不同绝缘气体下中压开关柜温升特性研究

孙利雄，赵莉华，赵 虎

(1.云南电网有限责任公司保山供电局，云南 保山 678000；2.四川大学电气工程学院，四川 成都 610065；3.西北工业大学自动化学院，陕西 西安 710072)

0 引言

中压气体绝缘开关柜是分配电能的重要开关设备，直接关系着电网的安全可靠运行，近年来广受关注[1]。据统计，95%的气体绝缘开关柜采用SF6气体作为开关柜的绝缘介质[2]，因其占地面积小、维护次数少以及不受外界环境影响等性能成为高原、沿海等恶劣环境地区的首选方案。SF6是一种惰性气体，绝缘和消弧性能优良，但其对大气也造成一定的影响[3]。近年来，伴随着对国家环保力度的加大、公众环保意识的提高以及深入人心的绿水青山理念，应用环保气体的中压气体绝缘开关柜逐渐成为了目前一种有效的解决方案。

国内外学者针对SF6替代气体进行了大量研究。贾申利等[4]从电弧半径、电弧电压和电弧温度的角度，对比分析了CO2、N2和SF6气体的燃弧特性，认为CO2的灭弧特性较N2更接近于SF6；闫飞越等[5]建立了SF6/N2混合气体的绝缘强度和纯SF6绝缘强度之间的关系；李美等[6]从压力上升、电弧电压、电弧注入能量和辐射能量4个方面研究了空气、SF6、CO2和N2这4种不同绝缘气体对密闭腔体故障电弧引起的压力特性的影响；Stoller等[7]研究了CO2在断路器中的热中断性能和电弧后的介电恢复能力，并对比分析了空气和SF6，结果表明CO2灭弧能力较好；Aanensen等[8]分析了空气在不同电流下的开断能力，并讨论了开断能力的影响因素：触点、喷嘴尺寸和空气流速。此类文献主要从饱和蒸气压、灭弧能力等方面讨论了SF6替代气体的合理性。

温升是影响开关设备安全可靠性的重要指标，长期发热会造成开关柜过热、电气和绝缘性能降低，因而在SF6替代气体的温升方面学者们也进行了一定研究。赵婧等[9]基于12 kV干燥空气气体绝缘开关柜热分析模型，对比分析了干燥空气和SF6这2种气体下的温度场和流场分布情况，并提出了开关柜优化方法；吴小忠等[10]针对氮气绝缘开关设备大电流工况进行了温升仿真研究，通过结构优化、增大散热面积系数等控制方法降低了开关柜整体温升；彭波[11]结合热力学仿真和DOE试验设计的方法，研究了12 kV干燥空气气体绝缘开关柜的温度场和流场分布情况，对比验证了运动黏度、结构厚度对温升影响的显著性；杨桢等[12-13]建立了SF6/N2混合气体的单相GIS母线多物理场耦合模型，并针对负载电流、环境温度、气体压强和SF6气体组成等温升影响因素进行研究，并加以实验验证。

总体来说，现阶段的国内外研究大多研究了SF6替代气体的绝缘性能和灭弧能力，以及对单种环保气体进行温升特性研究并进行结构优化，而对不同环保气体温度场和流场分布特性的对比研究较少，缺少从温升特性角度讨论替代气体的可行性。本文以KYN28-12型中压开关柜为研究对象，运用有限元分析的方法建立开关柜的三维温度场和流场耦合分析模型，对比研究干燥空气、N2和SF6这3种绝缘气体下气体绝缘中压开关柜的温度场和流场分布特性，分析干燥空气和N2在温升角度替代SF6的合理性。

