基于魯地拉水電站主變室的SF6泄漏特性研究

李安桂，黎宇偉，張 瑩，王龍濤

(西安建筑科技大學 環境與市政工程學院，陜西 西安 710055)

六氟化硫(SF6)是惰性氣體的一種，具有較高的電氣絕緣強度，常溫下其絕緣能力約為空氣的2.5倍，滅弧能力約為空氣的100倍，因而被廣泛的應用于各種供配電設備中作為絕緣材料使用[1-2].但是其可能會因為設備的老化以及操作不當等原因而發生泄漏，一旦該氣體泄漏或逸散到環境中，便會在負浮力的作用下往空間下部運動沉積[3]，大大增加工作區的有害氣體濃度，如果不及時處理，則會對車間內設備的安全運行甚至是工作人員的健康造成嚴重的侵害[4]，六氟化硫為高密度氣體，屬于重氣的一種，對于該類氣體的擴散，國內外學者進行了一定的研究， Mauricio Chavez等[5]利用風洞試驗對六氟化硫在建筑群中的擴散進行了研究，結果發現周圍環境對重氣污染物羽流的運動有較大的影響；J.M.Santos等[6]通過現場試驗的方法分析了房間窗戶開閉狀態和通風方式對室外重氣污染物進入室內的影響程度，結果表明開窗和機械通風會明顯的增加室外污染物進入室內的速度；王志榮等[7]通過數值模擬研究了受限空間中二氧化碳的擴散規律，得到了泄漏量、室內風速和障礙物等對該類氣體擴散的影響；秦頌等[8]通過可視化研究，分析了在清水中注入鹽水以模擬重氣泄漏擴散的可行性；刑冀[9]等通過縮尺試驗分析了二氧化碳的井噴現象，并將試驗結果和數值模擬數據進行對比，發現數值模擬可較好的還原重氣擴散現象.

雖然上訴學者對重氣的擴散進行了一定的研究，但是對于水電站主變室等地下受限空間中的六氟化硫重氣泄漏擴散行為，目前的研究則相對較少[10-12]，而在這些受限空間中，六氟化硫等重氣污染物擴散運動的影響因素較多，作用機制尚不明確，工作區污染物濃度及分布規律無從判斷，基于該目的，本課題參考了魯地拉水電站主變室結構搭建了試驗臺，對非封閉狀態下受限空間中的六氟化硫在不同泄漏量、不同泄漏位置時其內濃度的變化及擴散特性進行了試驗研究.

1 試驗設計與測試

1.1 試驗臺介紹

如圖1，本試驗臺長度為1.1 m，寬度為1 m，高為1.23 m，在試驗臺內部中心設置有長為0.5 m，寬為0.4 m，高為0.5 m的體源(六氟化硫儲存容器)，模型兩側設有四個自然通風風口，其中下風口寬0.1 m，高0.08 m，風口下邊緣距地0.02 m，上風口寬0.08 m，高0.05m，風口下邊緣距地0.4 m，所有風口垂直中心線距相鄰墻水平距離0.15 m遠.在試驗臺墻面四周預留有42個圓形小孔，用來作為氣體檢測儀探頭的入口，體源上設置有四個泄漏口，其中a泄漏口位于體源上表面中心，位置為(0.55,0.5,0.5)，b泄漏口距a和c泄漏口水平距離0.1 m遠，位置為(0.55,0.4,0.5)，c泄漏口和d泄漏口位于體源的側面，位置分別為(0.55,0.3,0.45)和(0.55,0.3,0.25).

圖1 試驗臺構造Fig.1 Test-bed structure

1.2 實驗模型及測點分布

圖2為試驗臺測點分布圖，為充分對整個模型中氣體變化情況進行監控，考慮到試驗臺的左右對稱性，在其內設有A～G共七縱排測點，其中A、B、C三排測點位于Y=0.15m處，D排測點位于Y=0.5 m處，E、F、G三排測點位于Y=0.85 m處，字母下角標阿拉伯數字1～6代表測點的高度，A1～G1代表Z=0.055 m高度處的一系列測點，A2～G2代表Z=0.15 m高度處的一系列

圖2 主變室各斷面測點分布圖Fig.2 Schematic diagram of transversal surfaces measuring points

測點，以此類推，縱向六排測點高度分別為：0.055 m、0.15 m、0.25 m、0.4 m、0.6 m和0.9 m.

