c-C4F8和C5F10O应用于气体绝缘输电线路的温升特性分析

靳国豪，秦 川，靳婷蕾，张建飞，王玉春，刘朋亮

（1.平高集团有限公司，河南 平顶山 467001；2.国网四川检修公司成都运维分部，四川 成都 610041；3.平高集团储能科技有限公司，天津 300300）

0 引言

SF6作为重要的气体绝缘和灭弧介质，在气体绝缘金属封闭开关(gas insulated switchgear，GIS)、气体绝缘断路器(gas insulated circuit breaker，GCB)、气体绝缘输电线路(gas insulated line，GIL)等气体绝缘电气设备中得到了广泛应用[1-2]。但是，SF6是一种温室效应很强的气体，其全球变暖潜能值(global warming potential，GWP)非常高[2-4]，约为 23 500（在100年时间范围，以CO2为当量），且在大气中极难分解，在大气中的寿命约为3 200年[2]。由于全球气候变暖形势严峻，极高的GWP值使得本已成熟应用的SF6再次成为国内外学者关注的焦点，在《京都议定书》和《巴黎协议》中被明令限制使用，在2020年要求禁止使用。近年来，为保护人类生存环境，减少SF6用量，寻找综合性能优异的环保型绝缘气体成为必然趋势。为此，学者们进行了大量研究工作，研究内容主要关注新型替代气体的温室效应影响、毒性、液化特性、绝缘特性等，取得了一定进展[3-6]。通过对SF6替代气体进行的大量研究，替代气体应用的基础是具有良好的介电性能、化学稳定性、低毒性和低GWP值。

八氟环丁烷(c-C4F8)、氟代甲基异丙基酮(C5F10O)是两种具有较高电气强度的绝缘气体，具有替代SF6的潜力。其中，c-C4F8常温下为气态，无毒且不可燃，分子量为200.03 g/mol，沸点为-6℃，分子为非平面结构，结构对称性好，化学性质十分稳定，不易与其他物质发生反应。与SF6对比，c-C4F8的GWP值约为8 700，是SF6的1/3[7]，能显著降低对环境的影响，但是它在大气中的寿命同样相对较长，预计为2 600～10 000年，而且c-C4F8的液化温度较高，因此纯c-C4F8气体难以实现宽温度范围的应用。目前，已有针对c-C4F8与缓冲气体N2、CO2等组成的混合气体的研究。满林坤等[7]对纯c-C4F8气体及其与N2、CO2组成的混合气体的绝缘性能、液化特性进行了研究，发现c-C4F8的体积分数为5%～20%时，c-C4F8-CO2混合气体的综合性能与SF6较为接近，具有较大的应用潜力。C5F10O是一种新型的人工合成绝缘气体，由3M公司开发，并被ABB公司用作替代SF6的新型绝缘气体空气PlusTM的主绝缘介质。其分子量为266 g/mol，沸点为26.9℃。与SF6相比，C5F10O具有绝缘强度高、GWP值约为1（以CO2为当量）、环境友好等优点。但其沸点过高，在常压下的液化温度为26.5℃，在常温常压下已成为液态[8]。目前，ABB公司及相关学者的研究认为，C5F10O的体积分数为5%～20%时，C5F10O/空气混合气体的综合性能与SF6较为接近[8-9]。

由于气体绝缘输电线路和开关设备的通流容量较大，会产生大量的热量，将对设备的运行安全带来极大挑战。设备中心导体和外壳之间的热阻依赖于气体散热特性，而外壳的温升则主要取决于周围环境介质的热阻[10]。在GIS、GIL中使用的SF6具有良好的导热性，散热能力强，通过合理的结构设计，一般可将GIS、GIL中的温升保持在可接受的范围。然而，若采用新型绝缘气体或气体混合物代替SF6，必须对新气体SF6的传热特性进行考察。

