开关柜局部特征气体分布特性仿真

沈阳工程学院 张昕冉 袁小华 许傲然

开关柜的正常的运行对配网的稳定供电起到极其重要的作用。开关柜中，空气主要由电子碰撞、热效应和光效应分解。本文利用连续性方程，动量守恒方程，能量守恒方程进行了气体流动特性的数值模拟。并运用ANSYS分析软件，模拟和分析了开关柜绝缘击穿过程中的气体扩散过程。根据模拟结果，当开关柜发生故障放电使空气分解，开关柜内压强几乎处处相同可得知，开关柜内气体产生的组分将可以扩散至检测点而被检测。

开关柜作为配电网中重要的构成部分，其正常运转对于配网系统的供电稳定性起着至关重要的作用。由文献可知大部分开关柜故障的主要原因是由局部放电引起的。

由于某些开关柜长期工作在高温、高压、湿润等顽劣的情况下，容易因绝缘老化而导致事故，当开关柜发生事故时，不仅可能导致线路上的其它重要仪器受到损害，更有可能导致大规模停电。总的来说，开关柜的运转状态，对配网系统意义重大。

局部放电故障会使开关柜中的绝缘材料及气体绝缘介质发生分解，并与开关柜内的少量O2发生一系列复杂的化学反应。由于此类故障会导致衍生气体的产生，若能及时有效的检测到故障气体，就能提早发现故障，防范于未然。此外，局部放电类型故障与产生的衍生气体具有一定的关联关系，通过检测衍生物的种类以及分析其含量变化规律，不仅能够推断出放电的类型，还能够对设备的绝缘状况做出有效评估。

1 特征气体产生原理

导致开关柜中发生空气分解主要有：电子碰撞、热效应以及光效应这三个原因。因放电气室无照射光源，所以光效应造成的影响几乎没有；热效应的影响也很小，因为绝缘缺陷引起的局部放电几乎都为低能放电，放电区域的温度几乎不变。因此，可以认为电子碰撞是空气分解的主要原因，即在局部放电产生的陡峭脉冲强电场作用下的电子碰撞，是引发空气分解的主要原因。

由于电场力，大气中的氧和氮与带电粒子激烈碰撞，氧和氮原子分别离子化，在高能电子的作用下，空气中的二氧化碳分解成一氧化碳。

在放电区内生成的氧、氮原子很快分解到其他区，由于生成的单个氧原子化学活性很高，会继续与氧气发生反应，产生臭氧，同时氮原子被氧化性强的氧气和臭氧氧化生成一氧化氮，但是，一氧化氮非常不稳定，通过氧和臭氧容易氧化以产生二氧化氮。由于其不稳定的化学性质，氧化氮和臭氧结合在一起。

气室内的绝缘材料在电子的作用下激发出碳原子，与氧原子结合生成一氧化碳和二氧化碳，此外，二氧化氮很容易与空气中的水分发生反应，生成硝酸。

根据上述反应，局部放电下空气分解的主要气体组分有臭氧，一氧化碳，二氧化碳，一氧化氮，二氧化氮等。空气含有300～400μL / L的二氧化碳，所以不将二氧化碳作为检测对象。尽管一氧化氮在空气中并不稳定，但是它的体积与放电特性有着一定的关系，所以对它进行检测是很重要的。因此通过检测空气分解组分中的一氧化碳、二氧化氮、等特征气体来研究空气局部放电特性。

2 仿真模型的建立

开关柜气室之间只有微弱的气体流动，因此在分析空气开关柜的气体流动性时可以分开研究。其中真空断路器室、仪表室以及预留隔室与外界密闭，也很少发生故障，空气流动性很小，故不进行分析。其中最易发生故障的就是高压室和母线桥式，且预留有与外界的通风孔，故本仿真基于开关柜的真实尺寸，建造模型，选择母线桥室为实验气室，对其空气放电组分分布情况仿真分析。

