開關柜局部特征氣體分布特性仿真

沈陽工程學院 張昕冉 袁小華 許傲然

開關柜的正常的運行對配網的穩定供電起到極其重要的作用。開關柜中，空氣主要由電子碰撞、熱效應和光效應分解。本文利用連續性方程，動量守恒方程，能量守恒方程進行了氣體流動特性的數值模擬。并運用ANSYS分析軟件，模擬和分析了開關柜絕緣擊穿過程中的氣體擴散過程。根據模擬結果，當開關柜發生故障放電使空氣分解，開關柜內壓強幾乎處處相同可得知，開關柜內氣體產生的組分將可以擴散至檢測點而被檢測。

開關柜作為配電網中重要的構成部分，其正常運轉對于配網系統的供電穩定性起著至關重要的作用。由文獻可知大部分開關柜故障的主要原因是由局部放電引起的。

由于某些開關柜長期工作在高溫、高壓、濕潤等頑劣的情況下，容易因絕緣老化而導致事故，當開關柜發生事故時，不僅可能導致線路上的其它重要儀器受到損害，更有可能導致大規模停電。總的來說，開關柜的運轉狀態，對配網系統意義重大。

局部放電故障會使開關柜中的絕緣材料及氣體絕緣介質發生分解，并與開關柜內的少量O2發生一系列復雜的化學反應。由于此類故障會導致衍生氣體的產生，若能及時有效的檢測到故障氣體，就能提早發現故障，防范于未然。此外，局部放電類型故障與產生的衍生氣體具有一定的關聯關系，通過檢測衍生物的種類以及分析其含量變化規律，不僅能夠推斷出放電的類型，還能夠對設備的絕緣狀況做出有效評估。

1 特征氣體產生原理

導致開關柜中發生空氣分解主要有：電子碰撞、熱效應以及光效應這三個原因。因放電氣室無照射光源，所以光效應造成的影響幾乎沒有；熱效應的影響也很小，因為絕緣缺陷引起的局部放電幾乎都為低能放電，放電區域的溫度幾乎不變。因此，可以認為電子碰撞是空氣分解的主要原因，即在局部放電產生的陡峭脈沖強電場作用下的電子碰撞，是引發空氣分解的主要原因。

由于電場力，大氣中的氧和氮與帶電粒子激烈碰撞，氧和氮原子分別離子化，在高能電子的作用下，空氣中的二氧化碳分解成一氧化碳。

在放電區內生成的氧、氮原子很快分解到其他區，由于生成的單個氧原子化學活性很高，會繼續與氧氣發生反應，產生臭氧，同時氮原子被氧化性強的氧氣和臭氧氧化生成一氧化氮，但是，一氧化氮非常不穩定，通過氧和臭氧容易氧化以產生二氧化氮。由于其不穩定的化學性質，氧化氮和臭氧結合在一起。

氣室內的絕緣材料在電子的作用下激發出碳原子，與氧原子結合生成一氧化碳和二氧化碳，此外，二氧化氮很容易與空氣中的水分發生反應，生成硝酸。

根據上述反應，局部放電下空氣分解的主要氣體組分有臭氧，一氧化碳，二氧化碳，一氧化氮，二氧化氮等。空氣含有300～400μL / L的二氧化碳，所以不將二氧化碳作為檢測對象。盡管一氧化氮在空氣中并不穩定，但是它的體積與放電特性有著一定的關系，所以對它進行檢測是很重要的。因此通過檢測空氣分解組分中的一氧化碳、二氧化氮、等特征氣體來研究空氣局部放電特性。

2 仿真模型的建立

開關柜氣室之間只有微弱的氣體流動，因此在分析空氣開關柜的氣體流動性時可以分開研究。其中真空斷路器室、儀表室以及預留隔室與外界密閉，也很少發生故障，空氣流動性很小，故不進行分析。其中最易發生故障的就是高壓室和母線橋式，且預留有與外界的通風孔，故本仿真基于開關柜的真實尺寸，建造模型，選擇母線橋室為實驗氣室，對其空氣放電組分分布情況仿真分析。

