六氟化硫組合電器在高寒地區的加熱計算

潘世巖， 袁 清

（特變電工（上海）中發依帕超高壓電器有限公司，上海201404）

六氟化硫（SF6）氣體因其特有的物理及化學性質，已經作為良好的絕緣介質并廣泛地應用于高壓電器行業。使用SF6氣體作為絕緣介質的氣體絕緣金屬封閉開關設備（Gas Insulated Switchgear，GIS）又因其占地面積小、占用空間小、結構緊湊和可靠的電氣性能越來越多的應用在各電網及大型企業。據統計僅2005～2010年期間國內126kV GIS、252kV GIS、550kV GIS的裝備量分別為35 328間隔、13 418間隔、1 380間隔［1］。隨著大城市化的區域現象顯著，土地資源稀缺，重點城市用電負荷激增，GIS設備將會更加廣泛地應用于全國各地區。隨之高壓SF6氣體在低溫環境下隨溫度下降液化，導致絕緣強度降低的缺點在東北、西北等－40℃環境溫度地區逐漸顯露。

1 現狀及問題

我國新疆、內蒙古、黑龍江、青海、甘肅北部等地區冬季溫度最低可達－50℃，給SF6高壓電器設備的運行帶來不便，絕緣強度降低將影響電力系統安全。

通過圖1SF6氣體狀態參數可以得到，產品在不同氣壓情況下允許的最低工作溫度，例如：當最低工作絕對壓力為0.6MPa時，從圖1上溫度t軸向上做垂直虛線與飽和蒸汽壓力0.6處水平虛線相交，取得B1點。參考相鄰的密度線（40kg／m3）做密度線T1，得到相交點B1、C1（C1為該密度線與OO′飽和蒸汽壓力曲線交點）。從C1點向下做垂直虛線與溫度t軸的交點溫度值－30℃即為其液化溫度。用同樣的方法做T2密度線可得點B2、C2，若最低工作絕對氣壓為0.5MPa時，其液化溫度為－37℃［2］。

圖1 SF6氣體狀態參數

隨著溫度的降低，部分氣體開始液化，剩余氣體的壓力隨著降低，而壓力的降低勢必造成結緣強度的減弱。如當－50℃時，相對應的飽和蒸汽壓力Pbh為0.33MPa（表計壓力）。如該設備常溫（20℃）下最低工作絕對壓力為0.6MPa，則根據W·莫爾施和W·豪席爾德的研究成果，此時設備絕緣強度與原設計絕緣強度比為

也就是說此時的絕緣強度僅為設計強度的64%。

在運行GIS設備，因其導體載流發熱，會有10～30℃的溫升，即使環境溫度到達－50℃時SF6氣體也不會到達閉鎖壓力。但是處于分閘備用狀態的GIS設備則必須考慮解決因低溫導致SF6氣體液壓的問題。

2 解決方法比較

當前，針對低溫問題的解決方法主要有3個。

（1）使用混合氣體。使用混合氣體如SF6與N2或SF6與CF4以降低其液化溫度［3－4］。但有其缺點，不同的氣體混合，為了達到原有的絕緣效果，需要提高設計壓力，進而更改原有產品設計。而且一旦發生泄漏，因為不能準確分析泄漏氣體的體積比，無法像純SF6氣體在泄漏時可以直接補充氣體，必須將氣室內氣體徹底回收后重新更換，工藝復雜，現場操作困難。

（2）降低額定工作壓力。降低額定工作壓力，使SF6氣體的液化點降低。但是此方法只適用于局部地區，遇到極端情況還是會出現問題，并且產品外形也會增大，使GIS的優勢減小。

（3）采用外部加熱裝置。人為的輸入熱量并增加保溫裝置，與使用混合氣體或降低額定氣壓方法相比，該辦法不需改變產品設計，實用性和經濟性極高。

3 理論計算

使用GIS設備的電站，不論是戶內站還是戶外站，其套管和罐體連接部分必須在戶外，所以該部分設備必須使用加熱裝置，其余如戶外電站，性能及操作受溫度影響的電器設備加熱裝置的設計選用，也有一定的參考意義。一般來說，物體溫度的變化由熱力輻射與對流輻射組成。

3.1 熱力輻射量Qr的計算

式中，A為輻射面面積［m2］；ε為物質發射量；σ為斯特藩－玻耳茲曼常量；Tg為外殼溫度［K］；To為環境溫度［K］。

3.2 對流輻射量Qt的計算

式中，λ為熱力傳導率；D為外殼標準長度［m］；Nu為努謝爾特準則；A為輻射面面積［m2］；Tg為外殼溫度［K］；To為環境溫度［K］。

3.3 努謝爾特準則Nu的計算

在自然對流狀態且為水平時：

式中，Pr為0℃時普朗特數；Gr為格拉曉夫數。

在自然對流狀態且為傾斜時：

在受迫對流狀態下：

式中，Re為雷諾數；當4×104≤Re≤4×105時，c＝0.023 9，m＝0.805［5］。

4 實際案例分析計算

圖2所示戶外出線套管圖為某252kV GIS戶外出線套管部分，設備母線外殼為不銹鋼材質，外表涂油漆，額定最低工作壓力為0.5MPa，則液化溫度為－30℃（243K），環境溫度為－55℃（218K）（設計時比常見最低溫度－50℃再低5℃），周圍風速為3m／s。

圖2 戶外出線套管圖

根據式（1）計算金屬部分熱輻射量為

根據式（1）計算套管部分熱輻射量為

根據式（3）、（4）及熱力學基礎公式計算努謝爾特準則如下：自然對流輻射中努謝爾特準則Nu系數在水平金屬外殼部分、傾斜金屬外殼部分及套管部分分別為127、86、348。受迫對流輻射中努謝爾特準則Nu系數在水平金屬外殼部分、傾斜金屬外殼部分及套管部分分別為215、215、223。

根據式（2）計算對流輻射。

外殼自然對流輻射量：

外殼受迫對流輻射量：

總輻射量等級以下各項累加：

5 結 語

根據計算數值及所選用加熱器的有效功率定制相應的加熱裝置，在環境溫度為－55℃時，GIS內部溫度測量點均不低于－30℃，即SF6氣體不液化。本文方法從理論上較為準確地計算了所需加熱功率，并有效地解決了GIS設備受環境溫度制約的問題，使設備可以更加廣泛地使用于區域電力工程中。需要注意的是：各種加熱器的保溫材質不同導致保溫效果不同，在工程設計時需按加熱器發熱及保溫方式適當計算其加熱效率，以便發揮其良好的加熱效果，保障設備的可靠運行。其他受溫度影響的絕緣及性能的戶外電器產品也可參考此種計算方法。

［1］王 鋼.“十二五”電力建設與高壓開關發展態勢［J］.高壓開關行業通訊，2012（257）：1－2.

［2］黎 斌.SF6高壓電器設計（第三版）［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［3］張高潮，劉寶寶，程鐵漢.混合氣體電氣特性國內外研究綜述［J］.黑龍江科技信息，2012（22）：48－49.

［4］王永光.SF6斷路器運行中氣體低溫液化解決方案［J］.內蒙古電力技術，2009（4）：35－36.

［5］岳丹婷.工程熱力學和傳熱學［M］.大連：大連海事大學出版社，2002.