通过实验方法对充有绝缘气体的设备进行温度测量可以反映气体的传热性能，但是，由于GIL、GIS腔体密封，目前的观测方法均存在一定的问题。红外成像方法分辨率难以达到要求；定期测量回路电阻的方法无法实现在线监测；光纤测温方法虽然可以实现在线监测，但是受传感器布置区域和数量的限制，无法全面反映GIL/GIS的完整工况[10-11]。有限元(finite-element method，FEM)方法是工程领域重要的计算方法[11-12]，可将电磁场、温度场、流体场进行耦合，建立模拟GIL、GIS同轴结构多物理场数值的计算模型，从而实现气-固绝缘系统在复杂环境中的流体运动和气、固传热状态以及温度分布的模拟[13-15]。文献[11-15]采用有限元数值计算方法对采用SF6气体绝缘的GIL设备进行二维温升仿真计算。文献[16]对采用SF6/N2混合气体的气体绝缘输电线路的温度场稳态分布进行数值模拟，通过仿真计算方法研究了气体组分比例和压强对GIL温升的影响。

本研究针对GIS、GIL的管道结构，建立电-热-流体多物理场仿真计算模型，利用该模型，研究环保型c-C4F8/CO2和C5F10O/空气混合绝缘气体的传热性能及其对气体绝缘输变电设备温升的影响。

1 温升数值计算模型

针对500 kV GIL建立仿真计算模型，由于该同轴结构的对称程度高，为提高计算速度，选取二维平面模型，其几何结构如图1所示。仿真中，GIL的高压导体和外壳材料设定为铝合金，与实际工程应用相符。高压导体、外壳的几何尺寸及材料特性如表1所示。

图1 GIL二维几何结构与网格剖分Fig.1 Two-dimensional geometric structure and meshing generation of GIL

表1 几何尺寸与材料基本参数Tab.1 Geometric dimensions and basic material parameters

1.1 物理模型与边界条件

载流导体中的电流是GIL设备的核心热源，由于工况电流源为工频正弦电流，外壳存在感应涡流产生的热量。物理模型首先通过电磁场计算，获得电流密度和总热量。电磁场求解域为外部环境空气、高压导体、绝缘气体和外壳。假设GIL无限长，对于二维结构，GIL导体与外壳的焦耳热损耗(Qj)可表示为式（1）。

式（1）中：ρR为电阻率；J为电流密度；S为导体和外壳的横截面积。

GIL为同轴圆柱结构的气-固系统，其传热包括热对流、热辐射和热传导3种方式。其中，热对流占主导地位，热辐射也会传递大量热量。高压导体产生的稳态焦耳热损耗将以热对流和热辐射两种方式传递给外壳。而对外壳而言，不但有高压导体传递的热量，还有自身涡流发热的热量，并将自身热损耗与外界空气域之间进行对流和辐射换热[13]。而对于高压导体和外壳金属内部，热传导则是热量的主要传递方式。

由于封闭的GIL腔体在热源发热的情况下，气体会发生流动，导致气体密度分布不均，流体计算选择可压缩层流模型。其控制方程包括质量、动量和能量守恒方程，如式（2）～（4）所示。

式（2）～（4）中：ρ为气体密度；p为气体压强；μ为气体的动力黏度；cp为气体的比定压热容；λ为气体的导热系数；u为气体流速；G为重力，即流体计算中的体积力；Q为热量，由高压导体和外壳的热损耗组成。

计算模型设定无穷远处大气温度恒定，外界环境边界温度满足第一类边界条件，固-气界面共有3个：导体-绝缘气体界面（内、外共两个）、外壳-空气界面。本研究中辐射和对流换热的边界条件与文献[8]相同，在此不再赘述。

1.2 网格的剖分

在实际的流体流动与传热问题中，二维几何域通常具有不规则的形状。对于这种不规则区域的离散，使用矩形作为基本有限元是最简单显然但不是最合适的选择，因为矩形不能准确地表示区域的任意几何形状。因此对于给定的二维区域，在离散化的处理上，三角形单元较矩形单元更为合适，因为在这种情况下，离散误差较小，甚至可忽略不计。另一方面，对于三维域中的网格划分，四面体是大多数物理模型中使用的默认元素类型，其他3种元素类型是六面体、三角棱柱体和棱锥体。与这3种元素类型不同的是，任何三维几何体，无论其形状或拓扑，都可以与四面体单元进行网格划分，而且它们是唯一一种可用于自适应网格细化的单元。

