六氟化硫电气设备中水分子扩散过程研究.pdf

第 3 3卷增-? l j 1 湖南电力 H U N A N E L E C T R I C P O WE R 2 0 1 3年 7月 d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 8 - 0 1 9 8 2 0 1 3 Z 1 0 0 9 六氟化硫电气设备中水分子扩散过程研究 周舟 ，冯兵 ，万涛，龚尚昆，陶靖 ( 湖南省 电力公 司科 学研究院 ，湖南 长沙 4 1 0 0 0 7 ) 摘要 ：六氟化硫气体湿度是气体绝缘 电气设备安全运行的重要指标 为了研究水分子 在设备 内的扩散过程采用流体动力学模拟技术对不 同压力条件下水分子从取样 口扩散 到设备本体的过程进行模拟结果发现在分子热运动作 用下达到完全扩散平衡最少需要 2 2 2 h ，证明了在密闭条件下取样 口的气体湿度不能实时反 映充 气设备本体 内的气体湿 度 ，六氟化硫 气体微水含量在线监测装置不应安装在设备取气 口位置 关键词 ：六氟化硫 ；湿度 ；扩散 ；模拟；在线监测 中图分类号 ：T QI 1 6 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 8 0 1 9 8 ( 2 0 1 3 ) S 1 0 0 3 4 0 3 六氟化硫 ( S F )气体是 目前最理想 的绝缘和 灭弧介质 。被广泛应用于各类高压电气设备中 j 。 然而 ，过量水分的存在会使得 s 气体的优越性能 大幅下降。水 分子能够与 s 电离产 物反应生成 H F、S O ， 、S O F ，等有毒气 体，对金属部件造成腐 蚀 ，导致机械操作失灵。当外界气温突降时 ，气体 中过量水分还有可能使绝缘部件表面产生凝露 ，使 沿面闪络电压急剧降低 ，危及高压电气设备的安全 运行 。因此对其进行 湿度测量是 十分必要 的。 使用传统的方法进行 s 气体湿度测量需要通过取 样 口放气 。这对现场工作人员的身体健康以及环境 都是不利的。而随着智能电网的发展 ，电气设备中 s 气体微水含量的在线监测势在必行 。此类在线 监测装置可以通过固定的湿度传感器反映出电气设 备 中 s 气体水分含量的变化 ，并适时发 出警报， 从而实 现对 电气设 备 实时 运行 状 况 的掌握 及 控 制 。 通常 ，s 气体 中水分 的来源有几种 J ：新 气 中含有水分 ：在充气过程 中带人 ；由外部渗入 ； 设备内部吸附剂和绝缘材料带人的水分。前面 2种 来源的水分可以在设备投运前的湿度检测 中发现。 对于运行中的 s 电气设备 ，s 气体 的对外泄漏 和外部湿气 的向内渗透总是难免的，只是渗漏量的 大小存在差异。设备靠近取样 口、阀门 、管道等处 收稿 E t 期 ：2 0 1 2 0 4 1 5 3 4 的位置往往容易发生渗漏 。而且同体绝缘材料也集 中在这些部位 ，因此 ，这些部位 中的气体湿度较设 备本体内的气体湿度要高一些 j 。但是 ，由于 G I S 设备的制造T艺 、气密性要求以及在线监测装置安 装 、检修等条件的制约 ，目前大多数 S 气体微水 在线监测装置只能安装在 电气设备的取样 E l 上。这 样就会使得在线监测装置测量的结果不能有效反映 电气设备本体 内真实的气体湿度 ，从而发生误报 ， 情况严重的还有可能引起误动作 ，影响电网的安全 稳定运行。文中首次运用仿真模型研究 了 s 电气 设备取样 口气体湿 度与设备本体 中气体湿度 的关 系 。 1 实验部分 G I S 模 型如图 1所示 长 2 0 0 0 m m直径 6 5 0 m m，取样 口位 于设备 中部 。长 1 5 0 m m，直径 l 0 m m。考虑到断路器的气体压力高于其他气室 的压 力 ，所以整个模拟过程分别在气体压力为 0 4 MP a 或 0 5 MP a的条件下进行。由于设备为密闭环境 ， 水分子的扩散仅能通过分子热运行进行 ，设备 内部 母线或其它机构在空间上对扩散过程 的影响不大 可忽略不计。水分子的扩散在 2 5条件下进行模 拟 ，选用混合网格模型 ( 如 图 2所示) ，采用非耦 合稳态求解方法。 