c-C4F8和C5F10O應用于氣體絕緣輸電線路的溫升特性分析

靳國豪，秦 川，靳婷蕾，張建飛，王玉春，劉朋亮

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0 引言

SF6作為重要的氣體絕緣和滅弧介質，在氣體絕緣金屬封閉開關(gas insulated switchgear，GIS)、氣體絕緣斷路器(gas insulated circuit breaker，GCB)、氣體絕緣輸電線路(gas insulated line，GIL)等氣體絕緣電氣設備中得到了廣泛應用[1-2]。但是，SF6是一種溫室效應很強的氣體，其全球變暖潛能值(global warming potential，GWP)非常高[2-4]，約為 23 500（在100年時間范圍，以CO2為當量），且在大氣中極難分解，在大氣中的壽命約為3 200年[2]。由于全球氣候變暖形勢嚴峻，極高的GWP值使得本已成熟應用的SF6再次成為國內外學者關注的焦點，在《京都議定書》和《巴黎協議》中被明令限制使用，在2020年要求禁止使用。近年來，為保護人類生存環境，減少SF6用量，尋找綜合性能優異的環保型絕緣氣體成為必然趨勢。為此，學者們進行了大量研究工作，研究內容主要關注新型替代氣體的溫室效應影響、毒性、液化特性、絕緣特性等，取得了一定進展[3-6]。通過對SF6替代氣體進行的大量研究，替代氣體應用的基礎是具有良好的介電性能、化學穩定性、低毒性和低GWP值。

八氟環丁烷(c-C4F8)、氟代甲基異丙基酮(C5F10O)是兩種具有較高電氣強度的絕緣氣體，具有替代SF6的潛力。其中，c-C4F8常溫下為氣態，無毒且不可燃，分子量為200.03 g/mol，沸點為-6℃，分子為非平面結構，結構對稱性好，化學性質十分穩定，不易與其他物質發生反應。與SF6對比，c-C4F8的GWP值約為8 700，是SF6的1/3[7]，能顯著降低對環境的影響，但是它在大氣中的壽命同樣相對較長，預計為2 600～10 000年，而且c-C4F8的液化溫度較高，因此純c-C4F8氣體難以實現寬溫度范圍的應用。目前，已有針對c-C4F8與緩沖氣體N2、CO2等組成的混合氣體的研究。滿林坤等[7]對純c-C4F8氣體及其與N2、CO2組成的混合氣體的絕緣性能、液化特性進行了研究，發現c-C4F8的體積分數為5%～20%時，c-C4F8-CO2混合氣體的綜合性能與SF6較為接近，具有較大的應用潛力。C5F10O是一種新型的人工合成絕緣氣體，由3M公司開發，并被ABB公司用作替代SF6的新型絕緣氣體空氣PlusTM的主絕緣介質。其分子量為266 g/mol，沸點為26.9℃。與SF6相比，C5F10O具有絕緣強度高、GWP值約為1（以CO2為當量）、環境友好等優點。但其沸點過高，在常壓下的液化溫度為26.5℃，在常溫常壓下已成為液態[8]。目前，ABB公司及相關學者的研究認為，C5F10O的體積分數為5%～20%時，C5F10O/空氣混合氣體的綜合性能與SF6較為接近[8-9]。

由于氣體絕緣輸電線路和開關設備的通流容量較大，會產生大量的熱量，將對設備的運行安全帶來極大挑戰。設備中心導體和外殼之間的熱阻依賴于氣體散熱特性，而外殼的溫升則主要取決于周圍環境介質的熱阻[10]。在GIS、GIL中使用的SF6具有良好的導熱性，散熱能力強，通過合理的結構設計，一般可將GIS、GIL中的溫升保持在可接受的范圍。然而，若采用新型絕緣氣體或氣體混合物代替SF6，必須對新氣體SF6的傳熱特性進行考察。

通過實驗方法對充有絕緣氣體的設備進行溫度測量可以反映氣體的傳熱性能，但是，由于GIL、GIS腔體密封，目前的觀測方法均存在一定的問題。紅外成像方法分辨率難以達到要求；定期測量回路電阻的方法無法實現在線監測；光纖測溫方法雖然可以實現在線監測，但是受傳感器布置區域和數量的限制，無法全面反映GIL/GIS的完整工況[10-11]。有限元(finite-element method，FEM)方法是工程領域重要的計算方法[11-12]，可將電磁場、溫度場、流體場進行耦合，建立模擬GIL、GIS同軸結構多物理場數值的計算模型，從而實現氣-固絕緣系統在復雜環境中的流體運動和氣、固傳熱狀態以及溫度分布的模擬[13-15]。文獻[11-15]采用有限元數值計算方法對采用SF6氣體絕緣的GIL設備進行二維溫升仿真計算。文獻[16]對采用SF6/N2混合氣體的氣體絕緣輸電線路的溫度場穩態分布進行數值模擬，通過仿真計算方法研究了氣體組分比例和壓強對GIL溫升的影響。