2.1 氣體組分及物性確定

模型中各氣體組分密度按理想氣體原則計算。得到模型中混合氣體的物性參數如表1所示：

表1 組分氣體參數

2.2 邊界及初始條件

2.2.1 邊界條件

（1）入口邊界條件

高壓室與外界有兩個通風孔，母線橋室與外界有四個通風孔。所以室內與室外幾乎具有相同的大氣壓，室內與室外在進行氣體交換時，肯定是部分通風孔氣體向外流動、部分通風孔氣體向內流動。對于高壓室只存在一個通風孔氣體向內流動，另一個向外流動情況，故分為內側通風孔氣體向內流動和外側通風孔向內流動兩種情況。母線橋室由于有四個通風孔，情況復雜，但通常情況下，氣體肯定是從一側流進母線橋室，另一側流出，所以分析的情況與高壓室相同，只是有同側兩個通風孔同時流進和同時流出。雖然特征氣體本身的滲透速率很小，但是在于外界進行氣體交換時，會加速氣體的滲透，并且滲透率與室內各處的速率正相關，設定通風孔入口風速為5m/s。

（2）出口邊界條件

高壓室和母線橋室內氣體向外擴散時，外部環境為空氣，出口與外界大氣相連，通風狀態為自然通風，氣壓與外界大氣壓一致，因此可將出口設置為壓力出口條件，為標準大氣壓1.01×105Pa。

（3）初始條件

初始條件為二氧化氮與空氣的混合體，溫度為291K，氣壓為標準大氣壓1.01×105Pa，速度入口為5m/s。

2.2.2 求解計算

（1）剖分

首先選擇所建立模型的所有邊，設置剖分的尺寸為0.02m，如圖1所示。

圖1 母線橋室邊剖分

執行剖分的u局部放電ate命令對模型進行剖分，結果如圖2所示。

圖2 母線橋室體剖分

（2）設置

剖分完成后對模型根據前面所求條件進行設定。設定包括求解環境的設定以及入口和出口條件的設定。入口條件為5m/s的速率，出口為標準大氣壓1.01×105壓力出口條件，模型整體為對稱邊界條件。

2.3 仿真分析

根據前面建立的模型，仿真分析可以得出空氣開關柜的母線橋室內氣體流速分布云圖、流速矢量云圖、壓強分布云圖及壓強矢量云圖。

當母線橋室的外側為氣體流入口時，室內氣體流速分布云圖、壓強分布云圖，分別如圖3、圖4所示。

圖4 壓強分布云圖

圖4 壓強分布云圖

由仿真建模結果可比較分析當母線橋室的外側為氣體流入口時，可見母線橋室下部除夾角位置，均為深藍色，母線橋室內流速幾乎處處相同，但母線橋室氣體流出口處為橙紅色，橙紅色為流速最快的顏色，故可知氣體流出口處流速最大。

由仿真建模結果可比較分析當母線橋室的外側為氣體流入口時，可見母線橋室內部幾乎處處為土黃色，只有氣體流出口為深藍色，因為流速越快，壓強越小，深藍色代表著壓強最小值，可得知，當母線橋室的外側為氣體流入口時，母線橋室內除氣體流出口外，壓強幾乎處處相同。

3 結論與展望

傳統的試驗方法一般都在實驗室中進行典型絕緣缺陷下空氣放電的實驗，并剖釋空氣的分解情況。但是由于實驗狀態與真實狀態有很大的區別，真實的開關柜大多數為半開放開關柜，與空氣存在一些氣體交換，這樣會使使氣體擴散不到檢測點。但本文仿真結果可知，當開關柜發生局部故障時，開關柜產生的氣體組分只會微弱的與大氣存在的氣體交換，由于開關柜內組分氣體流速分布幾乎相同，開關柜內壓強幾乎處處相同可得知，開關柜內氣體產生的組分將可以擴散至檢測點而被檢測。

希望此次的研究，可以獲得開關柜檢測人員的關注，并從中可獲得借鑒，以便能增強開關柜氣體組分檢測的精確性，進而能精確區分開關柜設備運行中出現的故障類型，及時掌握設備的絕緣狀況，對故障的提早發現以及設備合理維護均具有重要的意義。