表面的表面發射率，其大小與導體和外殼所涂的材料有關；Td為導體溫度；Dd0為導體外徑；Dk為殼體內徑。

1.3 混合氣體熱物性參數

在工程應用中，需要求解多物理場耦合作用下混合氣體的熱物性參數。氣體密度ρ、恒壓熱容Cp、定容熱容Cv都與溫度和壓力有關。然而，導熱系數k和動力粘度μ只與溫度有關，其熱物性參數計算如下[24]：

(10)

(11)

式中：αm為熱物性參數，包括ρ，Cp，Cv，k，μ；αi為組分i對應的熱物性參數；n為混合氣體組分的數量，文中n=2；yi為組分i的摩爾分數；Mi為組分i的相對分子質量；β為與熱物性參數相關的常數。

利用NIST發布的REFPROP9.0軟件，計算SF6和N2的熱物性參數。大氣壓強0.1 MPa，環境溫度293.15 K下的熱物性參數如表1所示。

表1 熱物性參數Table 1 Physical and chemical parameters

密度和溫度之間的關系滿足理想氣體狀態方程：

(12)

導熱系數和動力粘度滿足Sutherland定律：

(13)

(14)

式中：ρ0為溫度T0時混合氣體的密度；p0為溫度T0時混合氣體的壓強；k0為溫度T0時混合氣體的導熱系數；μ0為溫度T0時混合氣體的動力粘度；T0為參考溫度，值為293.15 K；S為Sutherland常數。

2 仿真結果與分析

利用COMSOL仿真軟件建立三維電磁-流體-溫度場多物理場耦合的GIL模型，有限元模型主要分為外部空氣、殼體、絕緣氣體和導體。模型的具體參數如表2所示，其中GIL可以在短時耐受電流下運行2 s。

表2 1 100 kV GIL參數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模型仿真結果。如圖2(a)所示，絕緣子對溫度場的影響被忽略。

圖2 三維GIL模型仿真結果Fig.2 Simulation results of 3D GIL model

圖2(a)中，溫度場在求解域內對稱分布，導體溫度最高為359.88 K，外殼底部溫度最低為325.94 K，GIL內部絕緣氣體溫度分布不均。由于氣體受熱后向上流動，對流更強。絕緣氣體的流速如圖2(b)所示，加熱的絕緣氣體從導體垂直流向外殼，并沿著外殼呈圓柱狀流動，流向外殼底部。在此過程中，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，導體加熱絕緣氣體，循環再次開始。因此，導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軸向方向沒有溫度變化。

此外，由于氣體的自然對流和溫度分布不均勻，導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，導體則相差0.53 K。1 100 kV GIL的工作環境為江底管廊，所以文中在考慮參考溫度選取時忽略了氣體流動和日照的影響，選擇外殼正上方的溫度作為參考。經仿真驗證，額定短時耐受電流和額定峰值耐受電流的溫升在標準允許范圍內，這些電流突變引起的瞬間溫升小于1 K。

為驗證仿真模型的準確性，利用TESTO 890紅外測溫儀在蘇通GIL綜合管廊進行紅外測溫，在負載電流1 000 A，管廊環境溫度291.2 K時，測得M1點的溫度為293.55 K，M2點的溫度為293.65 K，M3點的溫度為293.35 K，實際紅外測溫如圖3所示。為進一步驗證模型的有效性，不同條件下的測溫結果與仿真數據對比如表3所示。

圖3 紅外測溫Fig.3 Infrared temperature measurement

表3 紅外測溫數據和仿真結果對比Table 3 Comparison of infrared temperature measurement data and simulation results

由表3可知，紅外測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實際工作環境較為復雜，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，通過控制和調整單一變量研究在不同的絕緣氣體壓力、負載電流和環境溫度下，SF6/N2不同的混合比對GIL導體和殼體溫升的影響。影響因素和參數值如表4所示。

表4 影響因素Table 4 Influencing factors parameters

此外，SF6/N2的介電強度按歸一化值考慮，包括歸一化壓力、歸一化數量和歸一化本征介電強度。根據SF6/N2的特性，在相同的壓強下當SF6含量大于20%時，混合氣體的絕緣能力可以達到純SF6的70%～80%[25]，能夠滿足技術和環保要求。因此，文中選擇的SF6含量為20%～100%。

3.1 絕緣氣體壓強

由于混合氣體參數隨混合氣體壓強的變化而變化，考慮到混合氣體的絕緣能力和GIL結構的強度，文中的絕緣氣體壓強范圍為0.3～0.6 MPa，環境溫度為293.15 K，負載電流為6.3 kA，導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時的溫升為4組中最低的。需要指出的是，壓強越大，導體和殼體的溫升越低，二者呈負相關。此外，在相同壓強下，SF6含量與導體和殼體的溫升呈負相關。當SF6含量小于30%時，GIL的溫升趨勢均明顯下降，而當SF6含量超過70%時，隨著SF6含量達到一定水平，溫升沒有明顯變化。

通過對比導體和殼體溫升，發現導體對絕緣氣體壓強的變化更敏感。在相同的混合氣體比例下，導體溫度隨著壓強的增加而顯著降低。因為氣體密度隨氣體壓強的增大而增大，傳熱系數也隨之增加，這意味著絕緣氣體可以交換更多的熱量從而導致導體溫度降低比外殼溫度降低更加顯著。

表5為溫升值相同時的幾組氣體壓強和混合氣體比例。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 穩態時殼體等溫升的壓強和混合氣體比例Table 5 Pressure and proportion of gas mixture for isothermal rise of the enclosure at steady state

