高电压等级混合气体介质下GIS紧凑化设计方法与流程

本发明属于高压绝缘技术领域，尤其涉及高电压等级混合气体介质下gis紧凑化设计方法。

背景技术：

随着城市用电量的急剧增加，亟需越来越多的变电站进入城郊及市区，迫切要求gis进一步减小占地面积从而顺应发展需求。同时人们对环境问题的关注度日益提高，也对gis的环保化提出了新的要求，即小型化、紧凑化和环保化是gis未来发展的方向。于高电压等级下对gis进行环保化、小型化、紧凑化设计，要解决介质变化以及结构变化的问题。

目前从替代气体的适用化角度来看，若要解决gis环保化问题，可以采取的解决措施为改变绝缘介质，采用sf6的替代气体。若采用新的设计方法使gis母线绝缘性能不降低的同时减少sf6气体的使用量，减少温室气体危害，对国家节能减排有着重要意义。已有研究表明，使用sf6/n2混合气体可以在不降低绝缘性能前提下减少温室气体使用量。同时sf6/n2混合气体通过增加气压可获得与纯sf6气体相同的绝缘强度。此外还具有其它优点如显著降低设备制造成本，电场畸变敏感性低从而减少gis内部放电、液化温度低等优点，且相关理论与应用已较为成熟，故使用sf6/n2混合气体推进gis环保化的发展。

对于高电压等级gis的结构问题，参考国内研究现状表明，其普遍采用三相分箱式设计，占地面积大，不利于gis的小型化。而330kv及以上电压等级gis暂无三相共箱式设计，原因在于无法平衡绝缘水平以及设备尺寸之间的关系。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高电压等级sf6/n2混合气体介质条件下gis紧凑化设计方法，能够实现高电压等级gis的环保化、小型化、紧凑化。

为实现上述目的，本发明采用和技术方案是：高电压等级sf6/n2混合气体介质下gis紧凑化设计方法，包括采用sf6/n2混合气体替代sf6，且采用三相共箱式gis结构；包括以下步骤：