1 中压开关柜仿真模型的建立

本文采用KYN28-12型中压开关柜为研究对象，对其进行建模和仿真分析。

1.1 物理模型

本文探究的是不同绝缘气体下开关柜温升特性的变化。中压气体绝缘开关柜通电导体部分包括主母排、分支母排、动静触头、断路器导体、电流互感器导体以及电缆室电缆。因为导体件的圆孔、腰圆孔和圆角等结构的设计以及电场分布的优化，对铜排欧姆损耗的影响很小，所以为了优化计算量，可以忽略各种装配孔。机柜内电流互感器本身的温升要求已经有明确的规定，发热量影响整个温度场分布的可能性较小，而接地开关在正常运行时不进行投运，故均忽略[14]。将柜体简化为平板，忽略仪表室内的二次设备。简化后的开关柜模型即为本文仿真所采用的物理模型，如图1所示。

图1 中压开关柜物理模型

1.2 数学模型

本文首先建立电磁场模型以求解开关柜通电导体内部的电场和所产生的焦耳热量，即模型中的主要热源。其次，基于温度场数学模型，描述通电导体内部热量的传导以及导体与周围气体及绝缘材料之间的热传递，即开关柜内的热传导过程。根据前述分析，在自然重力的作用下，冷热气体交换形成自然对流，因此本文建立流体动力学模型用以求解气体的热对流。

在电磁场模型中，求解开关柜通入指定电流后的电势分布情况为

(1)

J为电流密度矢量；E为电场强度矢量；D为电位移矢量；Qj,v为电荷量；σ为电导率；V为电势。

开关柜发热主要受电阻、介电和铁损耗等因素所影响。其中，中压开关柜介电损耗较小，故忽略不计。根据文献[15]，计算时可忽略铁损耗，仅考虑电阻损耗，即

P=KfI2RRMS

(2)

Kf为交流附加加热系数；RRMS为导体回路电阻。

在温度场模型中，热传递主要有传热、对流和辐射等过程。根据仿真对比分析发现，热辐射对于开关柜温升变化影响较小，因此在热分析过程中仅考虑热传导和热对流对温升的影响。开关柜的真空灭弧室内部为真空状态，因此不存在气体的对流散热过程，只有导体内部的热传导。式(3)用以模拟导体内部以及导体与气体、绝缘材料之间的热传导过程，即

(3)

k为材料的导热系数；ρ为材料的密度；Cp为材料的恒压热容；u是流体速度场；Q为热量；q为每单位体积产生的能量。

在流体动力学模型中，热源产生热量，加热零部件周围的气体，使气体在重力作用下流动，气体的流动促进了导电回路的散热，从而形成了自然对流过程。假设气体流动的广义雷诺数足够小，整个内部空间处于层流状态，因此，针对自然对流建立气体的质量传递、动量传递和能量传递的过程。

质量守恒方程为

(4)

动量守恒方程即纳维-斯托克斯方程为

(5)

其中，在流体状态下，p为压力；μ为动力黏度；g为重力加速度；u为惯性力；∇p为压力；T为温度。

能量守恒方程为

(6)

其中，Φ为损耗函数。

1.3 边界条件及模型参数设置

本文假设气体流动的广义雷诺数足够小，处于层流状态，且气体为可压缩流体。在流场计算中，设置无滑移边界条件，气体流动为弱可压缩流动。

在重力或其他力场中，自然对流指的是由气体密度变化不均匀所产生的浮力，促使其运动。因此本文在模拟中压开关柜内的气体自然对流时，气体的密度随温度的变化而改变，而理想气体状态方程为

pV=nRT

(7)

其中，在理想气体状态下，p为压强；V为体积；n为物质的量；R为常数，其值为8.314 J/(mol·K)。根据式(7)得出气体密度为

(8)

ρ为空气密度；pht.A为固体和流体传热模块求解出的压强；Mw为气体物质的量。

在本文仿真中，环境温度设置为20 ℃，充气压力为0.1 MPa。除开关柜内部自然对流过程，开关柜外壁面与外部气体同样进行对流换热过程，本文通过设定对流换热系数h模拟求解此过程，其中h=5.0 W/(m2·K)。而对于开关柜内部的自然对流，本文将固体、液体传热模块与层流模块结合起来，分别用质量、动量守恒和能量守恒方程对其进行耦合求解。

