李安桂，黎宇偉，張 瑩，王龍濤

(西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)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(qiáng)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(yīng)用于各種供配電設(shè)備中作為絕緣材料使用[1-2].但是其可能會(huì)因?yàn)樵O(shè)備的老化以及操作不當(dāng)?shù)仍蚨l(fā)生泄漏，一旦該氣體泄漏或逸散到環(huán)境中，便會(huì)在負(fù)浮力的作用下往空間下部運(yùn)動(dòng)沉積[3]，大大增加工作區(qū)的有害氣體濃度，如果不及時(shí)處理，則會(huì)對(duì)車間內(nèi)設(shè)備的安全運(yùn)行甚至是工作人員的健康造成嚴(yán)重的侵害[4]，六氟化硫?yàn)楦呙芏葰怏w，屬于重氣的一種，對(duì)于該類氣體的擴(kuò)散，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定的研究， Mauricio Chavez等[5]利用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)六氟化硫在建筑群中的擴(kuò)散進(jìn)行了研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)周圍環(huán)境對(duì)重氣污染物羽流的運(yùn)動(dòng)有較大的影響；J.M.Santos等[6]通過現(xiàn)場試驗(yàn)的方法分析了房間窗戶開閉狀態(tài)和通風(fēng)方式對(duì)室外重氣污染物進(jìn)入室內(nèi)的影響程度，結(jié)果表明開窗和機(jī)械通風(fēng)會(huì)明顯的增加室外污染物進(jìn)入室內(nèi)的速度；王志榮等[7]通過數(shù)值模擬研究了受限空間中二氧化碳的擴(kuò)散規(guī)律，得到了泄漏量、室內(nèi)風(fēng)速和障礙物等對(duì)該類氣體擴(kuò)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(kuò)散的可行性；刑冀[9]等通過縮尺試驗(yàn)分析了二氧化碳的井噴現(xiàn)象，并將試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬可較好的還原重氣擴(kuò)散現(xiàn)象.

雖然上訴學(xué)者對(duì)重氣的擴(kuò)散進(jìn)行了一定的研究，但是對(duì)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(kuò)散行為，目前的研究則相對(duì)較少[10-12]，而在這些受限空間中，六氟化硫等重氣污染物擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的影響因素較多，作用機(jī)制尚不明確，工作區(qū)污染物濃度及分布規(guī)律無從判斷，基于該目的，本課題參考了魯?shù)乩娬局髯兪医Y(jié)構(gòu)搭建了試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)非封閉狀態(tài)下受限空間中的六氟化硫在不同泄漏量、不同泄漏位置時(shí)其內(nèi)濃度的變化及擴(kuò)散特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測試

1.1 試驗(yàn)臺(tái)介紹

如圖1，本試驗(yàn)臺(tái)長度為1.1 m，寬度為1 m，高為1.23 m，在試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)部中心設(shè)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(chǔ)存容器)，模型兩側(cè)設(shè)有四個(gè)自然通風(fēng)風(fēng)口，其中下風(fēng)口寬0.1 m，高0.08 m，風(fēng)口下邊緣距地0.02 m，上風(fēng)口寬0.08 m，高0.05m，風(fēng)口下邊緣距地0.4 m，所有風(fēng)口垂直中心線距相鄰墻水平距離0.15 m遠(yuǎn).在試驗(yàn)臺(tái)墻面四周預(yù)留有42個(gè)圓形小孔，用來作為氣體檢測儀探頭的入口，體源上設(shè)置有四個(gè)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(yuǎn)，位置為(0.55,0.4,0.5)，c泄漏口和d泄漏口位于體源的側(cè)面，位置分別為(0.55,0.3,0.45)和(0.55,0.3,0.25).