1.3 工況設置

本次試驗共設置六個工況如表1，其中工況1～3為不同泄漏量工況，泄漏位置為體源上部面的中心，即點a位置，工況3～6為不同泄漏位置工況，泄漏位置分別為a、b、c、d，工況5和工況6為不同六氟化硫泄漏點高度對受限空間中六氟化硫濃度分布的對比工況，考慮到泄漏時間過長會造成試驗臺內六氟化硫濃度過高，超出測試儀器量程，因此本次測試泄漏時間統一選擇為10 min.

表1 工況表

2 結果分析

2.1 不同泄漏量對主變室六氟化硫擴散的影響

本次實驗在主變室中布置了多個測點，對比同一高度7個測點，發現它們上升的速率及能夠達到的濃度雖然不同，但是相差不大，因此，同一高度的一個測點幾乎可以反映出該高度的六氟化硫濃度變化特性，為此，本文選取了縱向不同高度的三個測點進行了分析，如圖3為模型中高度分別為0.055 m、0.15 m和0.25 m高度處的測點A1、A3、A5濃度隨時間變情況.

從圖3(a)中可以看出，對比25 ml/min泄漏工況和15 ml/min泄漏工況，在A1測點處，其六氟化硫濃度在初始250 s前都開始急劇的上升，但是到250 s之后，濃度差距開始拉大，雖然泄漏還在進行，但是15 ml/min泄漏工況時該測點濃度并不會繼續增大或者只是極其緩慢的增加，同時，25 ml/min泄漏工況到大約450 s時才開始增速減緩，而10 ml/min泄漏工況則是一直處于極其緩慢的增加過程，這說明，對于非封閉狀態下主變室中SF6的自然擴散，其濃度隨時間的變化可分為快速上升階段和緩慢上升階段兩個過程，這和Siddiqui等[5]所研究的工業廠房中氯氣的泄漏擴散過程類似，在快速上升階段，SF6濃度會在短時間內急劇的上升到一定濃度，之后增速逐漸放緩，進入緩慢上升階段，而且，通過對不同泄漏量工況的對比可發現，泄漏量越大，到達緩慢上升階段所需要的時間則越長.

圖3(b)為模型中Z=0.25 m高度處的濃度隨時間變化關系，在該高度處，其濃度隨時間的變化同樣符合快速增長階段和緩慢上升階段兩個過程，而且對比圖(a)，(b)可發現，在泄漏發生600 s后，從點A1高度處到點A3高度處，25 ml/min泄漏量時濃度從約430 ppm減小為370 ppm，衰減度為14%，15 ml/min工況衰減度為44%，而10 ml/min工況的衰減度也為44%，這說明，泄漏量越大，不僅會導致地面的SF6濃度越高，而且濃度分層特性也不一樣，泄漏量越大，六氟化硫氣體在主變室底部的沉降堆積效應越明顯[14]，主變室地面的高濃度區域也就越厚.

圖3(c)為模型中Z=0.6 m高度處的濃度隨時間變化情況，由圖可知，在該高度層，10 ml/min泄漏量工況時的六氟化硫濃度為0 ppm，而其他泄漏量工況的濃度也偏低，這是因為SF6高密度氣體在泄漏后會因為負浮力的作用而堆積沉降，不易擴散到高處[13]，因而導致主變室高層區域六氟化硫濃度偏低，且泄漏量越小，底層的六氟化硫堆積量越小，因此所能擴散到主變室高層的六氟化硫也越少[15].