步骤1、不同混合比条件下sf6/n2混合气体介质的工程应用条件的确定包括以下子步骤；

步骤1.1、确定sf6/n2混合气体的混合比；

步骤1.2、确定sf6/n2混合气体的应用压强；

步骤1.3、计算sf6/n2混合气体物性参数，并对计算结果进行拟合分析；

步骤2、判断sf6/n2混合气体介质应用于gis内的绝缘水平包括以下子步骤；

步骤2.1、建立sf6/n2混合气体绝缘裕度模型；

步骤2.2、计算sf6/n2混合气体临界击穿场强；

步骤2.3、判定sf6/n2混合气体绝缘水平；

步骤3、确定sf6/n2混合气体介质条件下gis母线紧凑化设计原则以及最优化尺寸包括以下子步骤；

步骤3.1、定义sf6/n2混合气体介质条件下gis母线紧凑化系数，确定紧凑化原则；

步骤3.2、确定满足sf6/n2混合气体绝缘水平的最小结构。

在上述的高电压等级sf6/n2混合气体介质下gis紧凑化设计方法中，步骤3.1所述定义gis母线紧凑化系数步骤包括：

步骤3.1.1、定义紧凑化系数为：v1为分箱式母线体积，v2为共箱式母线体积；

步骤3.1.2、紧凑化原则为：三相共箱式结构总体积不大于三相分箱式体积之和；且绝缘水平满足绝缘设计基准；

3λ×πr1²≥πr2²

其中，r1为分箱式母线内半径，r2为三相共箱式母线的内半径，λ为结构紧凑化系数。

在上述的高电压等级sf6/n2混合气体介质下gis紧凑化设计方法中，步骤3.2的实现采用流程化计算方法，包括以下子步骤；

步骤3.2.1、输入基准gis母线尺寸；

步骤3.2.2、对gis母线进行多物理场耦合计算；

步骤3.2.3、判断击穿裕度是否大于绝缘设计基准；

步骤3.2.4、若是，则减小紧凑化系数λ，再返回步骤3.2.2；

步骤3.2.5、若否，则输出上一循环紧凑化系统λ及对应gis母线尺寸参数，得到最紧凑化尺寸。

在上述的高电压等级sf6/n2混合气体介质下gis紧凑化设计方法中，紧凑化系数λ从1开始递减。

本发明的有益效果是：1、本发明将绝缘介质采用sf6/n2混合气体代替纯sf6气体，sf6气体用量大大减少，从而减少了空气污染。该方法充分考虑了sf6/n2混合气体已有系统深入研究，应用成熟，其绝缘水平符合工程应用要求，同时降低成本，更为环保。

2、本发明采用三相共箱式结构设计方法，解决了gis绝缘水平以及设备尺寸之间平衡的问题，提高了高电压等级混合气体介质条件下gis的紧凑程度。

3、本发明采用三相共箱式结构设计方法，对gis结构紧凑化进一步优化，为得到最紧凑化的母线结构，定义了紧凑化系数即所设计母线体积与三相分箱式体积之比，进一步实现高电压等级混合气体介质条件下gis的小型化。

4、本发明对不同紧凑系数下绝缘裕度变化规律进行计算得到对应关系，使用流程化设计得到最紧凑化尺寸。最终结果表明高电压等级下，采用sf6/n2混合气体代替纯sf6气体减少sf6气体用量，采用三相共箱式gis结构体积相对分箱式gis结构体积有所减小，有效地实现了gis的环保化、紧凑化与小型化，符合工程实际，经济环保效益巨大。

利用本方法能有效实现gis的小型化、紧凑化、环保化。此种sf6/n2混合气体介质条件下gis紧凑化的设计方法可以用于高电压等级的gis设计之中。

附图说明

图1为本发明一个实施例高电压等级混合气体sf6/n2介质下gis紧凑化设计方法示意框图；

图2为本发明一个实施例sf6/n2混合气体压力、sf6气体含量、固有电气强度标幺特性图；

图3为本发明一个实施例混合气体预充压力随sf6气体百分比变化曲线；

图4为本发明一个实施例中的仿真模型；

图5为本发明一个实施例中流程化计算方法流程图；

图6为本发明一个实施例中高电压等级混合气体sf6/n2介质下gis紧凑化设计方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

本实施例应用于高电压等级(≥330kv)，对高电压等级下的gis进行了三相共箱式设计，平衡了绝缘介质绝缘水平与设备尺寸之间的关系。此种设计除了缩小其尺寸，更可以简化结构和gis整体布置，是其实现小型化的有效途径。最大程度提高了gis紧凑程度，减少材料的使用，降低成本，由于长度减少，也相应减少了现场安装和维护的工作量。

对于gis三相共箱式设计，采取了优化措施，确定了紧凑化设计原则，将三相共箱式gis的结构在满足绝缘设计标准的同时，进一步优化为最紧凑化尺寸，使gis在体积已经减小的前提下结构更加紧凑。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种高电压等级sf6/n2混合气体介质条件下gis紧凑化的设计方法，包括不同混合比条件下混合气体介质的工程应用条件的确定、混合气体介质应用于gis内绝缘水平的判断、混合介质条件下高电压等级gis母线紧凑化设计原则的确定以及最优化尺寸设计的确定。混合气体绝缘水平判断包括混合气体介质临界击穿场强的计算，在此基础上引入绝缘裕度概念，进而建立多物理场耦合的绝缘裕度计算模型，根据绝缘裕度计算结果判断gis内绝缘水平。其中，建立绝缘裕度模型包括多物理场耦合模型计算和不同混合比的混合介质气体的物性参数计算与结果拟合；紧凑化设计原则确定与优化包括引入紧凑化系数概念并定义紧凑化设计原则、绝缘裕度设计基准和流程化设计步骤。具体步骤如图1所示，首先确定sf6/n2混合气体的混合比，确定sf6/n2混合气体的应用压强，计算sf6/n2混合气体物性参数，并对计算结果进行拟合分析。再建立sf6/n2混合气体绝缘裕度模型，计算sf6/n2混合气体临界击穿场强，判定sf6/n2混合气体绝缘水平。最后定义sf6/n2混合气体介质条件下gis母线紧凑化系数，确定紧凑化原则，确定满足sf6/n2混合气体绝缘水平的最小结构。