本研究針對GIS、GIL的管道結構，建立電-熱-流體多物理場仿真計算模型，利用該模型，研究環保型c-C4F8/CO2和C5F10O/空氣混合絕緣氣體的傳熱性能及其對氣體絕緣輸變電設備溫升的影響。

1 溫升數值計算模型

針對500 kV GIL建立仿真計算模型，由于該同軸結構的對稱程度高，為提高計算速度，選取二維平面模型，其幾何結構如圖1所示。仿真中，GIL的高壓導體和外殼材料設定為鋁合金，與實際工程應用相符。高壓導體、外殼的幾何尺寸及材料特性如表1所示。

圖1 GIL二維幾何結構與網格剖分Fig.1 Two-dimensional geometric structure and meshing generation of GIL

表1 幾何尺寸與材料基本參數Tab.1 Geometric dimensions and basic material parameters

1.1 物理模型與邊界條件

載流導體中的電流是GIL設備的核心熱源，由于工況電流源為工頻正弦電流，外殼存在感應渦流產生的熱量。物理模型首先通過電磁場計算，獲得電流密度和總熱量。電磁場求解域為外部環境空氣、高壓導體、絕緣氣體和外殼。假設GIL無限長，對于二維結構，GIL導體與外殼的焦耳熱損耗(Qj)可表示為式（1）。

式（1）中：ρR為電阻率；J為電流密度；S為導體和外殼的橫截面積。

GIL為同軸圓柱結構的氣-固系統，其傳熱包括熱對流、熱輻射和熱傳導3種方式。其中，熱對流占主導地位，熱輻射也會傳遞大量熱量。高壓導體產生的穩態焦耳熱損耗將以熱對流和熱輻射兩種方式傳遞給外殼。而對外殼而言，不但有高壓導體傳遞的熱量，還有自身渦流發熱的熱量，并將自身熱損耗與外界空氣域之間進行對流和輻射換熱[13]。而對于高壓導體和外殼金屬內部，熱傳導則是熱量的主要傳遞方式。

由于封閉的GIL腔體在熱源發熱的情況下，氣體會發生流動，導致氣體密度分布不均，流體計算選擇可壓縮層流模型。其控制方程包括質量、動量和能量守恒方程，如式（2）～（4）所示。

式（2）～（4）中：ρ為氣體密度；p為氣體壓強；μ為氣體的動力黏度；cp為氣體的比定壓熱容；λ為氣體的導熱系數；u為氣體流速；G為重力，即流體計算中的體積力；Q為熱量，由高壓導體和外殼的熱損耗組成。

計算模型設定無窮遠處大氣溫度恒定，外界環境邊界溫度滿足第一類邊界條件，固-氣界面共有3個：導體-絕緣氣體界面（內、外共兩個）、外殼-空氣界面。本研究中輻射和對流換熱的邊界條件與文獻[8]相同，在此不再贅述。

1.2 網格的剖分

在實際的流體流動與傳熱問題中，二維幾何域通常具有不規則的形狀。對于這種不規則區域的離散，使用矩形作為基本有限元是最簡單顯然但不是最合適的選擇，因為矩形不能準確地表示區域的任意幾何形狀。因此對于給定的二維區域，在離散化的處理上，三角形單元較矩形單元更為合適，因為在這種情況下，離散誤差較小，甚至可忽略不計。另一方面，對于三維域中的網格劃分，四面體是大多數物理模型中使用的默認元素類型，其他3種元素類型是六面體、三角棱柱體和棱錐體。與這3種元素類型不同的是，任何三維幾何體，無論其形狀或拓撲，都可以與四面體單元進行網格劃分，而且它們是唯一一種可用于自適應網格細化的單元。

