沈陽工程學(xué)院 張昕冉 袁小華 許傲然

開關(guān)柜的正常的運(yùn)行對(duì)配網(wǎng)的穩(wěn)定供電起到極其重要的作用。開關(guān)柜中，空氣主要由電子碰撞、熱效應(yīng)和光效應(yīng)分解。本文利用連續(xù)性方程，動(dòng)量守恒方程，能量守恒方程進(jìn)行了氣體流動(dòng)特性的數(shù)值模擬。并運(yùn)用ANSYS分析軟件，模擬和分析了開關(guān)柜絕緣擊穿過程中的氣體擴(kuò)散過程。根據(jù)模擬結(jié)果，當(dāng)開關(guān)柜發(fā)生故障放電使空氣分解，開關(guān)柜內(nèi)壓強(qiáng)幾乎處處相同可得知，開關(guān)柜內(nèi)氣體產(chǎn)生的組分將可以擴(kuò)散至檢測點(diǎn)而被檢測。

開關(guān)柜作為配電網(wǎng)中重要的構(gòu)成部分，其正常運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)于配網(wǎng)系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性起著至關(guān)重要的作用。由文獻(xiàn)可知大部分開關(guān)柜故障的主要原因是由局部放電引起的。

由于某些開關(guān)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(dǎo)致事故，當(dāng)開關(guān)柜發(fā)生事故時(shí)，不僅可能導(dǎo)致線路上的其它重要儀器受到損害，更有可能導(dǎo)致大規(guī)模停電?？偟膩碚f，開關(guān)柜的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，對(duì)配網(wǎng)系統(tǒng)意義重大。

局部放電故障會(huì)使開關(guān)柜中的絕緣材料及氣體絕緣介質(zhì)發(fā)生分解，并與開關(guān)柜內(nèi)的少量O2發(fā)生一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。由于此類故障會(huì)導(dǎo)致衍生氣體的產(chǎn)生，若能及時(shí)有效的檢測到故障氣體，就能提早發(fā)現(xiàn)故障，防范于未然。此外，局部放電類型故障與產(chǎn)生的衍生氣體具有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系，通過檢測衍生物的種類以及分析其含量變化規(guī)律，不僅能夠推斷出放電的類型，還能夠?qū)υO(shè)備的絕緣狀況做出有效評(píng)估。

1 特征氣體產(chǎn)生原理

導(dǎo)致開關(guān)柜中發(fā)生空氣分解主要有：電子碰撞、熱效應(yīng)以及光效應(yīng)這三個(gè)原因。因放電氣室無照射光源，所以光效應(yīng)造成的影響幾乎沒有；熱效應(yīng)的影響也很小，因?yàn)榻^緣缺陷引起的局部放電幾乎都為低能放電，放電區(qū)域的溫度幾乎不變。因此，可以認(rèn)為電子碰撞是空氣分解的主要原因，即在局部放電產(chǎn)生的陡峭脈沖強(qiáng)電場作用下的電子碰撞，是引發(fā)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(qū)內(nèi)生成的氧、氮原子很快分解到其他區(qū)，由于生成的單個(gè)氧原子化學(xué)活性很高，會(huì)繼續(xù)與氧氣發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生臭氧，同時(shí)氮原子被氧化性強(qiáng)的氧氣和臭氧氧化生成一氧化氮，但是，一氧化氮非常不穩(wěn)定，通過氧和臭氧容易氧化以產(chǎn)生二氧化氮。由于其不穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，氧化氮和臭氧結(jié)合在一起。

氣室內(nèi)的絕緣材料在電子的作用下激發(fā)出碳原子，與氧原子結(jié)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(fā)生反應(yīng)，生成硝酸。

根據(jù)上述反應(yīng)，局部放電下空氣分解的主要?dú)怏w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(duì)象。盡管一氧化氮在空氣中并不穩(wěn)定，但是它的體積與放電特性有著一定的關(guān)系，所以對(duì)它進(jìn)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(guān)柜氣室之間只有微弱的氣體流動(dòng)，因此在分析空氣開關(guān)柜的氣體流動(dòng)性時(shí)可以分開研究。其中真空斷路器室、儀表室以及預(yù)留隔室與外界密閉，也很少發(fā)生故障，空氣流動(dòng)性很小，故不進(jìn)行分析。其中最易發(fā)生故障的就是高壓室和母線橋式，且預(yù)留有與外界的通風(fēng)孔，故本仿真基于開關(guān)柜的真實(shí)尺寸，建造模型，選擇母線橋室為實(shí)驗(yàn)氣室，對(duì)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(jì)算。得到模型中混合氣體的物性參數(shù)如表1所示：

表1 組分氣體參數(shù)

