潘世巖， 袁 清

（特變電工（上海）中發(fā)依帕超高壓電器有限公司，上海201404）

六氟化硫（SF6）氣體因其特有的物理及化學(xué)性質(zhì)，已經(jīng)作為良好的絕緣介質(zhì)并廣泛地應(yīng)用于高壓電器行業(yè)。使用SF6氣體作為絕緣介質(zhì)的氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備（Gas Insulated Switchgear，GIS）又因其占地面積小、占用空間小、結(jié)構(gòu)緊湊和可靠的電氣性能越來越多的應(yīng)用在各電網(wǎng)及大型企業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)僅2005～2010年期間國內(nèi)126kV GIS、252kV GIS、550kV GIS的裝備量分別為35 328間隔、13 418間隔、1 380間隔［1］。隨著大城市化的區(qū)域現(xiàn)象顯著，土地資源稀缺，重點(diǎn)城市用電負(fù)荷激增，GIS設(shè)備將會(huì)更加廣泛地應(yīng)用于全國各地區(qū)。隨之高壓SF6氣體在低溫環(huán)境下隨溫度下降液化，導(dǎo)致絕緣強(qiáng)度降低的缺點(diǎn)在東北、西北等－40℃環(huán)境溫度地區(qū)逐漸顯露。

1 現(xiàn)狀及問題

我國新疆、內(nèi)蒙古、黑龍江、青海、甘肅北部等地區(qū)冬季溫度最低可達(dá)－50℃，給SF6高壓電器設(shè)備的運(yùn)行帶來不便，絕緣強(qiáng)度降低將影響電力系統(tǒng)安全。

通過圖1SF6氣體狀態(tài)參數(shù)可以得到，產(chǎn)品在不同氣壓情況下允許的最低工作溫度，例如：當(dāng)最低工作絕對(duì)壓力為0.6MPa時(shí)，從圖1上溫度t軸向上做垂直虛線與飽和蒸汽壓力0.6處水平虛線相交，取得B1點(diǎn)。參考相鄰的密度線（40kg／m3）做密度線T1，得到相交點(diǎn)B1、C1（C1為該密度線與OO′飽和蒸汽壓力曲線交點(diǎn)）。從C1點(diǎn)向下做垂直虛線與溫度t軸的交點(diǎn)溫度值－30℃即為其液化溫度。用同樣的方法做T2密度線可得點(diǎn)B2、C2，若最低工作絕對(duì)氣壓為0.5MPa時(shí)，其液化溫度為－37℃［2］。

圖1 SF6氣體狀態(tài)參數(shù)

隨著溫度的降低，部分氣體開始液化，剩余氣體的壓力隨著降低，而壓力的降低勢(shì)必造成結(jié)緣強(qiáng)度的減弱。如當(dāng)－50℃時(shí)，相對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽壓力Pbh為0.33MPa（表計(jì)壓力）。如該設(shè)備常溫（20℃）下最低工作絕對(duì)壓力為0.6MPa，則根據(jù)W·莫爾施和W·豪席爾德的研究成果，此時(shí)設(shè)備絕緣強(qiáng)度與原設(shè)計(jì)絕緣強(qiáng)度比為

也就是說此時(shí)的絕緣強(qiáng)度僅為設(shè)計(jì)強(qiáng)度的64%。

在運(yùn)行GIS設(shè)備，因其導(dǎo)體載流發(fā)熱，會(huì)有10～30℃的溫升，即使環(huán)境溫度到達(dá)－50℃時(shí)SF6氣體也不會(huì)到達(dá)閉鎖壓力。但是處于分閘備用狀態(tài)的GIS設(shè)備則必須考慮解決因低溫導(dǎo)致SF6氣體液壓的問題。

2 解決方法比較

當(dāng)前，針對(duì)低溫問題的解決方法主要有3個(gè)。

（1）使用混合氣體。使用混合氣體如SF6與N2或SF6與CF4以降低其液化溫度［3－4］。但有其缺點(diǎn)，不同的氣體混合，為了達(dá)到原有的絕緣效果，需要提高設(shè)計(jì)壓力，進(jìn)而更改原有產(chǎn)品設(shè)計(jì)。而且一旦發(fā)生泄漏，因?yàn)椴荒軠?zhǔn)確分析泄漏氣體的體積比，無法像純SF6氣體在泄漏時(shí)可以直接補(bǔ)充氣體，必須將氣室內(nèi)氣體徹底回收后重新更換，工藝復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)操作困難。

（2）降低額定工作壓力。降低額定工作壓力，使SF6氣體的液化點(diǎn)降低。但是此方法只適用于局部地區(qū)，遇到極端情況還是會(huì)出現(xiàn)問題，并且產(chǎn)品外形也會(huì)增大，使GIS的優(yōu)勢(shì)減小。

