CN109307827A - 一种混合气体介质条件下gil内绝缘状态判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断方法，涉及高压绝缘技术领域，是一种SF₆/N₂混合气体介质条件下GIL内绝缘状态的判断方法，该方法包括混合气体介质绝缘状态判断依据的定义、SF₆/N₂混合气体物性参数计算，涡流场‑温度场‑流场多物理场模型耦合的求解，以及电场分布的计算，该方法考虑长期运行时，工况条件的变化，母线温升对内绝缘状态的影响，实现对GIL内绝缘状态动态变化情况进行定量判断。利用本发明提供的GIL内绝缘动态变化的定量判断方法，能准确判断出GIL内绝缘水平动态变化情况，是一种GIL运行状态的综合判据。

Description

一种混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断方法

技术领域

本发明涉及高压绝缘技术领域，具体涉及一种SF₆/N₂混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断方法。

背景技术

气体绝缘金属封闭输电线路简称为GIL，是一种利用SF₆气体，其它气体或者特定种类的混合气体作为绝缘介质的具备长距离电力传输能力的一种电力设备。GIL因具有传输容量大，损耗小，占地少，可靠性高，环境影响小等优点，近年来得到快速发展和广泛应用。早期的GIL一般采用纯SF₆作为绝缘介质，SF₆/N₂混合气体因具有SF₆气体的用量少、价格便宜、液化温度低等优点，已作为SF₆替代气体的在GIL中应用。衡量GIL性能最基本和重要的指标是内绝缘水平，其内绝缘特性取决于绝缘介质气体的击穿特性。在GIL长期运行过程中，工况条件的变化，母线的长期通流温升等都会对GIL内部绝缘状态产生影响，严重时甚至会引发绝缘故障。因此判断混合气体介质条件下GIL的内绝缘水平对提高GIL运行可靠性，保障电网安全而言具有重要意义。

现阶段针对SF₆/N₂混合气体介质条件下GIL内绝缘状态的判断及型式试验为主。用试验的方法只能定性判断GIL内绝缘是否符合绝缘要求设计，并不能反映GIL长期运行过程中工况的变化，母线通流温升等对GIL绝缘状态的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有在SF₆/N₂混合气体介质条件下GIL内绝缘状态只能通过试验定性判断内绝缘水平的不足，提出一种SF₆/N₂混合气体介质条件下GIL内绝缘状态定量判断方法。该方法可以判断GIL工况条件的变化，母线长期通流温升对内绝缘的影响，采用该方法可以定量反映GIL长期运行时其内绝缘的动态变化情况。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断方法，是一种SF₆/N₂混合气体介质条件下GIL内绝缘状态的判断方法，该方法包括混合气体介质绝缘状态判断依据的定义、SF₆/N₂混合气体物性参数计算，涡流场-温度场-流场多物理场模型耦合的求解，以及电场分布的计算，该方法考虑长期运行时，工况条件的变化，母线温升对内绝缘状态的影响，实现对GIL内绝缘状态动态变化情况进行定量判断。

本发明判断方法需要对SF₆/N₂混合气体介质绝缘判断依据进行定义，通过该依据定量判断GIL内绝缘水平动态变化情况。

所述SF₆/N₂混合气体介质绝缘状态判断依据需要求解纯SF₆气体的临界击穿场强，再根据相对耐电强度，得到SF₆/N₂混合气体介质绝缘状态判断依据。

本发明中，当GIL内以SF₆/N₂混合气体作为绝缘介质时，得到以下计算SF₆/N₂混合气体临界击穿场强表达式：

E＞E_crit＝1.467k^0.18ρ，

其中，E表示实际电场强度，E_crit为SF₆/N₂混合气体临界击穿场强，k表示SF₆含量百分比，ρ为SF₆/N₂混合气体密度。

本发明中，可以使用SF₆/N₂混合气体介质的临界击穿场强减去气体的实际电场强度的所得差值来定量衡量SF₆/N₂混合气体介质的绝缘水平，所得差值定义为绝缘状态判断依据E_mix，SF₆/N₂混合气体介质的绝缘状态判断依据表达式由以下公式表示：