圖1 試驗(yàn)臺(tái)構(gòu)造Fig.1 Test-bed structure

1.2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皽y點(diǎn)分布

圖2為試驗(yàn)臺(tái)測點(diǎn)分布圖，為充分對(duì)整個(gè)模型中氣體變化情況進(jìn)行監(jiān)控，考慮到試驗(yàn)臺(tái)的左右對(duì)稱性，在其內(nèi)設(shè)有A～G共七縱排測點(diǎn)，其中A、B、C三排測點(diǎn)位于Y=0.15m處，D排測點(diǎn)位于Y=0.5 m處，E、F、G三排測點(diǎn)位于Y=0.85 m處，字母下角標(biāo)阿拉伯?dāng)?shù)字1～6代表測點(diǎn)的高度，A1～G1代表Z=0.055 m高度處的一系列測點(diǎn)，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(diǎn)分布圖Fig.2 Schematic diagram of transversal surfaces measuring points

測點(diǎn)，以此類推，縱向六排測點(diǎn)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(shè)置

本次試驗(yàn)共設(shè)置六個(gè)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(diǎn)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(diǎn)高度對(duì)受限空間中六氟化硫濃度分布的對(duì)比工況，考慮到泄漏時(shí)間過長會(huì)造成試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)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(shí)間統(tǒng)一選擇為10 min.

表1 工況表

2 結(jié)果分析

2.1 不同泄漏量對(duì)主變室六氟化硫擴(kuò)散的影響

本次實(shí)驗(yàn)在主變室中布置了多個(gè)測點(diǎn)，對(duì)比同一高度7個(gè)測點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)它們上升的速率及能夠達(dá)到的濃度雖然不同，但是相差不大，因此，同一高度的一個(gè)測點(diǎn)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(gè)測點(diǎn)進(jìn)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(diǎn)A1、A3、A5濃度隨時(shí)間變情況.

從圖3(a)中可以看出，對(duì)比25 ml/min泄漏工況和15 ml/min泄漏工況，在A1測點(diǎn)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(jìn)行，但是15 ml/min泄漏工況時(shí)該測點(diǎn)濃度并不會(huì)繼續(xù)增大或者只是極其緩慢的增加，同時(shí)，25 ml/min泄漏工況到大約450 s時(shí)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(duì)于非封閉狀態(tài)下主變室中SF6的自然擴(kuò)散，其濃度隨時(shí)間的變化可分為快速上升階段和緩慢上升階段兩個(gè)過程，這和Siddiqui等[5]所研究的工業(yè)廠房中氯氣的泄漏擴(kuò)散過程類似，在快速上升階段，SF6濃度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)急劇的上升到一定濃度，之后增速逐漸放緩，進(jìn)入緩慢上升階段，而且，通過對(duì)不同泄漏量工況的對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，泄漏量越大，到達(dá)緩慢上升階段所需要的時(shí)間則越長.

圖3(b)為模型中Z=0.25 m高度處的濃度隨時(shí)間變化關(guān)系，在該高度處，其濃度隨時(shí)間的變化同樣符合快速增長階段和緩慢上升階段兩個(gè)過程，而且對(duì)比圖(a)，(b)可發(fā)現(xiàn)，在泄漏發(fā)生600 s后，從點(diǎn)A1高度處到點(diǎn)A3高度處，25 ml/min泄漏量時(shí)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(huì)導(dǎo)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(yīng)越明顯[14]，主變室地面的高濃度區(qū)域也就越厚.

圖3(c)為模型中Z=0.6 m高度處的濃度隨時(shí)間變化情況，由圖可知，在該高度層，10 ml/min泄漏量工況時(shí)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?yàn)镾F6高密度氣體在泄漏后會(huì)因?yàn)樨?fù)浮力的作用而堆積沉降，不易擴(kuò)散到高處[13]，因而導(dǎo)致主變室高層區(qū)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(kuò)散到主變室高層的六氟化硫也越少[15].