2.1 气体组分及物性确定

模型中各气体组分密度按理想气体原则计算。得到模型中混合气体的物性参数如表1所示：

表1 组分气体参数

2.2 边界及初始条件

2.2.1 边界条件

（1）入口边界条件

高压室与外界有两个通风孔，母线桥室与外界有四个通风孔。所以室内与室外几乎具有相同的大气压，室内与室外在进行气体交换时，肯定是部分通风孔气体向外流动、部分通风孔气体向内流动。对于高压室只存在一个通风孔气体向内流动，另一个向外流动情况，故分为内侧通风孔气体向内流动和外侧通风孔向内流动两种情况。母线桥室由于有四个通风孔，情况复杂，但通常情况下，气体肯定是从一侧流进母线桥室，另一侧流出，所以分析的情况与高压室相同，只是有同侧两个通风孔同时流进和同时流出。虽然特征气体本身的渗透速率很小，但是在于外界进行气体交换时，会加速气体的渗透，并且渗透率与室内各处的速率正相关，设定通风孔入口风速为5m/s。

（2）出口边界条件

高压室和母线桥室内气体向外扩散时，外部环境为空气，出口与外界大气相连，通风状态为自然通风，气压与外界大气压一致，因此可将出口设置为压力出口条件，为标准大气压1.01×105Pa。

（3）初始条件

初始条件为二氧化氮与空气的混合体，温度为291K，气压为标准大气压1.01×105Pa，速度入口为5m/s。

2.2.2 求解计算

（1）剖分

首先选择所建立模型的所有边，设置剖分的尺寸为0.02m，如图1所示。

图1 母线桥室边剖分

执行剖分的u局部放电ate命令对模型进行剖分，结果如图2所示。

图2 母线桥室体剖分

（2）设置

剖分完成后对模型根据前面所求条件进行设定。设定包括求解环境的设定以及入口和出口条件的设定。入口条件为5m/s的速率，出口为标准大气压1.01×105压力出口条件，模型整体为对称边界条件。

2.3 仿真分析

根据前面建立的模型，仿真分析可以得出空气开关柜的母线桥室内气体流速分布云图、流速矢量云图、压强分布云图及压强矢量云图。

当母线桥室的外侧为气体流入口时，室内气体流速分布云图、压强分布云图，分别如图3、图4所示。

图4 压强分布云图

图4 压强分布云图

由仿真建模结果可比较分析当母线桥室的外侧为气体流入口时，可见母线桥室下部除夹角位置，均为深蓝色，母线桥室内流速几乎处处相同，但母线桥室气体流出口处为橙红色，橙红色为流速最快的颜色，故可知气体流出口处流速最大。

由仿真建模结果可比较分析当母线桥室的外侧为气体流入口时，可见母线桥室内部几乎处处为土黄色，只有气体流出口为深蓝色，因为流速越快，压强越小，深蓝色代表着压强最小值，可得知，当母线桥室的外侧为气体流入口时，母线桥室内除气体流出口外，压强几乎处处相同。

3 结论与展望

传统的试验方法一般都在实验室中进行典型绝缘缺陷下空气放电的实验，并剖释空气的分解情况。但是由于实验状态与真实状态有很大的区别，真实的开关柜大多数为半开放开关柜，与空气存在一些气体交换，这样会使使气体扩散不到检测点。但本文仿真结果可知，当开关柜发生局部故障时，开关柜产生的气体组分只会微弱的与大气存在的气体交换，由于开关柜内组分气体流速分布几乎相同，开关柜内压强几乎处处相同可得知，开关柜内气体产生的组分将可以扩散至检测点而被检测。

希望此次的研究，可以获得开关柜检测人员的关注，并从中可获得借鉴，以便能增强开关柜气体组分检测的精确性，进而能精确区分开关柜设备运行中出现的故障类型，及时掌握设备的绝缘状况，对故障的提早发现以及设备合理维护均具有重要的意义。