（3）采用外部加熱裝置。人為的輸入熱量并增加保溫裝置，與使用混合氣體或降低額定氣壓方法相比，該辦法不需改變產(chǎn)品設(shè)計(jì)，實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性極高。

3 理論計(jì)算

使用GIS設(shè)備的電站，不論是戶內(nèi)站還是戶外站，其套管和罐體連接部分必須在戶外，所以該部分設(shè)備必須使用加熱裝置，其余如戶外電站，性能及操作受溫度影響的電器設(shè)備加熱裝置的設(shè)計(jì)選用，也有一定的參考意義。一般來說，物體溫度的變化由熱力輻射與對(duì)流輻射組成。

3.1 熱力輻射量Qr的計(jì)算

式中，A為輻射面面積［m2］；ε為物質(zhì)發(fā)射量；σ為斯特藩－玻耳茲曼常量；Tg為外殼溫度［K］；To為環(huán)境溫度［K］。

3.2 對(duì)流輻射量Qt的計(jì)算

式中，λ為熱力傳導(dǎo)率；D為外殼標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度［m］；Nu為努謝爾特準(zhǔn)則；A為輻射面面積［m2］；Tg為外殼溫度［K］；To為環(huán)境溫度［K］。

3.3 努謝爾特準(zhǔn)則Nu的計(jì)算

在自然對(duì)流狀態(tài)且為水平時(shí)：

式中，Pr為0℃時(shí)普朗特?cái)?shù)；Gr為格拉曉夫數(shù)。

在自然對(duì)流狀態(tài)且為傾斜時(shí)：

在受迫對(duì)流狀態(tài)下：

式中，Re為雷諾數(shù)；當(dāng)4×104≤Re≤4×105時(shí)，c＝0.023 9，m＝0.805［5］。

4 實(shí)際案例分析計(jì)算

圖2所示戶外出線套管圖為某252kV GIS戶外出線套管部分，設(shè)備母線外殼為不銹鋼材質(zhì)，外表涂油漆，額定最低工作壓力為0.5MPa，則液化溫度為－30℃（243K），環(huán)境溫度為－55℃（218K）（設(shè)計(jì)時(shí)比常見最低溫度－50℃再低5℃），周圍風(fēng)速為3m／s。

圖2 戶外出線套管圖

根據(jù)式（1）計(jì)算金屬部分熱輻射量為

根據(jù)式（1）計(jì)算套管部分熱輻射量為

根據(jù)式（3）、（4）及熱力學(xué)基礎(chǔ)公式計(jì)算努謝爾特準(zhǔn)則如下：自然對(duì)流輻射中努謝爾特準(zhǔn)則Nu系數(shù)在水平金屬外殼部分、傾斜金屬外殼部分及套管部分分別為127、86、348。受迫對(duì)流輻射中努謝爾特準(zhǔn)則Nu系數(shù)在水平金屬外殼部分、傾斜金屬外殼部分及套管部分分別為215、215、223。

根據(jù)式（2）計(jì)算對(duì)流輻射。

外殼自然對(duì)流輻射量：

外殼受迫對(duì)流輻射量：

總輻射量等級(jí)以下各項(xiàng)累加：

5 結(jié) 語

根據(jù)計(jì)算數(shù)值及所選用加熱器的有效功率定制相應(yīng)的加熱裝置，在環(huán)境溫度為－55℃時(shí)，GIS內(nèi)部溫度測(cè)量點(diǎn)均不低于－30℃，即SF6氣體不液化。本文方法從理論上較為準(zhǔn)確地計(jì)算了所需加熱功率，并有效地解決了GIS設(shè)備受環(huán)境溫度制約的問題，使設(shè)備可以更加廣泛地使用于區(qū)域電力工程中。需要注意的是：各種加熱器的保溫材質(zhì)不同導(dǎo)致保溫效果不同，在工程設(shè)計(jì)時(shí)需按加熱器發(fā)熱及保溫方式適當(dāng)計(jì)算其加熱效率，以便發(fā)揮其良好的加熱效果，保障設(shè)備的可靠運(yùn)行。其他受溫度影響的絕緣及性能的戶外電器產(chǎn)品也可參考此種計(jì)算方法。

［1］王 鋼.“十二五”電力建設(shè)與高壓開關(guān)發(fā)展態(tài)勢(shì)［J］.高壓開關(guān)行業(yè)通訊，2012（257）：1－2.

［2］黎 斌.SF6高壓電器設(shè)計(jì)（第三版）［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［3］張高潮，劉寶寶，程鐵漢.混合氣體電氣特性國內(nèi)外研究綜述［J］.黑龍江科技信息，2012（22）：48－49.

［4］王永光.SF6斷路器運(yùn)行中氣體低溫液化解決方案［J］.內(nèi)蒙古電力技術(shù)，2009（4）：35－36.

［5］岳丹婷.工程熱力學(xué)和傳熱學(xué)［M］.大連：大連海事大學(xué)出版社，2002.