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

圖4為不同工況時(shí)不同高度六氟化硫最大濃度分布圖，從中可知，當(dāng)泄漏量為25 ml/min時(shí)，Z=0～0.25 m區(qū)域都是高濃度區(qū)域，而0.25 m以上區(qū)域濃度相對(duì)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(fā)生衰減，這和之前分析點(diǎn)濃度時(shí)的結(jié)論一致，即泄漏量越大，整個(gè)主變室底層濃度越高，六氟化硫堆積沉降現(xiàn)象越明顯，濃度分層也越明顯，對(duì)工作區(qū)人員的危害越大.在圖4(a)中，底層濃度沿A～G測點(diǎn)方向濃度明顯的發(fā)生了橫向衰減，而在其他層則各測點(diǎn)濃度相近，圖4(b)和4(c)中，底層濃度同樣發(fā)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(kuò)散狀態(tài)，下部排風(fēng)口的存在會(huì)對(duì)該側(cè)的SF6具有一定的排出效果，但是對(duì)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(cè)濃度差越明顯.

圖4 不同工況時(shí)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(duì)主變室六氟化硫擴(kuò)散的影響

圖5為b泄漏點(diǎn)時(shí)主變室中A、D、G三縱排測點(diǎn)六氟化硫濃度變化情況，因?yàn)樾孤c(diǎn)靠近A排測點(diǎn)，所以點(diǎn)A1濃度比其他測點(diǎn)濃度要高，最大濃度達(dá)到225 ppm，為相同高度G1測點(diǎn)濃度的4倍，可見，雖然泄漏點(diǎn)只偏移了一個(gè)單位，但是使得相同高度的不同點(diǎn)最大濃度相差達(dá)到了數(shù)倍，因此，當(dāng)泄漏位置為主變室的上端面時(shí)，泄漏點(diǎn)越靠近主變室的邊緣，其導(dǎo)致的主變室局部濃度越大[16]，因此對(duì)工作區(qū)人員的威脅也越大.

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

圖6為b泄漏點(diǎn)時(shí)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(diǎn)A1處為高濃度點(diǎn)，B1、C1、D1三排測點(diǎn)處為次高濃度區(qū)域，而E1、F1、G1三排測點(diǎn)處為低濃度區(qū)域，因此，分析可知，當(dāng)泄漏點(diǎn)為點(diǎn)b時(shí)，會(huì)造成主變室底部的六氟化硫濃度分布不均，靠近泄漏點(diǎn)的一側(cè)為高濃度區(qū)域，而遠(yuǎn)離泄漏點(diǎn)一側(cè)為低濃度區(qū)域，此外，在Z=0.055 m高度以上區(qū)域，同樣會(huì)有這一現(xiàn)象的存在，但是濃度差遠(yuǎn)小于主變室底部.

圖6 工況4時(shí)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(diǎn)時(shí)模型內(nèi)部分測點(diǎn)濃度變化情況，該工況為體源上的側(cè)泄漏工況，由圖可知，當(dāng)受限空間內(nèi)發(fā)生測泄漏時(shí)，其內(nèi)濃度分布規(guī)律為：底層濃度高，擴(kuò)散高度低，在Z=0.055 m高度處，其濃度變化會(huì)一直處于快速上升階段，短時(shí)間內(nèi)便可達(dá)到危險(xiǎn)濃度點(diǎn)，對(duì)近地面處工作人員造成巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)[17]，同時(shí)，對(duì)比各個(gè)測點(diǎn)處六氟化硫重氣到達(dá)的時(shí)間可知，雖然這些測點(diǎn)距泄漏點(diǎn)距離不相同，但是重氣云團(tuán)到達(dá)這些測點(diǎn)的時(shí)間卻接近，這是因?yàn)楫?dāng)體源上發(fā)生測泄漏時(shí)，落到地面的六氟化硫重氣云團(tuán)會(huì)快速的向低濃度區(qū)域運(yùn)動(dòng)，在極短的時(shí)間內(nèi)便可在受限空間底層各區(qū)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(yuǎn)比在其他位置上發(fā)生泄漏的危害要大，同時(shí)，A2～G2所處的0.15 m高層處，六氟化硫濃度相對(duì)要低很多，同時(shí)增速也相對(duì)較平緩，大部分時(shí)間都處于低濃度區(qū)域.