綜上所述，增加絕緣氣體壓強有利于降低導體溫度，20%的SF6即具有良好的介電強度，然而，當SF6含量在20%～30%之間時，GIL溫升曲線變化較為明顯。為了減少SF6的使用量，降低溫升，建議在GIL應用中使用SF6含量30%～70%的SF6混合氣體。但文中僅給出定性分析，實際應用中，具體的壓強須要根據混合氣體的比例略作修改。

當絕緣氣體壓強為0.4 MPa時，仿真得到的內部絕緣氣體的壓強等值線如圖5所示。由于GIL上方溫度高于下方，壓強會有2×10-4MPa的微小差異，所以絕緣氣體的壓強在空間中認為是相等的。

圖5 絕緣氣體壓強等值線Fig.5 Insulating gas pressure isoline

3.2 負載電流

溫度與焦耳熱損耗直接相關，熱交換、外殼感應電流和渦流損耗、導體熱損耗共同作用，導致導體、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正常運行過程中，GIL的負載電流在長期運行期間不超過3 kA，因此仿真中的電流設置為1 kA，2 kA，3 kA，4 kA，5 kA，6.3 kA，環境溫度為293.15 K，絕緣氣體壓強為0.4 MPa。

溫升與電流變化有關，正如前文分析，不同負載電流和不同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，當電流小于1 kA時，SF6/N2的比例對溫升的影響不大。當電流低于3 kA時，導體溫升低于15 K，同時外殼溫升低于10 K，在這種情況下，實際應用的混合氣體比例應由其他因素共同決定。然而，當電流超過3 kA時，從溫升變化的角度來看，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，在實際應用中，SF6含量選取60%～80%即可滿足絕緣和溫升要求。

在相同的氣體組分下，導體和外殼的溫度都與負載電流呈非線性正相關。這是因為導體和外殼的焦耳熱損耗與負載電流呈非線性增長關系，所以隨著負載電流的增加，GIL熱量生成的速度加快，并且導體和外殼之間的溫差越來越明顯。因此，實際工程中應根據負載電流的最大值選擇SF6含量。

為了保證供電的可靠性，關鍵區域經常使用雙回路GIL。因此，同時考慮了雙回GIL供電線路中，當一回線路的一相發生故障時，另一回線路須要承擔所有線路電流。假設長期運行時，每條線路的電流為3 kA，如果線路Ⅰ的B相發生故障，線路Ⅱ須要承載6 kA的電流。

文中以SF6/N2(其中SF6含量60%)為例。故障發生在1.3×104s，線路Ⅱ的電流從3 kA增加到6 kA，其溫升如圖7所示，當線路電流以2倍的幅值突變后，導體的溫升小于6.45 K，殼體的溫升約為3.65 K。因此，溫升結果表明當SF6含量超過40%時，GIL可以承受線路電流的短期大幅增加。

圖7 線路溫升Fig.7 The line temperature rise

3.3 環境溫度

絕緣氣體的傳熱性能對電氣參數有重要意義，混合氣體參數ρ，Cp，Cv，k，μ都與環境溫度有關，進一步影響絕緣氣體的熱傳導和自然對流。因此，就不同環境溫度下的GIL溫升情況展開分析，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，導體和外殼的溫升呈下降趨勢且導體溫度的變化幅度較大。不同環境溫度下的導體溫升曲線表明，當SF6含量超過40%時，溫升變化趨勢變得相對平緩。雖然外殼的溫度變化趨勢略有不同，但當SF6的含量超過70%時，導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，當環境溫度為313.15 K時，外殼溫升低于25 K，導體溫升低于38 K。符合現行的國際標準IEC 62271-1、國內標準GB/T 22383—2017和GB/T 11022—2011的要求。

4 結論

從替代純SF6絕緣氣體的角度出發，采用有限元和多物理場耦合的方法分析了不同SF6含量下的傳熱特性。通過建立三維軸對稱GIL模型，研究了不同影響因素下SF6/N2的傳熱特性，具體分析了導體和殼體的溫升趨勢。主要結論可歸納如下：

(1) 絕緣氣體壓強和導體、殼體的溫升有一定的負相關關系，SF6組分也呈現類似趨勢。不同的絕緣氣體壓強會導致導體的溫度變化范圍大于殼體。因此建議SF6含量在30%～70%之間，壓強應根據SF6含量略作修改。當保持SF6/N2混合氣體不變時，導體和外殼的溫度隨著壓強的增加而顯著降低。

(2) 如果設備長期運行期間電流超過3 kA，建議SF6含量應選擇在40%～60%之間；若設備長期運行期間電流不超過3 kA，建議SF6含量應選擇在20%～40%之間；當在額定電流下運行時，SF6含量應高于60%。

(3) 導體和殼體的溫升隨著SF6含量的增加呈下降趨勢，不同環境溫度的趨勢相似。當SF6含量超過40%時，溫升變化趨勢變得平緩，當SF6含量超過70%時，溫升幾乎不再發生變化。因此，當設備運行在中低緯度時，SF6含量建議在40%～70%之間；當設備運行在高緯度地區時，SF6含量建議在30%～40%之間。

此外，GIL通常不會在極限溫度下運行，由于在設計設備時考慮了安全裕度，因此通常SF6含量不低于建議值的70%就能夠滿足GIL設備的絕緣和溫升要求。根據對GIL混合氣體熱特性的定性分析，在實際應用中，可以定量分析不同的影響因素，得到最佳的SF6/N2含量，為實際工程中，在不同運行條件下選擇合適的SF6/N2混合比提供依據，從而減少SF6的使用量，減少電力設備對環境的影響。

本文得到國網冀北電力有限公司科技項目“基于邊緣計算的GIS溫度反演及過熱故障診斷”(830107200003)資助，謹此致謝！