基于流體力學的SF6電氣設備中SO2和H2S氣體擴散特性計算

賀毅，張靖，張英2,，朱春曉，王為

(1.貴州大學電氣工程學院，貴州 貴陽 550025; 2.貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550002)

目前，各種高壓電器設備中大量使用 六氟化硫(SF6)氣體作為絕緣和滅弧介質[1-3]。但設備時常發生故障，這是因為在設計、生產、運維等過程存在諸多問題[4-7]。充裝SF6氣體的全封閉組合電器設備(GIS)在運行過程中曾多次發生故障[8-11]，當放電或過熱等故障在設備內部產生時，SF6氣體會發生分解，生成SO2、H2S、SOF2、HF、CO等特征組分氣體來表征設備內部的故障[12-14]。

檢測設備內部是否產生故障的方法有2種，分為在線監測和離線檢測技術[15-16]。在線監測的原理是通過在取氣口處裝設監測設備來監測故障特征組份氣體的有無，進而判斷設備內部是否發生故障。紅外光譜法、電化學傳感器法等是典型的在線監測方法[17-19]。離線檢測的原理是將設備內部的氣體導出，并通過分解產物分析器來判斷設備內部是否存在故障，通過對故障特征組份氣體的檢測曾多次發現設備內部故障，保障了設備的安全與穩定運行[20-21]。

SO2和H2S氣體作為最典型的分解產物，常用于檢測設備內部是否存在潛伏性故障[22-23]，在電力行業標準DLT1359-2014《SF6電氣設備故障設備氣體分析與判斷方法》中，給出了SO2和H2S組分的檢測指標與評價結果的判斷標準，這2種氣體和發現設備內部潛伏性故障有直接聯系。但是，因為設備內部發生故障時故障氣體擴散效應不明，致使在設備故障診斷方面存在嚴重不足，相關文獻報道極少，設備故障診斷技術的發展受到很大的阻礙[24]。因此，為了明確故障特征組分氣體的擴散特性，本文提出利用FLUENT仿真工具來研究GIS設備中故障特征組分氣體的擴散特性，得到SO2和H2S氣體在擴散初期、中期、擴散均勻時濃度的分布情況以及達到均勻的時間和濃度。通過設置監測點，監測到設備內部各個位置濃度隨時間變化情況，得到氣體擴散到取氣口達到檢測裝置檢測到(1μL·L-1)的時間，以及取氣口氣體濃度隨時間的變化情況，氣體擴散效應計算與現有的特征組份氣體的檢測技術相結合，為準確判斷設備內部故障提供參考依據，進而指導生產實際。

1 模型及初始條件

1.1 物理模型和劃分網格

GIS設備物理模型參照文獻[25]1∶1的比例建模，該GIS模型由兩個部分組成，大圓柱是GIS設備本體，其直徑為0.65(m)，高為2(m)，小圓柱為取氣口，直徑為0.01(m)，高為0.15(m)。GIS設備的總體積為0.66m3，以GIS設備的左平面中心為原點建立幾何模型，如下圖1所示，兩個坐標位置分別為模型的原點以及故障初始位置。

圖1 GIS設備幾何模型Fig.1 Geometry model of GIS equipment

選用Ansys Fluent Meshing來劃分網格，網格數為12843個，網格質量良好，滿足要求。GIS設備網格劃分情況見下圖2。

圖2 GIS設備網格劃分示意圖Fig.2 Schematic diagram of grid division of GIS equipment

1.2 數學模型

1.2.1 質量守恒方程

(1)

式中，ρ為氣體密度，μj為湍流黏性系數的徑向分量，t為時間，xj表示氣體沿設備徑向的位移，Sm為源項。

1.2.2 動量守恒方程

X方向：

(2)

Y方向：

(3)

Z方向：

(4)

u、v、w為速度矢量在X、Y、Z方向上的分量，Su、Sv及Sw是動量方程的廣義源項;μ為湍流黏性系數。

1.2.3 能量守恒方程

(5)

T為流體溫度;kt為流體的湍流導熱系數;cp為混合氣體的定壓比熱;cpr為SO2定壓比熱;cpa為SF6的定壓比熱;ω為重氣質量比例;為常數，常取1;μt為流體的湍流黏性系數。