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

圖8為泄漏點(diǎn)為點(diǎn)c時(shí)各高度層最大濃度分布也即泄漏后600 s時(shí)的濃度分布情況，從圖中可以更直觀的看出，當(dāng)發(fā)生側(cè)泄漏時(shí)，整個(gè)空間各區(qū)域的濃度分布都符合底層濃度高，擴(kuò)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(diǎn)沿線，六氟化硫濃度同樣發(fā)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(jié)論是相一致的，即空間內(nèi)六氟化硫濃度越高，下部風(fēng)口排出重氣污染物的效果越明顯，但下部風(fēng)口對(duì)空間中較高層區(qū)域六氟化硫濃度的影響相對(duì)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(duì)主變室六氟化硫擴(kuò)散的影響

圖9為不同泄漏高度時(shí)點(diǎn)A1、A2濃度隨時(shí)間的變化情況，從圖中可以看出，當(dāng)泄漏高度為Z=0.25m時(shí)，SF6重氣云團(tuán)到達(dá)A1和A2測點(diǎn)的時(shí)間都要早于泄漏高度為Z=0.45m的工況，且兩個(gè)測點(diǎn)的濃度明顯都要高于泄漏高度為Z=0.45m時(shí)的濃度，這說明，隨著泄漏高度的增加，泄漏點(diǎn)以下的區(qū)域濃度將減小，這是因?yàn)镾F6重氣泄漏后會(huì)迅速的在地面沉降堆積，泄漏源越高，則重氣云團(tuán)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(dǎo)致泄漏點(diǎn)以下空間的濃度相對(duì)較低[12]，因此，不僅側(cè)泄漏時(shí)對(duì)主變室人員活動(dòng)區(qū)域的危害大，當(dāng)發(fā)生低位置的側(cè)泄漏時(shí)對(duì)人員的潛在危害更大.

圖9 工況4和工況5時(shí)SF6濃度隨時(shí)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(shí)主變室中各測點(diǎn)的最大濃度分布圖，從該圖中可以看出，當(dāng)泄漏點(diǎn)位于點(diǎn)c，即泄漏高度位于Z=0.25時(shí)，主變室中大部分測點(diǎn)的濃度都要比泄漏高度位于Z=0.45時(shí)的高，符合之前的分析結(jié)果，但是在點(diǎn)F1和點(diǎn)G1兩排底層測點(diǎn)，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(fēng)口排出SF6效果越明顯的特性有關(guān).

圖10 工況4和工況5時(shí)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(jié)論

通過對(duì)主變室非封閉狀態(tài)下不同六氟化硫泄漏量，不同泄漏位置時(shí)主變室中SF6氣體的自然擴(kuò)散及分布規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)論可歸納為以下幾點(diǎn)：(1)對(duì)于非封閉狀態(tài)下主變室中SF6的自然擴(kuò)散過程，當(dāng)泄漏位置位于變壓器上部面時(shí)，其濃度隨時(shí)間的變化可分為快速上升階段和緩慢上升階段兩個(gè)過程，在快速上升階段，SF6濃度會(huì)在短時(shí)間內(nèi)急劇的上升到一定濃度，之后增速逐漸放緩，進(jìn)入緩慢上升階段，而且，泄漏量越大，到達(dá)穩(wěn)定階段所需要的時(shí)間則越長.

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

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

(4)當(dāng)泄漏點(diǎn)位于變壓器上部面，但是偏離變壓器中心時(shí)，會(huì)造成主變室底部的六氟化硫濃度分布不均，靠近泄漏點(diǎn)一側(cè)為高濃度區(qū)域，而遠(yuǎn)離泄漏點(diǎn)一側(cè)為低濃度區(qū)域

(5)當(dāng)主變室發(fā)生變壓器上的側(cè)泄漏時(shí)，其底層濃度會(huì)急劇的上升，短時(shí)間便可成為高濃度區(qū)域，對(duì)人員等造成巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)，其濃度分布最大特點(diǎn)為底層SF6濃度高，擴(kuò)散高度低.

(6)側(cè)泄漏時(shí)，隨著泄漏高度的增加，泄漏點(diǎn)以下的SF6濃度都將相應(yīng)的變小.