蔡 萱，張 馳

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430077）

0 引言

SF6氣體因其良好的絕緣性，滅弧性和電負(fù)性從20世紀(jì)50年代開(kāi)始已經(jīng)被作為滅弧和絕緣介質(zhì)應(yīng)用于電器設(shè)備，現(xiàn)今已在高壓斷路器、氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備、氣體絕緣輸電管道、變壓器和互感器中廣泛使用[1]。中國(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始研制SF6絕緣電氣設(shè)備，目前在中國(guó)63-500 kV、750 kV、±800 kV及1 000 kV電壓等級(jí)中，SF6斷路器和SF6全封閉組合電器（GIS）的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普遍，110 kV的SF6變壓器也已經(jīng)在運(yùn)行。

雖然SF6作為氣體絕緣介質(zhì)被廣泛的應(yīng)用，但是直到今天，SF6氣體放電理論還不是十分完善，對(duì)于SF6的放電機(jī)理僅僅只是停留在定性闡釋階段，因此，對(duì)于SF6氣體放電理論的研究需要繼續(xù)深入，從而達(dá)到對(duì)其放電機(jī)制本質(zhì)性的解釋。另一方面，隨著中國(guó)輸變電容量不斷增大，電壓等級(jí)快速增高，在電力基礎(chǔ)建設(shè)和運(yùn)行過(guò)程中，GIS設(shè)備故障頻繁發(fā)生，直接威脅到國(guó)內(nèi)電網(wǎng)安全運(yùn)行[2]。根據(jù)國(guó)家電網(wǎng)公司2014年關(guān)于變電設(shè)備運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)镚IS設(shè)備故障所引發(fā)的電網(wǎng)停運(yùn)次數(shù)的比例已經(jīng)達(dá)到40%，因此，對(duì)該類設(shè)備的檢測(cè)和檢測(cè)手段的提高已經(jīng)迫在眉睫，需要通過(guò)更深入的研究，更科學(xué)的驗(yàn)證，從而真正達(dá)到對(duì)設(shè)備的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)和有效管理。

但是，以往的研究大多都是通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的總結(jié)，具有統(tǒng)計(jì)性和經(jīng)驗(yàn)性；同時(shí)，設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中，所處的環(huán)境千差萬(wàn)別，設(shè)備所處狀態(tài)也各不相同，因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論往往不具有普適性；另外，運(yùn)行設(shè)備發(fā)生故障時(shí)都是由于各種極端條件的發(fā)生所造成，而這種極端條件很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方式再現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)也得到了極大的提高，將計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)與SF6絕緣氣體的研究和檢測(cè)相結(jié)合成為了當(dāng)前研究熱點(diǎn)，同時(shí)對(duì)克服傳統(tǒng)研究方法所遇到的困難提供了很好的解決方式。以下，綜述了該研究方向的發(fā)展現(xiàn)狀。

1 基于計(jì)算流體力學(xué)(CFD)理論的模擬仿真

計(jì)算流體力學(xué)和相關(guān)的計(jì)算傳熱學(xué)、計(jì)算燃燒學(xué)的原理是用數(shù)值方法求解非線性聯(lián)立的質(zhì)量、能量、組分、動(dòng)量和自定義標(biāo)量的微分方程組，求解結(jié)果能預(yù)報(bào)流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)、燃燒等過(guò)程的細(xì)節(jié)，并成為過(guò)程裝置優(yōu)化和放大定量設(shè)計(jì)的有力工具。計(jì)算流體力學(xué)的基本特征是數(shù)值模擬和計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)，它從基本物理定理出發(fā)，在很大程度上替代了耗資巨大的流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在科學(xué)研究和工程技術(shù)中產(chǎn)生巨大的影響。

SF6絕緣氣體中水分含量是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定檢測(cè)項(xiàng)目之一，水分不僅影響SF6氣體的電氣絕緣性能，還會(huì)參與SF6電弧分解氣的水解反應(yīng)，生成有害的低氟化物及具有腐蝕作用的酸性物質(zhì)，影響設(shè)備的使用壽命，危害運(yùn)行人員的安全，因此，對(duì)SF6絕緣氣體中水分含量的準(zhǔn)確測(cè)量是十分重要的。SF6設(shè)備靠近取樣口、閥門、管道銜接處的位置屬于設(shè)備密封薄弱處，往往這些位置的水分含量較高，但是由于SF6絕緣設(shè)備的制造工藝、氣密性要求以及在線檢測(cè)裝置安裝、檢修等條件的制約，目前大多數(shù)SF6氣體微水在線檢測(cè)裝置只能安裝在電器設(shè)備取樣口上，這便造成了檢測(cè)結(jié)果不能真實(shí)地反應(yīng)電氣設(shè)備本體內(nèi)部的水分含量。