本实施例采用sf6/n2混合气体替代纯sf6，不降低绝缘性能前提下，减少sf6气体的使用量，实现高电压等级下gis环保化。

判断不同混合气体混合比条件下绝缘水平包括不同sf6/n2气体混合比和对应混合比气压的确定，依据流注理论得到sf6/n2临界击穿场强计算表达式，利用绝缘裕度判断混合气体绝缘水平是否满足设计标准。

绝缘裕度计算模型的建立需进行电场-温度场-流场-涡流场的多物理场耦合计算。对gis导体及外壳产生损耗进行计算，并将损耗作为热源加入模型中。利用流动连续方程、动量方程以及能量方程对母线和外壳间的自然对流换热进行耦合场分析，考虑到辐射散热的影响，在母线导体表面与金属外壳的表面施加相应的辐射散热系数。

混合气体物性参数计算与参数拟合基于混合气体间的相互协同效应，利用pr方程建立物性集进行混合气体物性参数计算，并利用多项式拟合的方法物性参数随温度变化的曲线拟合，将拟合得到的表达式采用r²检验代入耦合场模型中。

高电压等级gis结构国内研究现状表明高电压等级gis普遍采取三相分箱式设计，纯sf6介质条件下暂无共箱式设计经验，而采用sf6/n2混合气体作为绝缘介质应用于gis在工程上尚属探索阶段，本实施例致力于解决sf6/n2混合气体大规模应用于gis后的设备尺寸与绝缘水平之间的平衡问题，故采取三相共箱式设计。

紧凑化设计原则的确定与优化考虑到在三相共箱式设计基础上进一步优化，实现高电压等级混合气体介质条件下gis的紧凑化。额定工况下计算电场分布求得绝缘裕度大小，定义紧凑化系数，基于绝缘水平设计基准进行紧凑化设计原则的确定。为解决混合气体介质下gis设备尺寸与绝缘水平平衡问题并考虑到模型复杂，建模工作繁琐，求解和优化需通过多次迭代计算，判断gis绝缘水平、更改模型参数重新建模等工作量巨大，故采用流程化设计方法。计算结构紧凑化系数由1开始递减时，绝缘裕度的变化规律，找到满足绝缘设计基准下紧凑化系数λ的最小值，最终得到最紧凑化尺寸。

具体实施时，高电压等级sf6/n2混合气体介质条件下gis紧凑化设计方法包括如下步骤：

s1：对sf6/n2混合气体介质进行绝缘水平判断，并与纯sf6气体绝缘水平进行对比。

纯sf6气体击穿判据为：

ecrit＝kρ(1)

其中，ecrit为sf6气体临界击穿场强，单位为kv/mm；ρ为混合气体的密度，单位为kg/m³；k值根据电场形式确定，其值一定，均匀电场中为1.467。

s2：引入绝缘裕度的概念，即用sf6/n2混合气体临界击穿场强ec'rit与实际场强之间的差值em描述sf6/n2混合气体的实际绝缘水平，如公式(2)所述：

em＝e’crit-e(2)

