SF6气体在线净化处理对设备内部磁场分布的影响研究

袁志坚， 袁镜江， 周斌

(广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000)

0 引 言

SF6气体指六氟化硫气体，具有优越的绝缘性能以及灭弧性能[1]。SF6气体通过机械制冷式深冷分离以及变压吸附等处理净化后符合《工业六氟化硫》技术指标，净化处理后SF6气体质量分数可高达99.98%以上，净化后的SF6气体可在高压电器设备中循环再利用。

SF6气体通过电弧作用分解形成具有较强反应能力的有害分解产物[2]，尤其是其成分内存在氧气以及水分时，有害分解物与水分以及电机材料结合，形成大量成分极为复杂的化合物，令电力系统设备内部金属发生腐蚀现象，导致设备内的有机绝缘材料性能受到影响[3]，甚至可能危害高压设备操作人员身体健康。SF6气体属温室气体，其造成的温室效应可高于二氧化碳两万多倍。电力设备内部磁场分布情况对评估设备的安全性极为重要，本文分析SF6气体在线净化后电力设备内部磁场的分布情况。

1 SF6气体在线净化原理

SF6气体在线净化处理原理如图1所示。

图1 SF6气体在线净化处理原理

SF6气体在线净化处理的倒转装置夹紧钢瓶并倒转，满足所设定高度值后，利用安装手动球阀的压力软管将倒转装置与汽化装置连接，钢瓶内高压SF6液体经过汽化装置气化后转变为低压气体，低压气体压力约为0.6 MPa，低压气体向净化处理单元吸附塔内流动[4]，吸附原气体的水分、杂质以及部分空气等。利用动力单元，将尾气通过深冷分离单元的深冷容器内的低温液体向钢瓶内抽动。

动力单元内储气罐压力到达一定高度时，利用净化处理单元，将气体再次充入深冷容器内，通过深冷处理后，将气态空气排放后进行真空抽离，再将固态SF6气体液化后，通过低温低压条件灌入钢瓶内。

SF6气体在线净化处理需要通过液态SF6净化处理以及固态SF6净化处理，提升SF6气体的纯度[5]。在液态情况下，其利用较小能量进行分离，获取已使用气体90%左右的纯净SF6气体；在固态情况下，将剩余10%左右纯度气体实施固化提纯处理。

2 SF6气体在线净化处理设备内部磁场控制方程构建

为了分析SF6气体在线净化处理对设备内部磁场强度分布影响，需要利用Maxwell方程组获取SF6气体在线净化处理设备内部磁场控制方程，由法拉第电磁感应定律、高斯磁通定律、安培环路定律以及高斯电通定律组成感应电磁场的控制方程,对设备内部磁场分布情况进行分析[6]。

1) 安培环路定律

假设电力设备内部磁场强度H不受介质以及磁场强度分布的影响，磁场强度沿不同闭合回路的线积分与穿过该积分获取的曲面电流总和相同，即积分路径包围获取的传导电流以及位移电流相加的总电流与线积分相同。采用积分形式表示安培环路定律[7]，即：

(1)

式中:S与l分别为曲面边界以及随机闭合路径矢量；K为位移电流矢量；D为电位移矢量；t为时间变量。通过安培环路定律可知传导电流以及电场变换均可形成磁场。

2) 法拉第电磁感应定律

设备内部穿过闭合回路的磁通量与闭合回路内感应电动势，随时间变化呈现正态分布，通过积分形式表示为：

(2)

式中:E为电场强度矢量;B为磁感应强度矢量。

通过法拉第电磁感应定律可知电场受磁场影响的变化情况。

3) 高斯电通定律

在电力设备内部电场中，闭合曲线的电通量不受电通密度矢量以及电解质分布情况影响，闭合曲线电通量与包围至该闭合曲线电荷量相同，电通密度与闭合曲面积分即为电通量，利用积分形式表现该定律为：

(3)

式中:Ω为设备内部利用闭合曲面形成的体积区域；ρ为自由电荷体密度；V为闭合曲线电通量流转速度。通过高斯电通定律可知电场由电荷通过发散形式形成。

4) 高斯磁通定律

在设备内部磁场中，穿过随机闭合曲面，不受磁通密度矢量以及磁介质分布情况影响，磁通量恒为零，闭合曲线受磁通量矢量有向积分即磁通量的影响，以积分形式体现该定律为：

(4)

分析高斯磁通定律可知,设备内部磁力线由闭合曲线组成。

综上所述，设备内部电场与磁场变化情况互相联系，最终产生统一的电磁场。根据以上定律分析设备内部电磁场的变化情况,构建Maxwell方程组,对其进行详细分析。本文引入拉普拉斯算子，可得Maxwell方程组微分公式为：

(5)

(6)

(7)

(8)

式中:H与K分别为磁场强度矢量以及总电流密度矢量；KS与Ke分别为源电流密度矢量以及感应电流密度矢量。在进行磁场分布分析过程中遵循变分原理，通过储能一直趋于最小的能量相关泛函，使函数值达到最小，从而误差达到最小。通过设定泛函的各项待定系数的偏导系数，明确各待定系数值。

3 仿真试验

3.1 试验环境及参数

为了验证所提方法的综合有效性，进行仿真试验分析。利用AnsoftMaxwell 3D 电磁场仿真软件建立SF6气体在线净化处理三维模型，检测设备内部铁芯横截面大小为160 mm×160 mm，将锰锌铁氧体作为铁芯材料，铁芯材料的相对磁导率以及电导率分别为8 100以及0；利用截面以及壁厚分别为12 mm×12 mm，壁厚为2 mm的紫铜方管绕制线圈，紫铜方管电导率以及相对磁导率分别为59 MS/m以及1；设置设备内部气隙长度为500 mm，处理装置以及管道内最大承受压力≤2.5 MPa，正常环境温度下在线净化处理可连续工作运行时长高达1 000 h以上。

3.2 试验方案

利用示波器以及交流电流钳测量空载情况下设备内部线圈的输出电流，赋值线圈的励磁电流，获取相应磁感应强度分布情况，通过探测线圈方法检测气隙内部磁感应强度，与模拟结果对比检测分析有效性。

3.3 试验结果分析

为了验证所提方法对设备内部磁场分布的影响，分析了设备横截面气隙磁场感应强度径向分量和切向分量的分布情况，结果如图2所示。

图2 气隙磁场感应强度分布情况

图2可以看出，在相同环境下，所提方法对设备内部磁场感应强度分布的不同方向分量分布情况与其理想分布状态吻合度较高。这是由于所提方法结合多种定律组成感应电磁场的控制方程，对磁场感应强度分量控制效果较好，验证了所提方法的科学有效性。

4 结束语

本文分析了SF6气体在线净化处理对设备内部磁场分布的影响。通过试验得出以下结论：

(1)SF6气体在线净化处理后气隙磁场感应强度与理想分布值较为一致。

(2)净化后气体可在设备内部气隙内形成磁场，设备内部横截面区域磁场以均匀状态分布，符合净化电磁需求。