E_mix＝1.467k^0.18ρ-E，

式中：k表示SF₆含量百分比，ρ表示场域内任意一点SF₆/N₂混合气体的密度，E表示相应位置的电场强度，工况条件变化时E的大小发生变化，E_mix表示该点SF₆/N₂混合气体介质绝缘状态判断依据。

所述SF₆/N₂混合气体介质需要计算混合气体物性参数，所述混合气体物性参数包括混合气体的密度、粘度、定压热容、导热系数；

SF₆/N₂混合气体的密度可由如下公式计算，

其中ρ_gas为SF₆/N₂混合气体密度，p是气体压力，R是通用气体常数，T是气体的温度(K)，X₁和X₂表示N₂和SF₆的摩尔分数，M₁和M₂分别表示N₂和SF₆的分子量，

N₂和SF₆气体的粘度计算如下公式所述：

其中，S是Sutherland常数，T₀＝273K，T为混合气体温度，

SF₆/N₂混合气体的粘度可以由如下公式计算：

其中μ_gas为混合气体的粘度，μ₁、μ₂分别代表在T＝300K的情况下，N₂和SF₆气体的粘度；X₁和X₂表示N₂和SF₆的摩尔分数，M₁和M₂分别表示N₂和SF₆的分子量，

SF₆/N₂混合气体的导热系数，可由如下公式计算：

式中：k_m为混合气体的导热系数，k₁及k₂为混合气体中两种纯气体的1和2的导热系数，x₁和x₂分别为混合气体中两种纯气体1和2的克分子分数，μ₁及μ₂分别为N₂和SF₆纯气体的粘度，M₁和M₂为两种气体的分子量，C₁和C₂为Sutherland常数，T＝300K，

SF₆/N₂混合气体的定压热容可由下式表示：

C_pm＝∑C_Piy_i，

式中：C_pi为各气体组分在系统温度及其分压p_i下的定压热容，y_i为各组分的摩尔分率。

所述的混合气体介质绝缘状态判断依据，计算时需要考虑混合气体介质物性参数、涡流场、温度场、流场和电场对GIL内绝缘状态的影响。

所述涡流场、温度场、流场，其计算为涡流场-温度场-流场多物理场耦合计算。

所述温度场，计算时需要将所述物性参数带入进行计算。

所述流场，计算时需要将所述物性参数带入进行计算。

本发明与现有技术相比具有以下的主要有益效果：

1、提出了一种GIL内绝缘判断方法。目前，GIL内绝缘状态的判断基本上均是通过型式试验的方式进行判断。本专利提供了一种从理论上判断GIL内绝缘判断的方法。

2、本发明能实现GIL长期通流条件下其绝缘动态、定量变化情况的判断。用试验的方法判断GIL内绝缘状态时，只要GIL通过相应的试验即认为GIL的绝缘满足要求。因此，试验的方法判断GIL内绝缘状态只是一种定性判断方法，其结果只有符合与不符合绝缘要求两种。本专利提出的方法可以定量计算GIL长期通流条件下其内绝缘的动态变化情况。

3、本发明提出了混合气体介质条件下GIL内绝缘状态定量判断依据。本专利通过对混合气体介质绝缘状态判断依据的定义提出了一种定量判断GIL内绝缘状态的方法。

4、采用本发明提出的混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断依据，适用于SF₆/N₂混合气体介质条件下GIL内绝缘水平的定量判断，纯SF₆气体介质属于SF₆/N₂混合气体介质中SF₆含量为100％的特殊情形，故也适用于纯SF₆气体介质条件下GIL内绝缘水平的定量判断。

5、GIL通流运行过程中，各位置的内绝缘水平并非平衡分布，采用本方法计算出的绝缘稀薄的区域，便是容易发生绝缘故障的地方，可为优化GIL内绝缘设计提供可靠依据，为准确定位绝缘故障发生区域提供理论依据。