当em>>0时，表明混合气体绝缘水平良好；当em<0，表明混合气体已被击穿，绝缘遭到破坏；若em接近于零，则表明混合气体有被击穿的危险。

sf6/n2混合气体与纯sf6气体之间的线性关系可以利用标幺特性图确定。

其中，x％为混合气体中sf6的气体含量百分比。

标幺固有电气强度其数据拟合表达式为：

sf6标幺量q⁰，其曲线表明混合气体中sf6量几乎呈线性增加，其数据拟合表达式为：

q⁰＝-0.0001x²+0.0158x+0.0086(5)

相同绝缘强度下标幺压力p⁰，其数据拟合表达式为：

p⁰＝0.0002x²-0.0192x+1.7443(6)

sf6/n2混合气体的压力p⁰、sf6气体含量q⁰与固有电气强度的标幺特性图如图2所示。

sf6/n2混合气体压力的确定。对于sf6气体体积比超过10％的sf6/n2混合气体，x％sf6的混合气体与纯sf6气体的耐电强度比值r可定义为：

气体压力与绝缘耐电强度的关系可表示为：

ep＝e0.1(10p)ⁿ(8)

式中e0.1为p＝0.1mpa时的气体击穿场强；n反映电极表面粗糙度程度。由式7、式8可得到欲达到与纯sf6气体(充气压力为psf6)相同耐电强度，混合气体所需的充气压力pg＝psf6x^-0.18/n。

sf6/n2混合气体与纯sf6气体达到相同绝缘强度时，sf6/n2混合气体所需气压与纯sf6气体气压之比曲线如图3所示。

s3：建立绝缘裕度模型与电场-温度场-流场-涡流场多物理场耦合计算模型。求解gis壳体及外壳产生的损耗并作为热源加入模型。其仿真模型如图4所示。

母线与外壳间通过气体流动来换热，根据n-s方程对母线和外壳间的自然对流换热进行耦合场分析。考虑到辐射散热的影响，在母线导体表面与金属外壳的表面施加相应的辐射散热系数。

s4：利用pr方程建立物性集的方法，考虑混合气体间的相互协同效应，计算混合气体物性参数。在仿真计算的基础上利用回归分析法对混合气体物性参数随温度变化曲线进行拟合，最终采取r²检验。可得到气体粘度、密度、定压热容与导热系数的拟合表达式。上述拟合表达式可以得到物性参数随温度的变化规律。

s5：计算额定工况下的电场分布进而获得绝缘裕度的大小。对gis三相母线加三相对称电压进行瞬态电场分布求解，方程如下：

控制方程为：

边界条件：

初始条件：

式中，ε为电介质的介电常数，这里是变量，需考虑温度等因素对其数值的影响；为电位；代表gis外壳的边界条件，电势为0；为母线电压峰值。

s6：紧凑化设计原则的确定。定义共箱式母线体积与分箱式母线体积之比为紧凑化系数，即v1为分箱式母线体积，v2为共箱式母线体积。紧凑化原则为：三相共箱式结构总体积不大于三相分箱式体积之和；绝缘水平满足设计基准的要求。根据以上定义，紧凑化原则如公式12所述：

3λ×πr1²≥πr2²(12)

其中，r1为分箱式母线内半径，r2为三相共箱式母线的内半径，λ为结构紧凑化系数。

s7：紧凑化设计的优化。采用流程化设计方法，判断混合气体绝缘水平是否满足绝缘设计基准，输入基准尺寸并进行多物理场分布计算，确定紧凑化系数与绝缘裕度的变化规律，找到满足绝缘设计基准下紧凑化系数λ的最小值及最紧凑化尺寸。计算流程如图5所示。根据其流程得到不同紧凑化系数λ与最小绝缘裕度的对应关系。

本实施例将sf6/n2混合气体的绝缘裕度判据和gis母线紧凑化设计原则相结合，如图6所示。该方法充分考虑了通流损耗、气体流动及重力等影响因素，也考虑了混合气体协同效应对气体物性参数的影响。在高电压等级(≥330kv)下，利用本实施例得到的sf6/n2混合气体介质条件下三相共箱gis在正常运行状态下绝缘水平满足要求。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。