在本研究中，四面体单元更适合于边界区域的离散化。图1为计算区域的空间离散剖分构建结果，为了解决壁面区域附近垂直于管壁的流量变化现象，使用默认边界层网格，同时减少与管壁相切方向上的网格点数量，从而有助于避免收敛不稳定。为了节省计算时间，同时保证得到的解与网格无关，进行了网格收敛分析。当网格单元数大于7 956时，在10 s的计算时间内实现了＜0.1%的变化。同样，当元素数量超过60 000时，扩展到三维模型的收敛性分析显示变化小于1%，但是计算时间增加了210 s。为保证计算精度和收敛速度的平衡，对于目前使用自由网格的分析，二维和三维模型分别使用7 956个三角形单元和1 520个四面体单元。

2 计算结果及分析

利用上述多物理场仿真模型，首先对充有SF6绝缘气体的气体绝缘输电管道温度场分布进行研究。设定初始环境温度为298 K（25℃），高压导体的激励源选择工频50 Hz，载流为3500 A，SF6气体的气压为0.4 MPa。

二维管道达到稳态后的温度分布如图2所示。从图2可以看出，求解域内温度整体分布接近轴对称，且高压导体、气体和外壳温度自上而下呈现梯度分布的模式。温度最高值出现在高压导体的顶部，为358.2 K；温度最低值出现在外壳的最底部，为323 K。高压导体为主要热源，其顶部与底部的温差为1.2 K；外壳顶端与底端的温差较大，达到3.7 K。对于SF6气体，由于其较强的流动性，温度呈现出明显的上高下低规律。

图2 二维GIL管道稳态温度场分布Fig.2 Steady state temperature field distribution of two dimensional GIL pipeline

表2为仿真计算结果与文献[17]利用温度传感器对500 kV GIL导体及外壳进行稳态温度测量结果的对比。从表2可以看出，导体上下位置温度仿真计算值的相对误差在1.3%～1.4%，而且计算值均高于实验值，这与仿真模型将盆式绝缘子看作绝热体而进行二维简化计算有关[18]。对于GIL外壳，计算值与实验测量值更为接近，误差在1%以内。该仿真模型温度分布的计算结果与实际气体绝缘装备关键位置的温度分布测量结果接近，温升状态满足同轴结构自然对流主导的分布规律，可认为该模型可靠。因此，后续使用此模型仿真不同气体下气体绝缘输电管道的温度场分布，对典型环保型绝缘气体的传热性能进行评估。

表2 GIL稳态温度仿真计算与实验测量结果对比Tab.2 Comparison between simulation calculation and experimental measurement results of steady state temperature for GIL

计算过程中，SF6、c-C4F8、空气和 CO2气体的热学相关参数来源于美国国家标准与技术研究院发布的REFPROP软件，C5F10O的相关数据来源于3M公司提供的热物性手册[19]，如表3所示。

表3 SF6、c-C4F8、C5F10O、空气和CO2气体的热学相关参数Tab.3 Thermal parameters of SF6,c-C4F8,C5F10O,air,and CO2

图3为采用c-C4F8/CO2混合气体的GIL从外壳底端至顶端的径向温度分布。

图3 采用c-C4F8/CO2混合气体的GIL径向温度分布Fig.3 Radial temperature distribution of GIL with c-C4F8/CO2gas mixtures

从图3可以看出，相同气压下，c-C4F8/CO2混合气体的传热性能比SF6气体差。5% c-C4F8/95% CO2混合气体中高压导体的最高温度比SF6中高4.5 K，20% c-C4F8/80% CO2混合气体中高压导体的最高温度比SF6中高3 K。对于外壳，不同气体下的温升较为接近。随着c-C4F8体积分数的增加，c-C4F8/CO2混合气体的传热性能有一定改善，当c-C4F8的体积分数到达20%时，其散热能力与SF6较为接近，在中压系统的绝缘气体替代中具备一定的应用潜力。

