计算机模拟仿真技术在SF6绝缘气体研究和工程检测中的应用现状

蔡 萱，张 驰

（国网湖北省电力公司电力科学研究院，湖北 武汉 430077）

0 引言

SF6气体因其良好的绝缘性，灭弧性和电负性从20世纪50年代开始已经被作为灭弧和绝缘介质应用于电器设备，现今已在高压断路器、气体绝缘金属封闭开关设备、气体绝缘输电管道、变压器和互感器中广泛使用[1]。中国从20世纪60年代开始研制SF6绝缘电气设备，目前在中国63-500 kV、750 kV、±800 kV及1 000 kV电压等级中，SF6断路器和SF6全封闭组合电器（GIS）的应用已经相当普遍，110 kV的SF6变压器也已经在运行。

虽然SF6作为气体绝缘介质被广泛的应用，但是直到今天，SF6气体放电理论还不是十分完善，对于SF6的放电机理仅仅只是停留在定性阐释阶段，因此，对于SF6气体放电理论的研究需要继续深入，从而达到对其放电机制本质性的解释。另一方面，随着中国输变电容量不断增大，电压等级快速增高，在电力基础建设和运行过程中，GIS设备故障频繁发生，直接威胁到国内电网安全运行[2]。根据国家电网公司2014年关于变电设备运行的统计数据发现，因为GIS设备故障所引发的电网停运次数的比例已经达到40%，因此，对该类设备的检测和检测手段的提高已经迫在眉睫，需要通过更深入的研究，更科学的验证，从而真正达到对设备的准确监测和有效管理。

但是，以往的研究大多都是通过对实验数据的总结，具有统计性和经验性；同时，设备在运行过程中，所处的环境千差万别，设备所处状态也各不相同，因此，通过实验得出的结论往往不具有普适性；另外，运行设备发生故障时都是由于各种极端条件的发生所造成，而这种极端条件很难通过实验的方式再现。随着计算机技术的快速发展，计算机模拟仿真技术也得到了极大的提高，将计算机模拟仿真技术与SF6绝缘气体的研究和检测相结合成为了当前研究热点，同时对克服传统研究方法所遇到的困难提供了很好的解决方式。以下，综述了该研究方向的发展现状。

1 基于计算流体力学(CFD)理论的模拟仿真

计算流体力学和相关的计算传热学、计算燃烧学的原理是用数值方法求解非线性联立的质量、能量、组分、动量和自定义标量的微分方程组，求解结果能预报流动、传热、传质、燃烧等过程的细节，并成为过程装置优化和放大定量设计的有力工具。计算流体力学的基本特征是数值模拟和计算机实验，它从基本物理定理出发，在很大程度上替代了耗资巨大的流体力学实验设备，在科学研究和工程技术中产生巨大的影响。

SF6绝缘气体中水分含量是标准规定检测项目之一，水分不仅影响SF6气体的电气绝缘性能，还会参与SF6电弧分解气的水解反应，生成有害的低氟化物及具有腐蚀作用的酸性物质，影响设备的使用寿命，危害运行人员的安全，因此，对SF6绝缘气体中水分含量的准确测量是十分重要的。SF6设备靠近取样口、阀门、管道衔接处的位置属于设备密封薄弱处，往往这些位置的水分含量较高，但是由于SF6绝缘设备的制造工艺、气密性要求以及在线检测装置安装、检修等条件的制约，目前大多数SF6气体微水在线检测装置只能安装在电器设备取样口上，这便造成了检测结果不能真实地反应电气设备本体内部的水分含量。

周舟[3]等人通过有限元软件ANSYS对水分子在SF6绝缘气体中的扩散情况进行模拟，在模型中选择a(0,0,400),b(0,0,0),c(0,500,0)三点作为水分含量的检测点，在压力分别为0.4 Mpa和0.5 Mpa时，三点水分含量随时间的变化如图1[3]。研究发现水分子从取样口渗入进设备后需要经过222个小时才能扩散均匀。在扩散均匀之前，取样口对SF6电气设备进行在线水分检测，检测结果将会高于设备内部本体的水分含量真实，从而会导致设备本体水分含量在允许范围之内时，检测装置已经开始报警，从而干扰工作人员对SF6电气设备的管理。为了更深入和全面地研究这一缺陷，文章[4,5]继续基于CFD理论分别对水分在封闭和流动SF6绝缘气体中的扩散情况进行研究，通过研究发现，在封闭的SF6绝缘气体中，当取样口处于高湿度情况下，水分子扩散均匀需要几个小时，而在流动的SF6绝缘气体中这一过程只需要几秒钟；若设备本体中出现高湿度时，封闭情况下水分子扩散均匀依旧需要几个小时，而流动情况下水分子扩散均匀所需时间不超过60 s。综上所述，在设备取样口处安装气体湿度在线检测装置均不能实时、准确地反映出设备内部水分含量的真实情况。

图1 监测点分别在0.4 Mpa和0.5 Mpa条件下气体湿度随时间的变化情况Fig 1 The variation of gas humidity of the three locations over time on the condition of 0.4 Mpa and 0.5 Mpa

