六氟化硫组合电器在高寒地区的加热计算

潘世岩， 袁 清

（特变电工（上海）中发依帕超高压电器有限公司，上海201404）

六氟化硫（SF6）气体因其特有的物理及化学性质，已经作为良好的绝缘介质并广泛地应用于高压电器行业。使用SF6气体作为绝缘介质的气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS）又因其占地面积小、占用空间小、结构紧凑和可靠的电气性能越来越多的应用在各电网及大型企业。据统计仅2005～2010年期间国内126kV GIS、252kV GIS、550kV GIS的装备量分别为35 328间隔、13 418间隔、1 380间隔［1］。随着大城市化的区域现象显著，土地资源稀缺，重点城市用电负荷激增，GIS设备将会更加广泛地应用于全国各地区。随之高压SF6气体在低温环境下随温度下降液化，导致绝缘强度降低的缺点在东北、西北等－40℃环境温度地区逐渐显露。

1 现状及问题

我国新疆、内蒙古、黑龙江、青海、甘肃北部等地区冬季温度最低可达－50℃，给SF6高压电器设备的运行带来不便，绝缘强度降低将影响电力系统安全。

通过图1SF6气体状态参数可以得到，产品在不同气压情况下允许的最低工作温度，例如：当最低工作绝对压力为0.6MPa时，从图1上温度t轴向上做垂直虚线与饱和蒸汽压力0.6处水平虚线相交，取得B1点。参考相邻的密度线（40kg／m3）做密度线T1，得到相交点B1、C1（C1为该密度线与OO′饱和蒸汽压力曲线交点）。从C1点向下做垂直虚线与温度t轴的交点温度值－30℃即为其液化温度。用同样的方法做T2密度线可得点B2、C2，若最低工作绝对气压为0.5MPa时，其液化温度为－37℃［2］。

图1 SF6气体状态参数

随着温度的降低，部分气体开始液化，剩余气体的压力随着降低，而压力的降低势必造成结缘强度的减弱。如当－50℃时，相对应的饱和蒸汽压力Pbh为0.33MPa（表计压力）。如该设备常温（20℃）下最低工作绝对压力为0.6MPa，则根据W·莫尔施和W·豪席尔德的研究成果，此时设备绝缘强度与原设计绝缘强度比为

也就是说此时的绝缘强度仅为设计强度的64%。

在运行GIS设备，因其导体载流发热，会有10～30℃的温升，即使环境温度到达－50℃时SF6气体也不会到达闭锁压力。但是处于分闸备用状态的GIS设备则必须考虑解决因低温导致SF6气体液压的问题。

2 解决方法比较

当前，针对低温问题的解决方法主要有3个。

（1）使用混合气体。使用混合气体如SF6与N2或SF6与CF4以降低其液化温度［3－4］。但有其缺点，不同的气体混合，为了达到原有的绝缘效果，需要提高设计压力，进而更改原有产品设计。而且一旦发生泄漏，因为不能准确分析泄漏气体的体积比，无法像纯SF6气体在泄漏时可以直接补充气体，必须将气室内气体彻底回收后重新更换，工艺复杂，现场操作困难。

（2）降低额定工作压力。降低额定工作压力，使SF6气体的液化点降低。但是此方法只适用于局部地区，遇到极端情况还是会出现问题，并且产品外形也会增大，使GIS的优势减小。

（3）采用外部加热装置。人为的输入热量并增加保温装置，与使用混合气体或降低额定气压方法相比，该办法不需改变产品设计，实用性和经济性极高。

3 理论计算

使用GIS设备的电站，不论是户内站还是户外站，其套管和罐体连接部分必须在户外，所以该部分设备必须使用加热装置，其余如户外电站，性能及操作受温度影响的电器设备加热装置的设计选用，也有一定的参考意义。一般来说，物体温度的变化由热力辐射与对流辐射组成。

3.1 热力辐射量Qr的计算

式中，A为辐射面面积［m2］；ε为物质发射量；σ为斯特藩－玻耳兹曼常量；Tg为外壳温度［K］；To为环境温度［K］。

3.2 对流辐射量Qt的计算

式中，λ为热力传导率；D为外壳标准长度［m］；Nu为努谢尔特准则；A为辐射面面积［m2］；Tg为外壳温度［K］；To为环境温度［K］。

3.3 努谢尔特准则Nu的计算

在自然对流状态且为水平时：

式中，Pr为0℃时普朗特数；Gr为格拉晓夫数。

在自然对流状态且为倾斜时：

在受迫对流状态下：

式中，Re为雷诺数；当4×104≤Re≤4×105时，c＝0.023 9，m＝0.805［5］。

4 实际案例分析计算

图2所示户外出线套管图为某252kV GIS户外出线套管部分，设备母线外壳为不锈钢材质，外表涂油漆，额定最低工作压力为0.5MPa，则液化温度为－30℃（243K），环境温度为－55℃（218K）（设计时比常见最低温度－50℃再低5℃），周围风速为3m／s。

图2 户外出线套管图

根据式（1）计算金属部分热辐射量为

根据式（1）计算套管部分热辐射量为

根据式（3）、（4）及热力学基础公式计算努谢尔特准则如下：自然对流辐射中努谢尔特准则Nu系数在水平金属外壳部分、倾斜金属外壳部分及套管部分分别为127、86、348。受迫对流辐射中努谢尔特准则Nu系数在水平金属外壳部分、倾斜金属外壳部分及套管部分分别为215、215、223。

根据式（2）计算对流辐射。

外壳自然对流辐射量：

外壳受迫对流辐射量：

总辐射量等级以下各项累加：

5 结 语

根据计算数值及所选用加热器的有效功率定制相应的加热装置，在环境温度为－55℃时，GIS内部温度测量点均不低于－30℃，即SF6气体不液化。本文方法从理论上较为准确地计算了所需加热功率，并有效地解决了GIS设备受环境温度制约的问题，使设备可以更加广泛地使用于区域电力工程中。需要注意的是：各种加热器的保温材质不同导致保温效果不同，在工程设计时需按加热器发热及保温方式适当计算其加热效率，以便发挥其良好的加热效果，保障设备的可靠运行。其他受温度影响的绝缘及性能的户外电器产品也可参考此种计算方法。

［1］王 钢.“十二五”电力建设与高压开关发展态势［J］.高压开关行业通讯，2012（257）：1－2.

［2］黎 斌.SF6高压电器设计（第三版）［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［3］张高潮，刘宝宝，程铁汉.混合气体电气特性国内外研究综述［J］.黑龙江科技信息，2012（22）：48－49.

［4］王永光.SF6断路器运行中气体低温液化解决方案［J］.内蒙古电力技术，2009（4）：35－36.

［5］岳丹婷.工程热力学和传热学［M］.大连：大连海事大学出版社，2002.