1.2.4 組分輸運方程

SF6氣體分解產生分解物，需依靠組分輸運方程來計算局部相的質量分數。由組分質量守恒定律可以得到氣體擴散組分方程：

(6)

ω為每種故障氣體的質量分數，Dm為湍流擴散系數。

1.3初始條件

設置氣室內壓力為0.4Mpa(大部分GIS設備的實際壓力)，GIS氣室內的溫度設定為300K(接近室內GIS變電站環境溫度)，求解方法選取為非耦合非穩態，GIS設備模型封閉即故障氣體在封閉體系內自由擴散，其擴散只依靠濃度差和分子熱運動實現。不考慮GIS設備內部空間上的母線及其他部件對擴散的影響，定義故障氣體擴散均勻的條件是設備內部故障氣體濃度差小于等于1μL·L-1。分別研究以下2種場景：SO2氣體擴散、H2S氣體擴散。2種場景分別研究6種不同的濃度的差別，最后得出結果并給出結論。

2 仿真結果和分析

2.1 SO2擴散模擬

為仿真模擬GIS設備內部產生局放故障時SF6氣體分解產生的分解物的擴散特性，假定本體內先前并無故障氣體產生，只存在有SF6氣體。當設備內部發生故障時，在設備左下邊緣位置(0.1m，-0.225m，0m)處產生了總量為0.0002L的SO2氣體。基于FLUENT仿真模擬得到了SO2氣體從故障發生位置擴散至充滿整個GIS設備的過程，結果如圖3-5所示。

圖3 封閉體系下，Z=0切面，t=500s時SO2濃度場Fig.3 SO2 concentration field when Z=0 section andt=500s in the closed system

圖4 封閉體系下，Z=0切面，t=6000s時SO2濃度場Fig.4 SO2 concentration field when Z=0 section andt=6000s in the closed system

圖5 封閉體系下，Z=0切面，t=12500s時SO2濃度場Fig.5 SO2 concentration field when Z=0 section andt=12500s in the closed system

封閉體系中，在擴散初期即擴散時間為500s時，設備內部SO2氣體濃度由最初的5000μL·L-1下降至90.7μL·L-1， SO2氣體在設備內部呈現一定的濃度梯度，由上至下、由大到小，設備頂部有最大濃度，大小為90.7μL·L-1，設備底部存在最小濃度，大小為1.84μL·L-1。擴散時間來到6000s時即擴散到達中期，設備內部最大濃度僅為40.2μL·L-1，此時取氣口處濃度最大，設備底部濃度最小，最小濃度也達到了30.2μL·L-1。當擴散來到12500s時，此時設備內部SO2氣體的濃度最高為35.5μL·L-1，濃度最低為34.5μL·L-1，認為擴散達到均勻。

表1 不同SO2濃度下擴散均勻的時間及最大最小濃度Tab.1 The time required for uniform diffusion and the maximum and minimum concentration under different SO2 concentrations

當設備內部SO2濃度分別為5000、2000、1000、500、200、100μL·L-1時，其他條件不變，擴散達到均勻所消耗的時間依次為12500s、7930s、6130s、3940s、2830s、1950s。

2.2 H2S擴散模擬

同2.1，封閉體系下，產生的H2S氣體總量為0.0002L，基于FLUENT仿真模擬得到了H2S氣體從故障發生位置擴散至充滿整個GIS設備的過程，結果如圖6-8所示。

圖6 封閉體系下，Z=0切面，t=500s時H2S濃度場Fig.6 H2S concentration field when Z=0 section andt=500s in the closed system

圖7 封閉體系下，Z=0切面，t=6000s時H2S濃度場Fig.7 H2S concentration field when Z=0 section andt=6000s in the closed system

圖8 封閉體系下，Z=0切面，t=10740s時H2S濃度場Fig.8 H2S concentration field when Z=0 section andt=10740s in the closed system

