特高压GIL管廊竖井中SF6泄漏特性的数值模拟研究

特高压GIL管廊竖井中SF6 泄漏特性的数值模拟研究

DOI：10.13296/j.1001-1609.hva.2021.01.005

特高压GIL管廊竖井中SF 6 泄漏特性的数值模拟研究

卞超 1 ，关为民 1 ，王国良 1 ，赵矗 2

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摘要

SF6 气体作为管廊事故泄漏的隐患，目前在工程中受到越来越多的关注。由于管廊运输距离远、结构复杂，采用试验测量的方法可行性差，故采用数值模拟的方法进行研究。 中针对气体绝缘输电线路(gas insulatedtransmission line，GIL)管廊中的事故泄漏工况，考虑自然对流，进行三维建模，利用有限元计算进行了管廊竖井内SF6 时间及空间分布特性的数值计算研究。结合苏通GIL综合管廊工程特点，研究了泄漏气体在管廊竖井内的空间分布特性，不同风速对泄漏气体排出时间的影响，以及在一定泄漏时长内竖井空间截面处气体体积分数的变化规律。结果表明：泄漏持续时，泄漏口附近体积分数最高，管廊左右两侧的竖井的SF6 体积分数明显高于其他区域；泄漏气体在重力及主流作用下，团状高体积分数泄漏气体向竖井后下方转移；不同风量条件下，SF6 体积分数分布基本相同；泄漏前期竖井最高体积分数迅速下降，泄漏后期体积分数缓慢下降；风机台数越少，SF6 体积分数降至阈值以下需要时间更长。

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气体绝缘输电线路(gasinsulatedtransmissionline，GIL)具有电压等级高、输送容量大、电能损耗低、电磁干扰小等优点，且在传统架空线路受约束的区域，如需要跨越海峡、大江等条件下具有巨大的优势，因此目前得到了广泛的应用。苏通1100kVGIL管廊工程是目前世界上电压等级最高、输送容量最大、技术水平最高的超长距离GIL创新工程。但是在实际运行过程中，电力设备不可避免的会出现问题或损坏，导致SF 6 气体泄漏，同时由于地下管廊地形复杂，有效监测并及时排除危险气体对保障周围工作人员的人身安全和设备的正常运行尤为重要。

目前针对危险气体扩散的研究已经取得了一定的成果。周宁等通过可视化技术开展了多源气体泄漏扩散的实验，结果表明，可视化研究对罐区内重质气体泄漏扩散的全过程具有较好的展示，同时，泄漏源的位置对气体的扩散具有较大的影响，泄漏源的间距越大，气体扩散越快，能够扩散的范围越大，当两个泄漏源位置靠的很近时，中间区域极易形成高体积分数叠加区域，危害也就越大。丁慧心等研究了出线井中的气体扩散分布情况，分析了泄漏量对气体体积分数分布的影响以及通风量对气体体积分数分布的影响。

危险气体在大气环境中发生泄漏后，经过原始泄漏扩散过程之后，形成危险气体与空气的混合气体。混合气体在空气中的扩散情况，根据混合气体的密度等属性差异，可分为几种不同的扩散模型：主要有高斯模型，BM模型、Sutton模型等。危险气体在大气中的扩散过程的仿真研究也越来越普遍。目前关于气体的泄漏扩散仿真计算模型，比较有名有稠密气体扩散模型，概率密度模型和三维有限元模型等。

利用三维有限元模型进行模拟仿真，采取湍流统计理论分析研究扩散障碍物及复杂扩散条件下气体泄漏扩散过程是当前该领域的一个研究趋势。孟志鹏、王淑兰等人提出了一种基于 k - ε 湍流模型的气体泄漏扩散的三维数值模拟方法，对乙炔气体扩散试验的风场和气体体积分数分布等进行了数值模拟，并将数值模拟的结果与风洞试验数据进行了分析和比较，计算结果反映出了乙炔气体扩散的质量体积分数分布情况及风洞中的气流和湍流情况。