图4为采用C5F10O/空气混合气体的GIL径向温度分布。从图4可以看出，相同气压下，C5F10O/空气混合气体的传热性能相较于SF6气体和相同配比的c-C4F8/CO2混合气体散热能力下降较多。5% C5F10O/95%空气混合气体中高压导体的最高温度比SF6中高7.6 K，20% C5F10O/80%空气混合气体中高压导体的最高温度比SF6中高5 K，与5% c-C4F8/95% CO2混合气体的传热性能较为接近。同样，该混合气体中外壳温度变化与SF6气体比较相对差异较小。C5F10O气体浓度的提高，同样使得混合气体的传热性能有了明显改善。

图4 采用C5F1OO/空气混合气体的GIL径向温度分布Fig.4 Radial temperature distribution of GIL with C5F10O/air gas mixtures

将填充SF6气体、c-C4F8/CO2、C5F10O/空气3种混合气体的GIL温度分布进行对比，发现在同等条件下，SF6气体的传热性能优于c-C4F8/CO2混合气体和C5F10O/空气混合气体。这是因为决定气体对流换热的关键参数是动力黏度和定压热容。c-C4F8气体的动力黏度和定压热容本身与SF6较为接近，但是，由于为降低其液化温度而采用了较高含量的CO2气体，使其散热能力有所降低。而对于C5F10O，其分子量比SF6大，动力黏度相对较低，使其本身也具备较好的导热性。使用空气作为缓冲方案后，由于空气的散热能力相较于SF6差距较大，导致充有C5F10O/空气混合气体的气体绝缘装备温升较高。

对于环保型气体绝缘输电设备，传热性能的优劣是进行替代气体选择的重要考虑因素。通过上述对比分析可以看出，使用典型环保型绝缘气体与缓冲气体形成的混合气体替代方案，其传热性能相较于SF6有一定程度的下降，建议通过适当的结构优化设计增强设备发热严重部件的散热。如在外壳上增加散热片，或在满足电场设计合理的前提下，在导体上加工散热槽或散热孔，以改善带电部件周围的气体对流能力[20]。此外，电接触的可靠性对于GIL、GIS长期工作的温升具有重要影响，应增加触点或触片数，考虑增大接触压力和采用触头镀银、镀锡等措施减小接触电阻[21]，从而实现替代气体应用后可能面临的电接触及附近导体温升超过设备限制的隐患。

3 气压对温升的影响及优选

气压是影响气体传热的重要影响因素，图5为提高气体压力后，采用c-C4F8/CO2、C5F10O/空气混合气体的GIL高压导体和外壳温升随气压的变化。

图5 气压对GIL温升的影响Fig.5 Influence of gas pressure on the temperature rise of GIL

从图5可以看出，随着气压的增大，高压导体的温升逐渐下降。当气压提高至0.5 MPa时，20% C5F10O/80%空气、5% c-C4F8/95% CO2混合气体的散热能力有一定提高，高压导体温升下降到国家标准要求的温升范围内。当5% C5F10O/95%空气混合气体的气压提高至0.6 MPa及其以上时，采用该绝缘气体的GIL高压导体温升达到使用要求[22]。这是因为气体压强的增大使得管道内部气体的分子密度增大，对流换热能力增强，由高压导体通流产生的热量更快地传导到外界。最终，在导体总发热量不变的情况下，高压导体温升随气压升高而降低。但外壳温升则出现缓慢升高的现象，这是由于环境温度对外壳温度起主导作用，所以几种不同气体环境中的外壳温升差异较小。

4 结论

（1）随着c-C4F8和C5F10O气体含量的提高，c-C4F8/CO2、C5F10O/空气混合气体的传热性能有较大改善。相应地，采用这两种混合气体的GIL/GIS高压导体和外壳温升随主绝缘气体含量的提升而逐渐降低。

（2）对于c-C4F8和C5F10O气体含量相同的两种混合气体方案，c-C4F8/CO2混合气体的散热能力优于C5F10O/空气混合气体。其中，20% c-C4F8/80% CO2混合气体的传热性能与SF6最为接近，在搭载流量气体的绝缘输变电装备上可替代SF6气体使用。

（3）两种典型环保型混合气体的散热能力均随气压增大而增强。提升1个大气压后，高压导体的温升可接近或低于国家标准要求的限值。因此，适当提高气压可改善由于替代气体引发输变电设备温升提高问题。