中压开关柜模型中各相关材料的基本属性参数如表1所示。

表1 材料属性参数

研究表明，接触电阻远大于母排本身的电阻，是导体回路电阻的重要组成部分。正常工作情况的接触电阻值如表2所示。

表2 接触电阻参数

1.4 网格划分

导体回路的发热以及气体流场的分布是本文求解的重点。因此本文的温度场和流场网格划分方法相同，均采用自由四面体网格剖分，划分顺序为：首先剖分梅花触头，接着依次划分通电导体、断路器部分、绝缘外壳、开关柜体及挡板，最后对柜内气体进行网格划分。最终整体模型的网格数约为300万，网格划分效果如图2所示。

图2 网格划分效果

2 仿真结果分析

根据1.3节所述，本文温度场仿真的初始值设为20 ℃，充气压力为0.1 MPa。为满足温升稳定的条件，仿真时长设定为180 min，步长5 min。根据GB3906和DL/T593要求，在开关柜温升试验中，需设定1 375 A工频电流。在开关柜内，通电导体回路是其主要热源，温升往往较高，因此本文选取温度最值以及进线母排接触处、梅花触头接触处、断路器触头接触处和电缆触头作为测温点来分析不同绝缘气体下开关柜的温度场和流场分布特性。

2.1 温度场分布特性对比

在干燥空气、N2和SF6此3种绝缘气体环境下，开关柜通电导体的温升云图如图3所示。

图3 不同气体下通电导体温度分布图

由图3可知，温度最高部分均集中在A相断路器触头处，干燥空气下最高温度为43.34 ℃，N2中最高温度为43.42 ℃，而SF6中最高温度为34.54 ℃；最低温度集中在电缆夹处，干燥空气下最低温度为20.92 ℃，N2中最低温度与干燥空气下一致，而SF6中最低温度为20.43 ℃。造成温度高低差异的主要原因有接触电阻大小不等以及周围气体流动情况不同。接触电阻越高，产生的热量越大，其温升就越高。如图3中断路器触头处接触电阻最大，且热传递形式仅为热传导，则温度较高。同时热量在通电导体间传导，从温度较高的零件传递给温度较低的零件，所以使得回路中与断路器触头相连的导电杆和梅花触头温度值较高。

为进一步分析在不同绝缘气体下通电导体的温度分布特性，本文给出了在各气体下，各测温点温升曲线如图4所示。结合图3可以发现在不同气体下，上梅花触头的温升均要高于下梅花触头，温差约为0.80 ℃。在不同绝缘气体下，开关柜通电导体的温度分布规律相同，各部位温升从高到低依次为断路器触头、上梅花触头、下梅花触头、进线母排接触处以及电缆触头。

图4 不同气体下各测温点温升曲线

结合前文所述，选取不同气体绝缘下，开关柜内同一处测温点温度进行对比分析，如表3所示。通过对比可以发现，SF6环境下通电导体温升普遍低于干燥空气和N2环境。

表3 测温点温升对比 ℃

3种气体环境下中压气体绝缘开关柜的通电导体回路的温度分布基本一致，上梅花触头温升高于下梅花触头，各部位温升从高到低依次为断路器触头、上梅花触头、下梅花触头、进线母排接触处以及电缆触头。干燥空气和N2的温升极为接近，温升差小于1.00 ℃，而SF6气体温升最低，较干燥空气和N2低约5.00～9.00 ℃。

如果通电导体产生的热量相同，则气体的对流散热能力就决定了不同气体下开关柜的整体温升。衡量气体对流散热能力的参数主要为对流换热系数，随着对流换热系数的增大，能够有效确保散热效果并降低温升，反之，无法保证散热效果且温升较高。随着流体密度和定压热容的增加，流换热系数随之增大，而随着动力黏度的减小，流换热系数随之降低。由于SF6气体的密度和定压热容大于空气和N2，而动力黏度最小，因此SF6对流换热系数最大，N2和干燥空气对流换热系数近似，因而SF6下开关柜整体温升最低，干燥空气和N2环境下温升近似。从温升角度看，N2和干燥空气可以作为SF6的替代气体，且N2和干燥空气之间散热性能接近。