6、本发明考虑了混合气体介质物性参数对GIL内绝缘状态的影响，系统考虑了涡流场、温度场、流场、电场对GIL内绝缘状态的影响，更符合GIL长期运行过程中GIL内绝缘水平动态变化的实际情况。

利用本发明得到的GIL内绝缘的判断方法，能定量判断出GIL内绝缘水平动态变化情况， 对提高GIL运行可靠性，保障电网安全具有重要意义。

附图说明

图1为本发明中建立的GIL内绝缘判断方法体系框图。

图2为本发明中具体实施方式的步骤8的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种SF₆/N₂混合气体介质条件下GIL内绝缘状态的判断方法，该方法中包括混合气体介质绝缘状态判断依据的定义、SF₆/N₂混合气体物性参数计算，涡流场-温度场-流场多物理场模型耦合的求解，电场分布的计算，如图1所示。所述绝缘状态判断依据的计算需要根据纯SF₆临界击穿场强，得到纯SF₆气体介质临界击穿场强表达式，再根据混合气体相对耐电强度，得到SF₆/N₂混合气体介质临界击穿场强表达式，最终得到SF₆/N₂混合气体介质绝缘状态判断依据表达式，根据所述混合气体介质绝缘状态判断依据定量判断GIL内绝缘水平。所述物性参数包括混合气体的密度、粘度、导热系数和定压热容。所述流场耦合涡流场-温度场，其计算涉及到所述SF₆/N₂混合气体物性参数，可归结为有源、非定常、可压缩、变边界条件的粘性气流场问题。本发明提供一种GIL内绝缘状态判断方法，可以定量计算由于长期运行时，工况条件的变化，母线通流温升导致的GIL内绝缘水平的动态变化情况，是一种GIL运行状态的综合判据。

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细说明，但不限定本发明。

本发明提供的是一种SF₆/N₂混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断方法，包括以下步骤：

步骤1：当GIL内采用纯SF₆气体作为绝缘介质时，纯SF₆临界击穿场强表达形式为：

式中：E表示实际电场强度，表示SF₆气体的相对分子质量；R₀为阿伏伽德罗常数；ρ为SF₆气体密度，(E/N)*值为3.56×10^-15V·cm²。

将(E/N)*＝3.56×10^-15V·cm²代入式公式1，得到公式2：

E＞E_crit＝1.467ρ (2)

其中，E表示实际电场强度，E_crit为纯SF₆临界击穿场强，单位为kV/mm，ρ为SF₆气体密度。

步骤2：SF₆/N₂混合气体是典型具有协同效应的混合气体，当SF₆含量百分比大于5％时，SF₆/N₂混合气体相对于纯SF₆气体的耐电强度可由公式3近似表示：

RES＝k^0.18 (3)

其中：RES表示相对耐电强度，k表示SF₆含量百分比。

步骤3：GIL内以SF₆/N₂混合气体作为绝缘介质时，根据步骤2得到的相对耐电强度的表达式，再结合步骤1得到的纯SF₆临界击穿场强，可得到SF₆/N₂混合气体临界击穿场强表达式，如公式4所示。

E＞E_crit＝1.467k^0.18ρ (4)

其中，E表示实际电场强度，E_crit为SF₆/N₂混合气体临界击穿场强，ρ为SF₆/N₂混合气体密度。

使用SF₆/N₂混合气体介质的临界击穿场强减去气体的实际电场强度的所得差值来定量衡量SF₆/N₂混合气体介质的绝缘水平，所得差值定义为绝缘状态判断依据E_mix，SF₆/N₂混合气体介质的绝缘状态判断依据表达式可以由公式5描述。

E_mix＝1.467k^0.18ρ-E (5)

其中k表示SF₆含量百分比，ρ表示场域内任意一点SF₆/N₂混合气体的密度，E表示相应位置的电场强度，不同工况条件下E的大小不同，E_mix表示该点SF₆/N₂混合气体介质绝缘状态判断依据。