圖3 不同泄露量時SF6濃度隨時間變化圖Fig.3 Variation of SF6 concentration with time at the different leakage

圖4為不同工況時不同高度六氟化硫最大濃度分布圖，從中可知，當泄漏量為25 ml/min時，Z=0～0.25 m區域都是高濃度區域，而0.25 m以上區域濃度相對較低，其他兩組低泄漏量工況，則是隨著高度的變化，逐漸的發生衰減，這和之前分析點濃度時的結論一致，即泄漏量越大，整個主變室底層濃度越高，六氟化硫堆積沉降現象越明顯，濃度分層也越明顯，對工作區人員的危害越大.在圖4(a)中，底層濃度沿A～G測點方向濃度明顯的發生了橫向衰減，而在其他層則各測點濃度相近，圖4(b)和4(c)中，底層濃度同樣發生了一定程度的衰減，但是中高層卻沒有衰減，這說明，主變室的六氟化硫在自然擴散狀態，下部排風口的存在會對該側的SF6具有一定的排出效果，但是對高層的SF6濃度，則幾乎沒有影響[13]，而且泄漏量越大，排出六氟化硫的量也越大，主變室不同側濃度差越明顯.

圖4 不同工況時不同高度最大濃度分布圖Fig.4 SF6 maximum concentration at differentheights under different condition

2.2 不同泄漏位置對主變室六氟化硫擴散的影響

圖5為b泄漏點時主變室中A、D、G三縱排測點六氟化硫濃度變化情況，因為泄漏點靠近A排測點，所以點A1濃度比其他測點濃度要高，最大濃度達到225 ppm，為相同高度G1測點濃度的4倍，可見，雖然泄漏點只偏移了一個單位，但是使得相同高度的不同點最大濃度相差達到了數倍，因此，當泄漏位置為主變室的上端面時，泄漏點越靠近主變室的邊緣，其導致的主變室局部濃度越大[16]，因此對工作區人員的威脅也越大.

圖5 工況4時SF6濃度隨時間變化圖Fig.5 variation of SF6 concentration with timeunder working condition 4

圖6為b泄漏點時不同高度的六氟化硫最大濃度分布圖，從該圖中可以直觀的看出，在該工況下，Z=0.055 m高度處，測點A1處為高濃度點，B1、C1、D1三排測點處為次高濃度區域，而E1、F1、G1三排測點處為低濃度區域，因此，分析可知，當泄漏點為點b時，會造成主變室底部的六氟化硫濃度分布不均，靠近泄漏點的一側為高濃度區域，而遠離泄漏點一側為低濃度區域，此外，在Z=0.055 m高度以上區域，同樣會有這一現象的存在，但是濃度差遠小于主變室底部.

圖6 工況4時不同高度最大濃度分布圖Fig.6 SF6 maximum concentration at differentheights under working condition 4

圖7為c泄漏點時模型內部分測點濃度變化情況，該工況為體源上的側泄漏工況，由圖可知，當受限空間內發生測泄漏時，其內濃度分布規律為：底層濃度高，擴散高度低，在Z=0.055 m高度處，其濃度變化會一直處于快速上升階段，短時間內便可達到危險濃度點，對近地面處工作人員造成巨大的安全風險[17]，同時，對比各個測點處六氟化硫重氣到達的時間可知，雖然這些測點距泄漏點距離不相同，但是重氣云團到達這些測點的時間卻接近，這是因為當體源上發生測泄漏時，落到地面的六氟化硫重氣云團會快速的向低濃度區域運動，在極短的時間內便可在受限空間底層各區域聚集大量的六氟化硫氣體[18]，從這一層面而言，也可說明受限空間中體源上的測泄漏所造成的危害要遠比在其他位置上發生泄漏的危害要大，同時，A2～G2所處的0.15 m高層處，六氟化硫濃度相對要低很多，同時增速也相對較平緩，大部分時間都處于低濃度區域.