在本研究中，四面體單元更適合于邊界區域的離散化。圖1為計算區域的空間離散剖分構建結果，為了解決壁面區域附近垂直于管壁的流量變化現象，使用默認邊界層網格，同時減少與管壁相切方向上的網格點數量，從而有助于避免收斂不穩定。為了節省計算時間，同時保證得到的解與網格無關，進行了網格收斂分析。當網格單元數大于7 956時，在10 s的計算時間內實現了＜0.1%的變化。同樣，當元素數量超過60 000時，擴展到三維模型的收斂性分析顯示變化小于1%，但是計算時間增加了210 s。為保證計算精度和收斂速度的平衡，對于目前使用自由網格的分析，二維和三維模型分別使用7 956個三角形單元和1 520個四面體單元。

2 計算結果及分析

利用上述多物理場仿真模型，首先對充有SF6絕緣氣體的氣體絕緣輸電管道溫度場分布進行研究。設定初始環境溫度為298 K（25℃），高壓導體的激勵源選擇工頻50 Hz，載流為3500 A，SF6氣體的氣壓為0.4 MPa。

二維管道達到穩態后的溫度分布如圖2所示。從圖2可以看出，求解域內溫度整體分布接近軸對稱，且高壓導體、氣體和外殼溫度自上而下呈現梯度分布的模式。溫度最高值出現在高壓導體的頂部，為358.2 K；溫度最低值出現在外殼的最底部，為323 K。高壓導體為主要熱源，其頂部與底部的溫差為1.2 K；外殼頂端與底端的溫差較大，達到3.7 K。對于SF6氣體，由于其較強的流動性，溫度呈現出明顯的上高下低規律。

圖2 二維GIL管道穩態溫度場分布Fig.2 Steady state temperature field distribution of two dimensional GIL pipeline

表2為仿真計算結果與文獻[17]利用溫度傳感器對500 kV GIL導體及外殼進行穩態溫度測量結果的對比。從表2可以看出，導體上下位置溫度仿真計算值的相對誤差在1.3%～1.4%，而且計算值均高于實驗值，這與仿真模型將盆式絕緣子看作絕熱體而進行二維簡化計算有關[18]。對于GIL外殼，計算值與實驗測量值更為接近，誤差在1%以內。該仿真模型溫度分布的計算結果與實際氣體絕緣裝備關鍵位置的溫度分布測量結果接近，溫升狀態滿足同軸結構自然對流主導的分布規律，可認為該模型可靠。因此，后續使用此模型仿真不同氣體下氣體絕緣輸電管道的溫度場分布，對典型環保型絕緣氣體的傳熱性能進行評估。

表2 GIL穩態溫度仿真計算與實驗測量結果對比Tab.2 Comparison between simulation calculation and experimental measurement results of steady state temperature for GIL

計算過程中，SF6、c-C4F8、空氣和 CO2氣體的熱學相關參數來源于美國國家標準與技術研究院發布的REFPROP軟件，C5F10O的相關數據來源于3M公司提供的熱物性手冊[19]，如表3所示。

表3 SF6、c-C4F8、C5F10O、空氣和CO2氣體的熱學相關參數Tab.3 Thermal parameters of SF6,c-C4F8,C5F10O,air,and CO2

圖3為采用c-C4F8/CO2混合氣體的GIL從外殼底端至頂端的徑向溫度分布。

圖3 采用c-C4F8/CO2混合氣體的GIL徑向溫度分布Fig.3 Radial temperature distribution of GIL with c-C4F8/CO2gas mixtures

從圖3可以看出，相同氣壓下，c-C4F8/CO2混合氣體的傳熱性能比SF6氣體差。5% c-C4F8/95% CO2混合氣體中高壓導體的最高溫度比SF6中高4.5 K，20% c-C4F8/80% CO2混合氣體中高壓導體的最高溫度比SF6中高3 K。對于外殼，不同氣體下的溫升較為接近。隨著c-C4F8體積分數的增加，c-C4F8/CO2混合氣體的傳熱性能有一定改善，當c-C4F8的體積分數到達20%時，其散熱能力與SF6較為接近，在中壓系統的絕緣氣體替代中具備一定的應用潛力。

圖4為采用C5F10O/空氣混合氣體的GIL徑向溫度分布。從圖4可以看出，相同氣壓下，C5F10O/空氣混合氣體的傳熱性能相較于SF6氣體和相同配比的c-C4F8/CO2混合氣體散熱能力下降較多。5% C5F10O/95%空氣混合氣體中高壓導體的最高溫度比SF6中高7.6 K，20% C5F10O/80%空氣混合氣體中高壓導體的最高溫度比SF6中高5 K，與5% c-C4F8/95% CO2混合氣體的傳熱性能較為接近。同樣，該混合氣體中外殼溫度變化與SF6氣體比較相對差異較小。C5F10O氣體濃度的提高，同樣使得混合氣體的傳熱性能有了明顯改善。