周舟[3]等人通過(guò)有限元軟件ANSYS對(duì)水分子在SF6絕緣氣體中的擴(kuò)散情況進(jìn)行模擬，在模型中選擇a(0,0,400),b(0,0,0),c(0,500,0)三點(diǎn)作為水分含量的檢測(cè)點(diǎn)，在壓力分別為0.4 Mpa和0.5 Mpa時(shí)，三點(diǎn)水分含量隨時(shí)間的變化如圖1[3]。研究發(fā)現(xiàn)水分子從取樣口滲入進(jìn)設(shè)備后需要經(jīng)過(guò)222個(gè)小時(shí)才能擴(kuò)散均勻。在擴(kuò)散均勻之前，取樣口對(duì)SF6電氣設(shè)備進(jìn)行在線水分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果將會(huì)高于設(shè)備內(nèi)部本體的水分含量真實(shí)，從而會(huì)導(dǎo)致設(shè)備本體水分含量在允許范圍之內(nèi)時(shí)，檢測(cè)裝置已經(jīng)開(kāi)始報(bào)警，從而干擾工作人員對(duì)SF6電氣設(shè)備的管理。為了更深入和全面地研究這一缺陷，文章[4,5]繼續(xù)基于CFD理論分別對(duì)水分在封閉和流動(dòng)SF6絕緣氣體中的擴(kuò)散情況進(jìn)行研究，通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在封閉的SF6絕緣氣體中，當(dāng)取樣口處于高濕度情況下，水分子擴(kuò)散均勻需要幾個(gè)小時(shí)，而在流動(dòng)的SF6絕緣氣體中這一過(guò)程只需要幾秒鐘；若設(shè)備本體中出現(xiàn)高濕度時(shí)，封閉情況下水分子擴(kuò)散均勻依舊需要幾個(gè)小時(shí)，而流動(dòng)情況下水分子擴(kuò)散均勻所需時(shí)間不超過(guò)60 s。綜上所述，在設(shè)備取樣口處安裝氣體濕度在線檢測(cè)裝置均不能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反映出設(shè)備內(nèi)部水分含量的真實(shí)情況。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別在0.4 Mpa和0.5 Mpa條件下氣體濕度隨時(shí)間的變化情況Fig 1 The variation of gas humidity of the three locations over time on the condition of 0.4 Mpa and 0.5 Mpa

斷路器在電力系統(tǒng)中能夠有效地開(kāi)斷斷路電流，取決于介質(zhì)復(fù)強(qiáng)度是否始終高于端口間恢復(fù)電壓之上，而介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度受滅弧室內(nèi)的電場(chǎng)和流場(chǎng)分布的影響，而電場(chǎng)分布和流暢分布與開(kāi)斷電流燃弧時(shí)間的長(zhǎng)短密切相關(guān)，因此，電流燃弧時(shí)間可以作為衡量斷路器性能好壞的重要指標(biāo)。過(guò)去研究斷路器電流燃弧時(shí)間均是通過(guò)搭建回路做實(shí)驗(yàn)，這種方法雖然能夠確定電流燃弧時(shí)間，但是其成本過(guò)高，實(shí)驗(yàn)要求苛刻，同時(shí)也具有很高的危險(xiǎn)性。文章[6]采用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬了斷路器開(kāi)斷短路電流過(guò)程，F(xiàn)LUENT進(jìn)行流場(chǎng)的模擬計(jì)算，ANSYS進(jìn)行電場(chǎng)的模擬計(jì)算，通過(guò)仿真技術(shù)準(zhǔn)確計(jì)算出介質(zhì)恢復(fù)強(qiáng)度和斷路器的燃弧時(shí)間。