断路器在电力系统中能够有效地开断断路电流，取决于介质复强度是否始终高于端口间恢复电压之上，而介质恢复强度受灭弧室内的电场和流场分布的影响，而电场分布和流畅分布与开断电流燃弧时间的长短密切相关，因此，电流燃弧时间可以作为衡量断路器性能好坏的重要指标。过去研究断路器电流燃弧时间均是通过搭建回路做实验，这种方法虽然能够确定电流燃弧时间，但是其成本过高，实验要求苛刻，同时也具有很高的危险性。文章[6]采用计算机仿真技术模拟了断路器开断短路电流过程，FLUENT进行流场的模拟计算，ANSYS进行电场的模拟计算，通过仿真技术准确计算出介质恢复强度和断路器的燃弧时间。

2 碳纳米管吸附SF6分解产物的动力学模拟仿真

对SF6电气设备进行故障诊断，其主要依据之一，是设备内的放电故障类型不同会产生不同成分的SF6分解产物。因此通过分析设备内SF6分解产物，可以判断放电故障类型及故障程度。文章[7]利用Materials Studio分子动力学仿真软件模拟计算了单壁碳纳米管(SWNT)对SF6局部放电特征产物吸附过程中的吸附能、电荷转移量和作用距离，详细数据见表1[7]。表1中吸附能所带负号表示吸附过程均为放热反应，可以自发进行，而HF和CF4与SWNT吸附过程产生吸附能均比其分解产物吸附过程所产生的吸附能小1到2个数量级，说明这两种分解产物发生吸附过程的概率很小。而在其他分解产物中SO2F2和SO2在吸附过程中的电荷转移量最大，从电荷转移的角度可以说明这两种分解产物与SWNT吸附过程的剧烈程度相较于其他分解产物更为剧烈，这种剧烈作用宏观上表现为表面载流子增多，电导发生变化。通过模拟计算发现SO2F2和SO2发生吸附过程时，SO2F2与SWNT作用距离更小，结合以上3类计算结果综合判断，单壁碳纳米管SWNT对SF6分解产物中的SO2F2的识别最灵敏。SO2F2吸附在碳纳米管上，一方面明显地改变了碳纳米管的电子结构，提高了碳纳米管的态密度，另一方面降低了单壁碳纳的能级。但是，由于HF、H2S、CF4、SO2和SOF2分子吸附到单壁碳纳米管上很难改变它们的电子结构，导致单壁碳纳米管很难识别。文章[8]同样利用模拟仿真进一步研究了通过利用羧基修饰后的单壁碳纳米管（SWNT-COOH）对SF6分解产物的识别能力，通过计算吸附过程中的吸附能、电荷转移量、作用距离、前线轨道和电子态密度的变化，结果显示在SF6最主要的四种分解产物（SO2、SO2F2、SOF2和 CF4）中，SWNT-COOH 的选择灵敏度为 SO2＞SOF2＞SO2F2＞CF4，因此,SWNT-COOH 可以用来制备SF6局部放电分解产物的检测传感器。文章[9,10]分别利用计算机模拟羟基和硼原子修饰的单壁碳纳米管对SF6主要分解产物的检测灵敏度，计算结果发现羟基修饰后的单壁碳纳米管对SO2识别很灵敏，而硼修饰后的单壁碳纳米管对SO2F2的识别最灵敏。文章[11]利用蒙特卡洛模拟方法研究发现了单壁碳纳米管是吸附和储备SF6气体的优良材料，即便气体中含有微量的SF6气体，也能够将其识别并吸附。

表1 模拟计算吸附过程中吸附能、电荷转移量和作用距离Table.1 Calculated adsorption energy,charge-transfer and interacting distance

3 SF6放电模型的动态模拟仿真

气体绝缘电气设备内SF6处于高压状态，因此需要采用流注理论来研究其击穿现象[1]，流注理论目前还很粗糙，实际上只限于放电过程的定性描述，而且大都是对大量实验数据的统计和总结。直到1987年，Morrow[12]利用有限差分与通量校正传输法(FCT,flux-corrected transportmethod)相结合研究了SF6流注放电的动力学特性。十多年后，Pfeiffe与Tong借鉴了以上方法研究了SF6和N2混合气体的流注放电理论的机理[13]。但是这些都仅仅只是停留在一维动力学模型的基础之上，对深入地研究流注放电理论的帮助有限。文章[14]通过建立二维模型对SF6流注放电过程进行模拟，通过模拟计算发现，SF6放电过程是通过电子崩转变为正、负流注，而且光电离对流注放电过程的发展发挥了促进作用，将流注放电理论的研究从定性转变成定量研究。为了更进一步研究SF6混合器的流注放点理论机制，文章[15]利用同样的方法研究了低SF6含量的SF6/N2混合气体的流注放点理论。仿真结果表明，混合气体的流注放点过程由电子崩和流注两个阶段组成，而且正负电荷的分离造成了电场的畸变，与纯SF6气体流注放电过程相似的是，光电离对整个过程有很明显的影响作用。

4 结语

文章主要综述了近期计算机仿真技术在SF6理论研究和工程检测中应用的主要进展情况，总结出了以下主要成果和发展趋势：

（1）通过计算机模拟仿真技术，指出了在GIS电气设备取样口、阀门处微水在线检测所存在的不准确性，需要采用更合理、科学的取样方法来进行检测；

（2）计算机模拟仿真技术在SF6分解产物气敏传感检测器的研究中应用广泛，通过模拟仿真，准确地计算出各种物理化学参数，对后续的研究有很好的指导意义；

（3）通过建模对SF6气体放电过程进行模拟，深化了对SF6放电机制的理解和认识。

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