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(gè)通風(fēng)孔，母線橋室與外界有四個(gè)通風(fēng)孔。所以室內(nèi)與室外幾乎具有相同的大氣壓，室內(nèi)與室外在進(jìn)行氣體交換時(shí)，肯定是部分通風(fēng)孔氣體向外流動(dòng)、部分通風(fēng)孔氣體向內(nèi)流動(dòng)。對(duì)于高壓室只存在一個(gè)通風(fēng)孔氣體向內(nèi)流動(dòng)，另一個(gè)向外流動(dòng)情況，故分為內(nèi)側(cè)通風(fēng)孔氣體向內(nèi)流動(dòng)和外側(cè)通風(fēng)孔向內(nèi)流動(dòng)兩種情況。母線橋室由于有四個(gè)通風(fēng)孔，情況復(fù)雜，但通常情況下，氣體肯定是從一側(cè)流進(jìn)母線橋室，另一側(cè)流出，所以分析的情況與高壓室相同，只是有同側(cè)兩個(gè)通風(fēng)孔同時(shí)流進(jìn)和同時(shí)流出。雖然特征氣體本身的滲透速率很小，但是在于外界進(jìn)行氣體交換時(shí)，會(huì)加速氣體的滲透，并且滲透率與室內(nèi)各處的速率正相關(guān)，設(shè)定通風(fēng)孔入口風(fēng)速為5m/s。

（2）出口邊界條件

高壓室和母線橋室內(nèi)氣體向外擴(kuò)散時(shí)，外部環(huán)境為空氣，出口與外界大氣相連，通風(fēng)狀態(tài)為自然通風(fēng)，氣壓與外界大氣壓一致，因此可將出口設(shè)置為壓力出口條件，為標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.01×105Pa，速度入口為5m/s。

2.2.2 求解計(jì)算

（1）剖分

首先選擇所建立模型的所有邊，設(shè)置剖分的尺寸為0.02m，如圖1所示。

圖1 母線橋室邊剖分

執(zhí)行剖分的u局部放電ate命令對(duì)模型進(jìn)行剖分，結(jié)果如圖2所示。

圖2 母線橋室體剖分

（2）設(shè)置

剖分完成后對(duì)模型根據(jù)前面所求條件進(jìn)行設(shè)定。設(shè)定包括求解環(huán)境的設(shè)定以及入口和出口條件的設(shè)定。入口條件為5m/s的速率，出口為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.01×105壓力出口條件，模型整體為對(duì)稱邊界條件。

2.3 仿真分析

根據(jù)前面建立的模型，仿真分析可以得出空氣開關(guān)柜的母線橋室內(nèi)氣體流速分布云圖、流速矢量云圖、壓強(qiáng)分布云圖及壓強(qiáng)矢量云圖。

當(dāng)母線橋室的外側(cè)為氣體流入口時(shí)，室內(nèi)氣體流速分布云圖、壓強(qiáng)分布云圖，分別如圖3、圖4所示。

圖4 壓強(qiáng)分布云圖

圖4 壓強(qiáng)分布云圖

由仿真建模結(jié)果可比較分析當(dāng)母線橋室的外側(cè)為氣體流入口時(shí)，可見母線橋室下部除夾角位置，均為深藍(lán)色，母線橋室內(nèi)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?dú)怏w流出口處流速最大。

由仿真建模結(jié)果可比較分析當(dāng)母線橋室的外側(cè)為氣體流入口時(shí)，可見母線橋室內(nèi)部幾乎處處為土黃色，只有氣體流出口為深藍(lán)色，因?yàn)榱魉僭娇?，壓?qiáng)越小，深藍(lán)色代表著壓強(qiáng)最小值，可得知，當(dāng)母線橋室的外側(cè)為氣體流入口時(shí)，母線橋室內(nèi)除氣體流出口外，壓強(qiáng)幾乎處處相同。

3 結(jié)論與展望

傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法一般都在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行典型絕緣缺陷下空氣放電的實(shí)驗(yàn)，并剖釋空氣的分解情況。但是由于實(shí)驗(yàn)狀態(tài)與真實(shí)狀態(tài)有很大的區(qū)別，真實(shí)的開關(guān)柜大多數(shù)為半開放開關(guān)柜，與空氣存在一些氣體交換，這樣會(huì)使使氣體擴(kuò)散不到檢測點(diǎn)。但本文仿真結(jié)果可知，當(dāng)開關(guān)柜發(fā)生局部故障時(shí)，開關(guān)柜產(chǎn)生的氣體組分只會(huì)微弱的與大氣存在的氣體交換，由于開關(guān)柜內(nèi)組分氣體流速分布幾乎相同，開關(guān)柜內(nèi)壓強(qiáng)幾乎處處相同可得知，開關(guān)柜內(nèi)氣體產(chǎn)生的組分將可以擴(kuò)散至檢測點(diǎn)而被檢測。

希望此次的研究，可以獲得開關(guān)柜檢測人員的關(guān)注，并從中可獲得借鑒，以便能增強(qiáng)開關(guān)柜氣體組分檢測的精確性，進(jìn)而能精確區(qū)分開關(guān)柜設(shè)備運(yùn)行中出現(xiàn)的故障類型，及時(shí)掌握設(shè)備的絕緣狀況，對(duì)故障的提早發(fā)現(xiàn)以及設(shè)備合理維護(hù)均具有重要的意義。