步骤4：考虑SF₆/N₂混合气体介质的物性参数对GIL内绝缘的影响，SF₆/N₂混合气体物性参数的求解包括混合气体的密度、粘度、定压热容、导热系数。

SF₆/N₂气体混合物可以被认为是理想的不可压缩气体，其密度与气体的温度及压力有关，如公式6所述：

其中ρ_gas为SF₆/N₂混合气体密度，p是气体压力，R是通用气体常数，T是气体的温度(K)，X₁和X₂表示N₂和SF₆的摩尔分数，M₁和M₂分别表示N₂和SF₆的分子量。

SF₆/N₂混合气体的粘度受气体温度影响，N₂和SF₆气体的粘度计算如公式7所述：

其中，S是Sutherland常数，T₀＝273K，T为混合气体温度，

混合气体的粘度可以由公式8计算为：

其中μ_gas为混合气体的粘度，μ₁、μ₂分别代表在T＝300K的情况下，N₂和SF₆气体的粘度；X₁和X₂表示N₂和SF₆的摩尔分数，M₁和M₂分别表示N₂和SF₆的分子量。

根据Sutherland公式，可以得到二元混合气体的导热系数，如公式9到公式11所示：

式中：k_m为混合气体的导热系数，k₁及k₂为混合气体中两种纯气体的1和2的导热系数，x₁和x₂分别为混合气体中两种纯气体1和2的克分子分数，φ₁₂和φ₂₁分别可由公式9和公式10计算；μ₁及μ₂分别为N₂和SF₆纯气体的粘度，M₁和M₂为两种气体的分子量，C₁和C₂为Sutherland常数，T＝300K。

理想混合气体的定压热容可由下式表示：

C_pm＝∑C_Piy_i (12)

式中：C_pi为各气体组分在系统温度及其分压p_i下的定压热容，y_i为各组分的摩尔分率。

步骤5：母线中通入随时间变化的电流时，GIL母线及外壳上感应出的涡流都会使母线及外壳上产生损耗，计算三维模型正弦时变涡流场计算的控制方程如下：

其中，磁为矢量位，μ为外壳及母线材料的磁导率，σ外壳及母线材料的电导率，J_s源电流密度。

单位长度功率损耗P可由如下式计算：

P＝∫(J_s ²/σ)dV (14)

其中P为单位长度功率损耗，J_s源电流密度，σ为外壳及母线材料的电导率。

步骤6：GIL运行过程中会产生焦耳损耗和涡流损耗，使母线和外壳温度上升，导致SF₆/N₂混合气体介质温度分布随时间变化且不均匀。温度场分布考虑SF₆/N₂混合气体的物性参数，由傅里叶传热方程计算：

在上述公式中，k为SF₆/N₂混合气体的导热系数，T代表介质的温度，q_v是单位时间内单位体的物质所产生的热量，q_v＝|J|²/σ，J为总电流密度，σ为电导率，ρ为SF₆/N₂混合气体的密度，c为SF₆/N₂混合气体的定压热容，当内部达到稳态时

GIL运行过程中，SF₆/N₂混合气体受热流动随时间动态变化，根据步骤4得到的SF₆/N₂混合气体物性参数，将混合气体密度、粘度、定压热容和导热系数代入可计算混合气体的流场。三维流场的计算耦合温度场及步骤5中涡流场，可归结为有源、非定常、可压缩、变边界条件的粘性气流场问题，用三维的纳维-斯托克斯方程计算。

质量守恒方程为：

动量守恒方程为：

能量守恒方程：

其中，ρ为SF₆/N₂混合气体的密度，p为SF₆/N₂混合气体的气体压力，u_x，v_y，w_z分别为x，y，z方向气体的流动速度，g_x，g_y，g_z分别为x，y，z方向重力加速度分量，q_v是能量源项，e为单位质量物质的总能量，α为比热比，T为温度，T_ij为混合气体粘性应力张量的各个分量。