封閉體系中，在擴散初期即擴散時間為500s時，設備內部H2S氣體濃度由最初的5000μL·L-1下降至83.1μL·L-1，H2S氣體在設備內部呈現濃度梯度，由上至下、由大到小，設備頂部有最大濃度，大小為83.1μL·L-1，設備底部存在最小濃度，大小為3.73μL·L-1。擴散時間來到6000s時即擴散到達中期，設備內部最大濃度僅為38.1μL·L-1，此時取氣口處濃度最大，設備底部濃度最小，最小濃度也達到了33.8μL·L-1。當擴散來到10740s時，此時設備內部H2S氣體的濃度最高為35.6μL·L-1，濃度最低為34.6μL·L-1，認為擴散達到均勻。

當設備內部H2S濃度分別為5000、2000、1000、500、200、100μL·L-1時，其他條件不變，擴散達到均勻所消耗的時間依次為10740s、7020s、5850s、3290s、2620s、1710s。

表2 不同H2S濃度下擴散均勻的時間及最大最小濃度Tab.2 The time required for uniform diffusion and the maximum and minimum concentration under different H2S concentrations

2.3 各監測點濃度隨時間變化

為了進一步研究SF6電氣設備內部的SO2和H2S的擴散特性，在模型內部設置8個監測點，以模型右平面中心為原點，各監測點坐標如下表3所示。

表3 各監測點坐標Tab.3 Coordinates of each monitoring point

仿真得到各監測點濃度隨時間變化規律，如圖9和圖10所示。由圖9可以明顯看出，在最初擴散的2000s內，監測點E的SO2濃度變化趨勢最大，濃度變化趨勢為先增大后減小，最大濃度達到了158.9μL·L-1，A、C、D和G四個監測點濃度變化趨勢相近，濃度呈現波動性上升趨勢，B、F和H三個監測點SO2濃度變化趨勢相近，呈現為隨時間緩慢上升的趨勢。在接下來的擴散時間內，各監測點的濃度繼續變化，慢慢地趨于穩定，最終達到擴散均勻，擴散均勻時各監測點濃度基本維持在35.0μL·L-1的一個水平。結合SO2擴散路徑和各監測點濃度變化趨勢可知，SO2擴散先由設備左下邊緣向上擴散，設備頂部濃度高，監測點G位于設備頂部，所以G點的濃度變化最大，接著在濃度差和分子熱運動的驅使下，由上往下擴散，所以A、C、D和G四個監測點濃度變化趨勢次之，而B、F三個監測點均位于設備底部，所以SO2濃度變化趨勢很小，而監測點H位于取氣口處，但是取氣口空間較小，擴散減慢，所以濃度變化也小。

圖9 封閉體系下，各監測點SO2濃度隨時間變化趨勢Fig.9 The trend of SO2 concentration at each monitoring point in a closed system over time

由圖10可以看出，在擴散開始的2000s內，監測點E的H2S濃度趨勢最大，濃度變化趨勢同樣為先增大后減小，最大濃度為165.2μL·L-1，A、C、D和G四個監測點H2S濃度變化趨勢相近，呈現為波動上升的趨勢，B、F和H三個監測點H2S濃度變化趨勢相近，隨時間增加H2S濃度緩慢上升。在接下來的擴散時間內，各監測點H2S濃度逐漸趨于穩定，最終達到擴散均勻，擴散均勻后各監測點濃度穩定在35.0μL·L-1。同樣，結合H2S擴散路徑與各監測點濃度變化趨勢分析，兩種故障特征組分氣體的擴散路徑相同， 所以各監測點濃度變化趨勢與SO2相同，但由于擴散速率不同，所以各監測點的濃度大小有差異。

圖10 封閉體系下，各監測點H2S濃度隨時間變化趨勢Fig.10 The trend of H2S concentration at each monitoring point in a closed system over time