随着GIL的推广使用，其对电 稳定运行的重要性也显著提高，如何准确、稳定、可靠地监测运行中GIL的安全隐患逐渐成为高压电气设备巡检工作的重点和难点。特别是对于隧道型GIL，由于大多敷设于地下，且隧道空间狭小，人工巡检工作难度较大。实时有效的监测其运行状态，并在故障发生后及时判定故障类型、确定故障位置、评估故障的严重程度，将有利于尽早采取紧急措施，缩短故障范围和故障时间，最大程度地降低损失，保障电 的安全稳定运行。 中针对GIL管廊内发生事故泄漏的工况，分析了管廊竖井内有限空间条件下，SF 6 气体体积分数在不同通风量影响下的空间和时间分布情况，为实时监测布点及事故措施方案提供参考。

1泄漏原因及数值计算方法

1.1 泄漏原因

1.2 数值计算方法

2计算物理模型

2.1模型简化

2.2仿真参数及边界条件

3计算结果及分析

3.1泄漏气体的空间分布特性

3.2风量对泄漏气体体积分数的影响

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结论

中根据苏通GIL综合管廊工程的特点，利用有限元方法研究了泄漏的SF6 气体在管廊竖井内的空间分布，不同风速对泄漏气体排出时间特性的影响，以及在一定泄漏时长内竖井空间截面处气体体积分数的变化，为实时监测布点及事故应急方案提供参考，主要得出以下结论：

1)60s时刻，泄漏口附近体积分数最高，管廊内的体积分数高于竖井，在竖井右侧腔室内形成较高的体积分数空间。在1.5m横断面上，管廊左右两侧的竖井的体积分数明显高于其他区域。随着时间的推移，SF 6 的总体体积分数值逐渐降低的。1.5m横断面上有3处体积分数明显高于其他区域，分别位于管廊两侧和风道下方。这部分气体脱离主流区域，较难被主流带走，主流区域随着泄漏停止，被通风不断稀释，体积分数迅速降低，而漩涡区域只能依靠于主流掺混缓慢被稀释。建议在此区域布置泄漏监测点，监测此处SF 6 气体体积分数，以便判断管廊内SF 6 气体残余情况。

2)泄漏气体受重力作用，并在主通道气流带动下，团状高体积分数泄漏气体区域逐渐向竖井后下方转移，体积分数逐渐下降，建议在管廊较低位置处布置监测点，以便更准确监测泄漏气体情况。

3)不同风量条件下，SF 6 体积分数分布基本保持一致，呈现出水平管廊两侧体积分数较高，主流区域体积分数较低的规律。随着风量的增加，竖井中SF 6 体积分数逐渐降低，随着SF6泄漏停止，高体积分数区域逐渐向竖井后方转移。

4）第60s至120s时刻竖井最高体积分数迅速下降，SF6随着主流通风迅速排出。而120s至300s时刻体积分数缓慢下降，此时SF 6 主要集中在几个较难排出的区域，随着主流的带动掺混而逐渐排出，两台风机和3台风机通风条件下在300s时刻体积分数均已降至1000μL/L以下，而单台风机则需要更长时间。建议在工程实际应用中，事故泄漏时同时开启3台风机，以便以最快速度将泄漏气体排出。

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卞超(1978—)，男，正高级工程师，长期从事高压开关类设备管理、检测工作(E-mail：crimson1234@163.com)。

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卞超，关为民，王国良，等.特高压GIL管廊竖井中SF6 泄漏特性的数值模拟研究[J].高压电器，2021，57(1)：33-40.

BIAN Chao，GUAN Weimin，WANG Guoliang，et al. Numerical simulation study on SF 6 leakage characteristics in shaft of UHV GIL pipe[J]. High Voltage Apparatus，2021，57(1)：33-40.