步骤7：电场的计算时采用所述温度场流场一致的模型，GIL内部气室内电场分布可由如下公式计算：

其中为电位，ε为介电常数，为已知电位。

步骤8：如图2所示，根据步骤6流场的计算得到的SF₆/N₂混合气体密度分布和步骤7求解得到的电场分布，再结合步骤3提出的混合气体介质绝缘状态判断依据表达式，可计算得到混合气体介质绝缘状态判断依据E_mix，根据混合气体介质绝缘状态判断依据E_mix的值定量判断GIL内绝缘水平动态变化情况。若得出该处E_mix远大于0，表示SF₆/N₂混合气体介质不会发生击穿，耐压水平很好，GIL内绝缘良好。反之若该处的混合气体介质E_mix小于等于0，则SF₆/N₂混合气体介质会发生击穿，GIL内绝缘遭到了破坏，以此作为GIL内绝缘判断 的依据，为准确定位绝缘故障发生区域提供理论根据。此时为保护设备不受损坏，应优化GIL内绝缘设计，提高气体介质的绝缘水平。

为了验证上述方法的正确性，以SF₆气体的含量占到20％的SF₆/N₂混合介质气体为研究对象，通过252kV三相共箱式GIL有限元仿真模型计算，得到GIL整个区域内绝缘状态判断依据E_mix均大于0，最小绝缘状态判断依据E_mix的值为2.5×10⁶V/m，最大绝缘状态判断依据E_mix的值为值5.5×10⁶V/m，通过上述方法定量判断可以得到此时GIL内绝缘良好。

本发明根据SF₆/N₂混合气体介质的绝缘状态判断依据得到了GIL内绝缘定量判断的方法。该方法考虑了SF₆/N₂混合气体物性参数、涡流场、温度场和流场对GIL内绝缘状态的影响，符合实际运行中GIL的运行状态。利用本发明得到的GIL内绝缘的定量判断方法，能可靠地判断出GIL内绝缘稀薄的区域及内绝缘水平动态变化情况，具有以下特点：

1.提出了一种GIL内绝缘判断方法。目前，GIL内绝缘状态的判断基本上均是通过试验型的方式进行判断。本发明提供了一种从理论上判断GIL内绝缘判断的方法。

2.本发明能实现GIL长期通流条件下其绝缘动态、定量变化情况的判断。用试验的方法判断GIL内绝缘状态时，只要GIL通过相应的试验即认为GIL的绝缘满足要求。因此，试验的方法判断GIL内绝缘状态只是一种定性判断方法，其结果只有符合与不符合绝缘要求两种。本发明提出的方法可以定量计算GIL长期运行、工况条件变化其内绝缘的动态变化。

3.提出了混合气体介质条件下GIL内绝缘状态定量判断依据。本发明通过对混合气体介质绝缘状态判断依据定义提出了一种定量判断GIL内绝缘状态的方法。

4.采用本发明提出的混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断依据，适用于SF₆/N₂混合气体介质条件下GIL内绝缘水平的定量判断，纯SF₆气体介质属于SF₆/N₂混合气体介质中SF₆含量为100％的特殊情形，故也适用于纯SF₆气体介质条件下GIL内绝缘水平的定量判断。

5.本发明考虑了混合气体介质物性参数对温度场和流场的影响。

6.本发明考虑了涡流场、温度场、流场和电场分布对GIL内绝缘状态的影响。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断方法，其特征是一种SF₆/N₂混合气体介质条件下GIL内绝缘状态的判断方法，该方法包括混合气体介质绝缘状态判断依据的定义、SF₆/N₂混合气体物性参数计算，涡流场-温度场-流场多物理场模型耦合的求解，以及电场分布的计算，该方法考虑长期运行时，工况条件的变化，母线温升对内绝缘状态的影响，实现对GIL内绝缘状态动态变化情况进行定量判断。