為了對比設備內部SO2和H2S氣體擴散的差異，從表3中8個監測點選出3個最具代表性的監測點，監測點的選取遵循以下原則，從三個平面中各選擇一個點，所選的代表性監測點為A、B和D，結果如圖11所示。第一幅為監測點D，由圖可知，D點SO2和H2S氣體擴散趨勢相同，但二者最大濃度不同。SO2氣體的最大濃度為62.8μL·L-1，H2S氣體的最大濃度為69.8μL·L-1。因為H2S擴散達到均勻的時間比SO2短，所以擴散速率更快，所以在同一時間擴散到G點濃度更大。中間為監測點B，由圖可知，兩者濃度變化情況基本一致，因為監測點B位于設備底部。最后一幅為監測點A，SO2和H2S氣體擴散趨勢相同，呈現為波動性上升。SO2氣體最大濃度為53.1μL·L-1，H2S氣體最大濃度為43.2μL·L-1。因為監測點A位于設備中部，濃度隨時間的變化波動較大。各監測點整體的趨勢均為隨時間變化濃度逐漸上升，最終達到擴散均勻。

圖11 3個代表性監測點SO2和H2S濃度對比Fig.11 Comparison of SO2 and H2S concentrations at 3 representative monitoring points

為了與工程實際中特征組份氣體檢測技術相結合，進一步分析了故障氣體擴散到取氣口時的濃度跟時間的變化趨勢，結果如圖12所示。針對故障氣體在線監測設備來說，精度一般為1μL·L-1，根據監測點的數據，得到不同濃度、兩種故障氣體在取氣口處達到1μL·L-1的時間，結果如下表4所示。

圖12 封閉體系下，不同特征組份氣體取氣口濃度隨時間變化情況Fig.12 Variation of inlet concentration of different characteristic components with time under the closed system

表4 取氣口處濃度達到1μL·L-1的時間Tab.4 The time when the concentration reached 1μL·L-1 at the sample connection

由圖12可以發現，在封閉體系下，SO2和H2S氣體在取氣口處濃度變化趨勢基本一致。在擴散初期的100s內，取氣口SO2和H2S氣體濃度為0，在100s-3000s擴散時間里， SO2和H2S氣體的濃度逐漸上升，在3000s-10000s擴散時間里，2種氣體的濃度逐漸趨于穩定，最終維持在35.5μL·L-1水平，說明設備本體中故障氣體擴散趨于穩定。

2.4 結果分析

由上述分析可知，SO2氣體的整體擴散路徑為由下往上、由左往右。擴散初期SO2氣體由于密度差從設備下方向上擴散，存在設備上方濃度高，下方濃度低的濃度梯度。擴散中期SO2氣體依靠濃度差和分子熱運動繼續擴散，最終達到擴散均勻。

H2S氣體的整體擴散路徑也是由下往上、由左往右。擴散初期H2S氣體由于密度差從設備下方向上擴散，存在設備上方濃度高，下方濃度低的濃度梯度。擴散中期H2S氣體依靠濃度差和分子熱運動繼續擴散，最終達到擴散均勻。

現有的檢測標準中，檢測氣體組分的精度一般為1μL·L-1，本文得到SO2和H2S擴散到取氣口的時間，在工程實際中設備發生故障后，可為工程人員檢測氣體組分的時間和數據的可靠性研究提供依據，但故障較輕時，所產生的故障氣體濃度也小，取氣口檢測到故障氣體濃度可能低于1μL·L-1，在現有的檢測技術條件下，檢測不到故障氣體，從而無法及時發現設備內部故障。

3 結論

為了研究GIS設備氣室內部在發生局放或過熱等故障時，產生的表征故障的氣體在設備內部的擴散特性，本文運用CFD技術，利用FLUENT仿真模擬得到了SO2和H2S氣體的擴散情況。同時對兩種故障氣體進行了定性和定量的分析，基于FLUENT仿真模擬得到了兩種故障氣體在GIS設備氣室內部的擴散規律、濃度大小、擴散均勻的時間以及故障氣體擴散到取氣口達到監測設備能檢測出的時間。本文所做工作可與現有的特征組分氣體檢測技術相配合，為準確判斷設備內部潛伏性故障提供理論依據，同時，在后續工作中，本文可為判斷GIS設備內部故障嚴重性、預測故障產生時間等研究提供一定理論支撐。但本文只研究了簡單模型背景下GIS設備中SO2和H2S氣體的濃度、時間的一定規律，與真實設備還是存在一定的差距，后續可繼續研究復雜模型下的GIS設備中更多的故障氣體的擴散特性。