2.2 流场分布特性对比

本文选取3种气体环境下开关柜XY截面流速分布情况进行展示分析，XY截面穿过导体回路B相的中轴线，将柜体平分为前后2部分，如图5所示。图5中背景底色为开关柜内该点气体的流动速率，箭头线为气体流动方向，白色曲线为气体流线，较为直观体现出气体的流动轨迹。

图5 不同气体下XY截面流速分布

通过对比3种气体环境下的流速分布，可以发现在不同气体环境下开关柜流场分布规律基本一致。各室气体都有流向通电导体热源的趋势。通电导体散发热量，加热周围气体，导致导体周围的气体温度较其他区域快速升高，温度升高气体密度和气压减小，因而热气体上升。当气体到达上壁面后，气体与柜体壁面的温差使气体在靠近壁面的两侧沿着壁面向下流动，到达底部再一次形成回流向上流动，各室均产生了气体环流现象。

尽管流场分布规律基本一致，但各气体流速大小不等。其中干燥空气和N2的流速接近，最高流速为0.16 m/s，而SF6气体的流速略低，最高流速为0.12 m/s。气体流速快慢的主要因素是通电导体表面温度以及气体的动力黏度。通电导体表面温度越高，周围气体的温度越高，流速也越快。当动力黏度减小时，气流在流动过程中的阻力也随之减小，所以流速加快，反之，流速缓慢。由2.1节分析可知，通电导体温升从低到高分别为电缆触头、进线母排接触处、梅花和断路器触头。在断路器手车室内，由于断路器触头中为真空环境，其附近不存在气体自然对流，因此其周围空气流动缓慢；梅花触头上方的空气流速最高，上下触头盒之间气体流动也较为快速；在母线室和电缆室内，母排上方和电缆周围的空气受热源影响，流速也较高；而仪表室内不存在热源，虽然存在环流现象但流速较为缓慢。3种气体比较：SF6黏度最小，N2黏度稍小于空气；且由2.1节可知，通电导体的温度在SF6中最低，N2中温度与空气中温度接近。所以，受这2个因素的共同作用，导致3种气体中SF6的流速缓慢，而干燥空气流速与N2几乎相同。

3 结束语

模拟了中压气体绝缘开关柜在3种气体环境下的温度场和流场分布情况，结果表明3种气体环境下的温度场分布相似，开关柜各部位温升从高到低依次为断路器触头、上梅花触头、下梅花触头、进线母排接触处和电缆触头。其中，上下梅花触头处温差约为0.80 ℃左右；断路器触头处由于接触电阻值高且自身散热条件差，因而温升最高；干燥空气和N2的温升接近，SF6气体温升最小，较干燥空气和N2低约5.00～9.00 ℃。3种气体的流场分布规律也基本一致，但SF6气体流速较慢，最高0.12 m/s，干燥空气和N2的流速类似，最高流速0.16 m/s。这是由于SF6气体密度和定压热容大于空气和N2，而动力黏度最小，因而对流换热系数最高，导致相同温升情况下所需热量更多；SF6温升最低，而动力黏度最小，综合作用下SF6流速也略低于干燥空气和N2。

通过比较3种气体下开关柜温度场和气流场的分布情况，从温升方面考虑，在满足绝缘条件前提下，由于干燥空气与N2中温升要高出SF6气体5.00～9.00 ℃，因此使用空气、N2作为开关柜的绝缘气体替代SF6气体是可行的，但需要注意由此带来更高的温升，本文流场分布特性可为干燥空气和N2开关柜降低温升研究提供一定的理论依据。