圖4 采用C5F1OO/空氣混合氣體的GIL徑向溫度分布Fig.4 Radial temperature distribution of GIL with C5F10O/air gas mixtures

將填充SF6氣體、c-C4F8/CO2、C5F10O/空氣3種混合氣體的GIL溫度分布進行對比，發現在同等條件下，SF6氣體的傳熱性能優于c-C4F8/CO2混合氣體和C5F10O/空氣混合氣體。這是因為決定氣體對流換熱的關鍵參數是動力黏度和定壓熱容。c-C4F8氣體的動力黏度和定壓熱容本身與SF6較為接近，但是，由于為降低其液化溫度而采用了較高含量的CO2氣體，使其散熱能力有所降低。而對于C5F10O，其分子量比SF6大，動力黏度相對較低，使其本身也具備較好的導熱性。使用空氣作為緩沖方案后，由于空氣的散熱能力相較于SF6差距較大，導致充有C5F10O/空氣混合氣體的氣體絕緣裝備溫升較高。

對于環保型氣體絕緣輸電設備，傳熱性能的優劣是進行替代氣體選擇的重要考慮因素。通過上述對比分析可以看出，使用典型環保型絕緣氣體與緩沖氣體形成的混合氣體替代方案，其傳熱性能相較于SF6有一定程度的下降，建議通過適當的結構優化設計增強設備發熱嚴重部件的散熱。如在外殼上增加散熱片，或在滿足電場設計合理的前提下，在導體上加工散熱槽或散熱孔，以改善帶電部件周圍的氣體對流能力[20]。此外，電接觸的可靠性對于GIL、GIS長期工作的溫升具有重要影響，應增加觸點或觸片數，考慮增大接觸壓力和采用觸頭鍍銀、鍍錫等措施減小接觸電阻[21]，從而實現替代氣體應用后可能面臨的電接觸及附近導體溫升超過設備限制的隱患。

3 氣壓對溫升的影響及優選

氣壓是影響氣體傳熱的重要影響因素，圖5為提高氣體壓力后，采用c-C4F8/CO2、C5F10O/空氣混合氣體的GIL高壓導體和外殼溫升隨氣壓的變化。

圖5 氣壓對GIL溫升的影響Fig.5 Influence of gas pressure on the temperature rise of GIL

從圖5可以看出，隨著氣壓的增大，高壓導體的溫升逐漸下降。當氣壓提高至0.5 MPa時，20% C5F10O/80%空氣、5% c-C4F8/95% CO2混合氣體的散熱能力有一定提高，高壓導體溫升下降到國家標準要求的溫升范圍內。當5% C5F10O/95%空氣混合氣體的氣壓提高至0.6 MPa及其以上時，采用該絕緣氣體的GIL高壓導體溫升達到使用要求[22]。這是因為氣體壓強的增大使得管道內部氣體的分子密度增大，對流換熱能力增強，由高壓導體通流產生的熱量更快地傳導到外界。最終，在導體總發熱量不變的情況下，高壓導體溫升隨氣壓升高而降低。但外殼溫升則出現緩慢升高的現象，這是由于環境溫度對外殼溫度起主導作用，所以幾種不同氣體環境中的外殼溫升差異較小。

4 結論

（1）隨著c-C4F8和C5F10O氣體含量的提高，c-C4F8/CO2、C5F10O/空氣混合氣體的傳熱性能有較大改善。相應地，采用這兩種混合氣體的GIL/GIS高壓導體和外殼溫升隨主絕緣氣體含量的提升而逐漸降低。

（2）對于c-C4F8和C5F10O氣體含量相同的兩種混合氣體方案，c-C4F8/CO2混合氣體的散熱能力優于C5F10O/空氣混合氣體。其中，20% c-C4F8/80% CO2混合氣體的傳熱性能與SF6最為接近，在搭載流量氣體的絕緣輸變電裝備上可替代SF6氣體使用。

（3）兩種典型環保型混合氣體的散熱能力均隨氣壓增大而增強。提升1個大氣壓后，高壓導體的溫升可接近或低于國家標準要求的限值。因此，適當提高氣壓可改善由于替代氣體引發輸變電設備溫升提高問題。