第 3 3卷增刊 1 湖南电力 2 0 1 3年 7月 图7 0 4 MP a压力条件下不 同部位气体 湿度 随时间变化的情况 图8 0 5 MP a压力条件下不同部位气体 湿度随时间变化的情况 湿度变化最为明显 其 中 a 点 的湿度 由最初 的 3 0 0 【 L下降到 3 3 1 L L( 0 4 M P a )和 3 2 9 L L ( 0 5 MP a ) ，C点 的湿 度 由最初 的 0 L L上升 到 0 3 1 8 I L ( 0 4 MP a) 和 0 3 1 4 L L ( 0 5 MP a ) 。而作为设 备本体 中心的 b点 ，是取样 口中 水分子扩散到本体的必经之路 ，在湿度变化最为剧 烈的4 1 0 S的时间内，湿度由最初的0 L L上升 至 U 0 6 7 9 L L ( 0 4 MP a )和 0 6 7 7 L L ( 0 5 MP a ) 。在接下来 的扩散 时间内，b点 的湿度变化 情况与 a点一致 ，均呈现出缓慢下降的规律 ，而 c 点的湿度 则持续缓 慢增长 ，最终在 扩散 81 0 s 后 3个监测点的湿度变化达到平衡状态，基本稳 定在 0 4 0 0 I L水平 ，说 明此时设备内的气体湿 度浓差 已基本扩散均匀 。从以上的模拟过程可 以发 现，在初始条件下 ，取样 1：3湿度为 3 0 0 L L ，此 湿度水平完全可能引起在线监测装置发出报警信 号 然而在整个密闭设备中，水分子的绝对含量是 3 6 非常低的，所以通过长时间的分子扩散后，整个体 系中的水分子分布才达到平衡 ，此时才能反映 设 备内的真实湿度水平。而由于密度对分子运动的影 响 ，较高压力条件 下水分 子的扩散速度有些许下 降 ，但相对整个扩散过程来说，气压的影响并不明 显 。 3 结论 由于取样 口体积较小 ，内部扩散相对困难 ，所 以渗漏或绝缘材料释放水分等情况可以引起取样 口 短时间内湿度急剧升高。通过模拟设备内水分子的 扩散过程可以证 明，在完全密封的条件下，取样 E 1 的水分子通过分子热运动扩散到设备本体需要 l h 以上 ，而要达到完全扩散平衡则最少需 要 2 2 2 h 。 该结果同时证明 ，无论设备气体压力大小 。用取样 口的气体湿度来反映充气设备本体内的气体湿度都 是不合适的 ，安装在设备取气 1：3 位置的 s F 气体微 水含量在线监测装置不能准确测量设备内气体 的真 实含水量 ，而且还可能发生误报警 ，建议 s F 气体 微水含量在线监测装置传感器探头安装在设备本体 内。 参考文献 1 T s a i WT T h e d e c o m p o s it i o n p r o d u c t s o f s u l f m h e x a fl u o r i d e ( S F 6 ) ：R e v i e w s o f e n v i ron me n t a l a n d h e a l t h r i s k a n a l y s i s J J o u r n a l of F l u o ri n e C h e m i s t ， 2 0 0 7 ( 1 2 ) ：1 3 4 5 1 3 5 2 ( 2 周舟 ，龚 尚昆，陈绍 艺s 气体分解产物分析检测技术的应 用 J 电网技术 ， 2 0 1 0 ， 3 4 ( S I ) ： 1 6 5 1 6 8 ( 3 B e y e r C ， J e n e t t H， K l o c k o w I ) I n fl u e n c e o f r e a c t i v e S b g a s e s I Jl1 e l e c t r o d e s u r f a c e sa f t e r e l e c u i c a l d i s c h m g e s u n d e l s F 6 a t mo s p h e l e I E EE T r a n s a c t i o n s o n Di e l e c t l i c s a n d E l e c t ric a l I n s u l a t i o n，2 0 0 0，7 ( 2 ) ： 2 3 4 2 4 0 4 王琦 ，邱毓 昌 ，王宏 ，等3 3 0 k V罐式断路 器 巾六氟 化硫气 体湿度的测量 J 绝缘材料 ， 2 0 0 4，( 2 ) ： 3 5 3 7 5 陈新岗 ，陈渝 光，黄建 国，等环境温度及湿度对 s 断路器 中微量水 分 的影 响 及 控 制 措 施 J 高 压 电 器 ，2 0 0 4，4 0 ( 1 )： 6 3 6 5 6 王春宁 ， 刘红波六氟化硫气体在线监测的研究 J 高电压 技术 ， 2 0 0 5 ， 3 1( 9 )