圖7 工況5時SF6濃度隨時間變化圖Fig.7 variation of SF6 concentration with timeunder working condition 4

圖8為泄漏點為點c時各高度層最大濃度分布也即泄漏后600 s時的濃度分布情況，從圖中可以更直觀的看出，當發生側泄漏時，整個空間各區域的濃度分布都符合底層濃度高，擴散高度低這一特性.從圖中同樣可以看出，在0.055 m高度處，從A1到G1測點沿線，六氟化硫濃度同樣發生了明顯的衰減，而高度為0.15 m的A2～G2沿線濃度卻相差不大，這和前面分析的結論是相一致的，即空間內六氟化硫濃度越高，下部風口排出重氣污染物的效果越明顯，但下部風口對空間中較高層區域六氟化硫濃度的影響相對較小.

圖8 工況5不同高度最大濃度分布圖Fig.8 SF6 maximum concentration at differentheights under working condition 5

2.3 不同泄漏高度對主變室六氟化硫擴散的影響

圖9為不同泄漏高度時點A1、A2濃度隨時間的變化情況，從圖中可以看出，當泄漏高度為Z=0.25m時，SF6重氣云團到達A1和A2測點的時間都要早于泄漏高度為Z=0.45m的工況，且兩個測點的濃度明顯都要高于泄漏高度為Z=0.45m時的濃度，這說明，隨著泄漏高度的增加，泄漏點以下的區域濃度將減小，這是因為SF6重氣泄漏后會迅速的在地面沉降堆積，泄漏源越高，則重氣云團撞擊地面的速度越大，因而逸散到空氣中的六氟化硫也越多，導致泄漏點以下空間的濃度相對較低[12]，因此，不僅側泄漏時對主變室人員活動區域的危害大，當發生低位置的側泄漏時對人員的潛在危害更大.

圖9 工況4和工況5時SF6濃度隨時間變化圖Fig.9 Variation of SF6 concentration withtime under working condition 4 and 5

圖10為不同泄漏高度時主變室中各測點的最大濃度分布圖，從該圖中可以看出，當泄漏點位于點c，即泄漏高度位于Z=0.25時，主變室中大部分測點的濃度都要比泄漏高度位于Z=0.45時的高，符合之前的分析結果，但是在點F1和點G1兩排底層測點，則是泄漏高度越低，濃度越低，這可能和之前分析的主變室中底層濃度越高，下部排風口排出SF6效果越明顯的特性有關.

圖10 工況4和工況5時不同高度SF6最大濃度分布圖Fig.10 SF6 maximum concentration at differentheights under working condition 5

3 結論

通過對主變室非封閉狀態下不同六氟化硫泄漏量，不同泄漏位置時主變室中SF6氣體的自然擴散及分布規律進行了研究，結論可歸納為以下幾點：(1)對于非封閉狀態下主變室中SF6的自然擴散過程，當泄漏位置位于變壓器上部面時，其濃度隨時間的變化可分為快速上升階段和緩慢上升階段兩個過程，在快速上升階段，SF6濃度會在短時間內急劇的上升到一定濃度，之后增速逐漸放緩，進入緩慢上升階段，而且，泄漏量越大，到達穩定階段所需要的時間則越長.

(2)泄漏量越大，主變室地面的高濃度區域也就越厚，濃度分層也越明顯，對工作區人員的危害越大

(3)下部排風口的存在會對該測的SF6具有一定的排出效果，但是對高層的SF6濃度，則幾乎沒有影響.而且泄漏量越大，下部風口排除SF6的作用越明顯.

(4)當泄漏點位于變壓器上部面，但是偏離變壓器中心時，會造成主變室底部的六氟化硫濃度分布不均，靠近泄漏點一側為高濃度區域，而遠離泄漏點一側為低濃度區域

(5)當主變室發生變壓器上的側泄漏時，其底層濃度會急劇的上升，短時間便可成為高濃度區域，對人員等造成巨大的安全風險，其濃度分布最大特點為底層SF6濃度高，擴散高度低.

(6)側泄漏時，隨著泄漏高度的增加，泄漏點以下的SF6濃度都將相應的變小.