2.根据权利要求1所述的混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断方法，其特征在于：该判断方法需要对SF₆/N₂混合气体介质绝缘判断依据进行定义，通过该依据定量判断GIL内绝缘水平动态变化情况。

3.根据权利要求2所述的混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断方法，其特征在于：所述SF₆/N₂混合气体介质绝缘状态判断依据需要求解纯SF₆气体的临界击穿场强，再根据相对耐电强度，得到SF₆/N₂混合气体介质绝缘状态判断依据。

4.根据权利要求3所述的混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断方法，其特征在于：当GIL内以SF₆/N₂混合气体作为绝缘介质时，得到以下计算SF₆/N₂混合气体临界击穿场强表达式：

E＞E_crit＝1.467k^0.18ρ，

其中，E表示实际电场强度，E_crit为SF₆/N₂混合气体临界击穿场强，k表示SF₆含量百分比，ρ为SF₆/N₂混合气体密度。

5.根据权利要求4所述的混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断方法，其特征在于：使用SF₆/N₂混合气体介质的临界击穿场强减去气体的实际电场强度的所得差值来定量衡量SF₆/N₂混合气体介质的绝缘水平，所得差值定义为绝缘状态判断依据E_mix，SF₆/N₂混合气体介质的绝缘状态判断依据表达式由以下公式表示：

E_mix＝1.467k^0.18ρ-E，

式中：k表示SF₆含量百分比，ρ表示场域内任意一点SF₆/N₂混合气体的密度，E表示相应位置的电场强度，不同工况条件下E的大小不同，E_mix表示该点SF₆/N₂混合气体介质绝缘状态判断依据。

6.根据权利要求1所述的混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断方法，其特征在于：所述SF₆/N₂混合气体介质需要计算混合气体物性参数，所述混合气体物性参数包括混合气体的密度、粘度、定压热容、导热系数；

SF₆/N₂混合气体的密度可由如下公式计算，

其中ρ_gas为SF₆/N₂混合气体密度，p是气体压力，R是通用气体常数，T是气体的温度(K)，X₁和X₂表示N₂和SF₆的摩尔分数，M₁和M₂分别表示N₂和SF₆的分子量，

N₂和SF₆气体的粘度计算如下公式所述：

其中，S是Sutherland常数，T₀＝273K，T为混合气体温度，

SF₆/N₂混合气体的粘度可以由如下公式计算：

其中μ_gas为混合气体的粘度，μ₁、μ₂分别代表在T＝300K的情况下，N₂和SF₆气体的粘度；X₁和X₂表示N₂和SF₆的摩尔分数，M₁和M₂分别表示N₂和SF₆的分子量，

SF₆/N₂混合气体的导热系数，可由如下公式计算：

式中：k_m为混合气体的导热系数，k₁及k₂为混合气体中两种纯气体的1和2的导热系数，x₁和x₂分别为混合气体中两种纯气体1和2的克分子分数，μ₁及μ₂分别为N₂和SF₆纯气体的粘度，M₁和M₂为两种气体的分子量，C₁和C₂为Sutherland常数，T＝300K，

SF₆/N₂混合气体的定压热容可由下式表示：

C_pm＝∑C_Piy_i，

式中：C_pi为各气体组分在系统温度及其分压p_i下的定压热容，y_i为各组分的摩尔分率。

7.根据权利要求1所述的混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断方法，其特征在于：所述的混合气体介质绝缘状态判断依据，计算时需要考虑混合气体介质物性参数、涡流场、温度场、流场和电场对GIL内绝缘状态的影响。

8.根据权利要求7所述的混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断方法，其特征在于：所述涡流场、温度场、流场，其计算为涡流场-温度场-流场多物理场耦合计算。

9.根据权利要求8所述的混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断方法，其特征在于：所述温度场，计算时需要将所述物性参数带入进行计算。

10.根据权利要求8所述的混合气体介质条件下GIL内绝缘状态判断方法，其特征在于：所述流场，计算时需要将所述物性参数带入进行计算。