2 碳納米管吸附SF6分解產(chǎn)物的動(dòng)力學(xué)模擬仿真

對(duì)SF6電氣設(shè)備進(jìn)行故障診斷，其主要依據(jù)之一，是設(shè)備內(nèi)的放電故障類型不同會(huì)產(chǎn)生不同成分的SF6分解產(chǎn)物。因此通過(guò)分析設(shè)備內(nèi)SF6分解產(chǎn)物，可以判斷放電故障類型及故障程度。文章[7]利用Materials Studio分子動(dòng)力學(xué)仿真軟件模擬計(jì)算了單壁碳納米管(SWNT)對(duì)SF6局部放電特征產(chǎn)物吸附過(guò)程中的吸附能、電荷轉(zhuǎn)移量和作用距離，詳細(xì)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1[7]。表1中吸附能所帶負(fù)號(hào)表示吸附過(guò)程均為放熱反應(yīng)，可以自發(fā)進(jìn)行，而HF和CF4與SWNT吸附過(guò)程產(chǎn)生吸附能均比其分解產(chǎn)物吸附過(guò)程所產(chǎn)生的吸附能小1到2個(gè)數(shù)量級(jí)，說(shuō)明這兩種分解產(chǎn)物發(fā)生吸附過(guò)程的概率很小。而在其他分解產(chǎn)物中SO2F2和SO2在吸附過(guò)程中的電荷轉(zhuǎn)移量最大，從電荷轉(zhuǎn)移的角度可以說(shuō)明這兩種分解產(chǎn)物與SWNT吸附過(guò)程的劇烈程度相較于其他分解產(chǎn)物更為劇烈，這種劇烈作用宏觀上表現(xiàn)為表面載流子增多，電導(dǎo)發(fā)生變化。通過(guò)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)SO2F2和SO2發(fā)生吸附過(guò)程時(shí)，SO2F2與SWNT作用距離更小，結(jié)合以上3類計(jì)算結(jié)果綜合判斷，單壁碳納米管SWNT對(duì)SF6分解產(chǎn)物中的SO2F2的識(shí)別最靈敏。SO2F2吸附在碳納米管上，一方面明顯地改變了碳納米管的電子結(jié)構(gòu)，提高了碳納米管的態(tài)密度，另一方面降低了單壁碳納的能級(jí)。但是，由于HF、H2S、CF4、SO2和SOF2分子吸附到單壁碳納米管上很難改變它們的電子結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致單壁碳納米管很難識(shí)別。文章[8]同樣利用模擬仿真進(jìn)一步研究了通過(guò)利用羧基修飾后的單壁碳納米管（SWNT-COOH）對(duì)SF6分解產(chǎn)物的識(shí)別能力，通過(guò)計(jì)算吸附過(guò)程中的吸附能、電荷轉(zhuǎn)移量、作用距離、前線軌道和電子態(tài)密度的變化，結(jié)果顯示在SF6最主要的四種分解產(chǎn)物（SO2、SO2F2、SOF2和 CF4）中，SWNT-COOH 的選擇靈敏度為 SO2＞SOF2＞SO2F2＞CF4，因此,SWNT-COOH 可以用來(lái)制備SF6局部放電分解產(chǎn)物的檢測(cè)傳感器。文章[9,10]分別利用計(jì)算機(jī)模擬羥基和硼原子修飾的單壁碳納米管對(duì)SF6主要分解產(chǎn)物的檢測(cè)靈敏度，計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)羥基修飾后的單壁碳納米管對(duì)SO2識(shí)別很靈敏，而硼修飾后的單壁碳納米管對(duì)SO2F2的識(shí)別最靈敏。文章[11]利用蒙特卡洛模擬方法研究發(fā)現(xiàn)了單壁碳納米管是吸附和儲(chǔ)備SF6氣體的優(yōu)良材料，即便氣體中含有微量的SF6氣體，也能夠?qū)⑵渥R(shí)別并吸附。

表1 模擬計(jì)算吸附過(guò)程中吸附能、電荷轉(zhuǎn)移量和作用距離Table.1 Calculated adsorption energy,charge-transfer and interacting distance

3 SF6放電模型的動(dòng)態(tài)模擬仿真

氣體絕緣電氣設(shè)備內(nèi)SF6處于高壓狀態(tài)，因此需要采用流注理論來(lái)研究其擊穿現(xiàn)象[1]，流注理論目前還很粗糙，實(shí)際上只限于放電過(guò)程的定性描述，而且大都是對(duì)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和總結(jié)。直到1987年，Morrow[12]利用有限差分與通量校正傳輸法(FCT,flux-corrected transportmethod)相結(jié)合研究了SF6流注放電的動(dòng)力學(xué)特性。十多年后，Pfeiffe與Tong借鑒了以上方法研究了SF6和N2混合氣體的流注放電理論的機(jī)理[13]。但是這些都僅僅只是停留在一維動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，對(duì)深入地研究流注放電理論的幫助有限。文章[14]通過(guò)建立二維模型對(duì)SF6流注放電過(guò)程進(jìn)行模擬，通過(guò)模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，SF6放電過(guò)程是通過(guò)電子崩轉(zhuǎn)變?yōu)檎?、?fù)流注，而且光電離對(duì)流注放電過(guò)程的發(fā)展發(fā)揮了促進(jìn)作用，將流注放電理論的研究從定性轉(zhuǎn)變成定量研究。為了更進(jìn)一步研究SF6混合器的流注放點(diǎn)理論機(jī)制，文章[15]利用同樣的方法研究了低SF6含量的SF6/N2混合氣體的流注放點(diǎn)理論。仿真結(jié)果表明，混合氣體的流注放點(diǎn)過(guò)程由電子崩和流注兩個(gè)階段組成，而且正負(fù)電荷的分離造成了電場(chǎng)的畸變，與純SF6氣體流注放電過(guò)程相似的是，光電離對(duì)整個(gè)過(guò)程有很明顯的影響作用。

4 結(jié)語(yǔ)

文章主要綜述了近期計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在SF6理論研究和工程檢測(cè)中應(yīng)用的主要進(jìn)展情況，總結(jié)出了以下主要成果和發(fā)展趨勢(shì)：

（1）通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)，指出了在GIS電氣設(shè)備取樣口、閥門處微水在線檢測(cè)所存在的不準(zhǔn)確性，需要采用更合理、科學(xué)的取樣方法來(lái)進(jìn)行檢測(cè)；

（2）計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)在SF6分解產(chǎn)物氣敏傳感檢測(cè)器的研究中應(yīng)用廣泛，通過(guò)模擬仿真，準(zhǔn)確地計(jì)算出各種物理化學(xué)參數(shù)，對(duì)后續(xù)的研究有很好的指導(dǎo)意義；

（3）通過(guò)建模對(duì)SF6氣體放電過(guò)程進(jìn)行模擬，深化了對(duì)SF6放電機(jī)制的理解和認(rèn)識(shí)。

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