不同气压对SF6热分解反应的作用机制研究

不同气压对SF 6 热分解反应的作用机制研究

原 发表在《高压电器》2020年第12期。

DOI：10.13296/j.1001-1609.hva.2020.12.014

不同气压对SF 6 热分解反应的作用机制研究

赵天成 1 ，佘新 2 ，李琦 3 ，刘赫 1 ，林海丹 1

0

1

摘要

中为了研究气压对SF6 热分解反应的作用机制，构建了SF6 分解气室的多物理场仿真模型，计算了不同气压下SF6 分解气室内部的温度场和流体场分布；在微观角度上基于碰撞理论推导得到了气压对SF6 过热分解反应的影响特性；并结合不同气压下SF6 局部过热分解实验数据，阐释了气压对SF6 热分解反应的作用机制。研究结果表明：随着SF6 气压的升高，热源附近高温区域的体积增大，同时等温域内SF6 与H2 O和O2 分子有效碰撞次数增加，在双重促进作用下致使SF6 过热分解速率明显加快。实验结果与仿真计算以及微观理论推导得出的结论相互印证，SF6 气体的过热分解速率对气压有明显正响应的效果。以上的研究结果可以为将来采用DCA对SF6 气体绝缘装备进行绝缘状态监测提供理论支撑。

0

2

近年来国家大力发展超/特高压输变电工程，SF 6 气体绝缘设备因其可靠性高，占地面积小等优点被广泛地应用在了超/特高压输变电工程和环境恶劣地区的电力建设中。

但SF 6 气体绝缘设备内部的开关位置会因为镀银层脱落、动静触头中心轴位偏移等设备制造工艺问题，使得触头连接处接触不良，局部接触电阻增加。在接触不良位置通过大电流的情况下，会产生大量的焦耳热，使局部的接触不良缺陷进一步恶化，最终形成局部过热性故障(partialover-thermalfault，POF)。

由于SF 6 气体绝缘设备是全封闭结构，目前，对POF的检测方法停留在用红外对SF 6 气体绝缘设备外壁温度的监测，但设备外壁温度受到环境温湿度、太阳辐射等影响很大，可靠性低。目前国内外研究表明，SF 6 局部过热分解组分浓度和特征量与过热温度、气室中微水微氧浓度、SF 6 气体压力、金属材料和吸附剂等因素相关联。因此可以通过SF 6 分解组分分析法(decomposedcomponentsanalysis，DCA)监测SF 6 气体绝缘设备的POF。但对SF 6 局部过热分解机理的研究目前仅停留在局部过热温度和气室中微水微氧浓度这些影响因素因素，并未拓宽到气压因素。实际运行的SF 6 气体绝缘设备因电压等级不同、气室功能不同会相对应充入不同气压的SF 6 气体。现有研究表明：SF 6 在局部放电和火花放电时，气压与其分解特性存在关联性。因此十分有必要研究气压对SF 6 热分解反应的作用机制。

为此，在前期实验研究基础上， 中构建了SF 6 分解气室多物理场仿真计算模型，通过有限元计算方法研究了气压对SF 6 分解气室内部温度场与流体场分布的影响特性，并结合了分子碰撞理论，解释了不同气压下SF 6 分解反应的规律。从宏观的物理场角度和微观的化学反应角度研究了气压因素对SF 6 过热分解的影响机制。为将来采用DCA对SF 6 气体绝缘设备进行绝缘状态监测提供理论支撑。

1SF 6 局部过热分解气室温度场仿真模型构建

1.1 几何模型构建

1.2 温度—流体场数学模型建立

2 温度—流体场仿真结果分析

2.1 整体气室温度场与流体场结果分析

2.2 局部过热源附近温度场分析

3 气压对SF 6 过热分解的影响机制

3.1 气压在温度场方面对SF 6 分解速率的影响

3.2 气压在等温域内对SF 6 分解速率的影响

3.3 实验结果对比分析

0

3

结论

1)SF 6 分解气室温度场计算结果表明，气压的变化会影响气室外壁的温度场分布，但并不会因为气压的升高导致外壁参与反应。

2)气室内部的温度场仿真结果表明，热源附近高温区域的体积随着气压的升高而增大，进而导致SF 6 局部过热分解的剧烈程度会随着气压的升高而增加。

3)由碰撞理论推导可知，气室内SF 6 气压升高时，单位体积内SF 6 分子个数增多，使得单位时间内SF 6 与H 2 O和O 2 分子有效碰撞次数增加，致使SF 6 过热分解速率加快。

4)实验结果与仿真计算以及微观理论推导得出的结论相互印证。在双重促进作用的影响下，SF 6 气体的过热分解速率对气压有明显正响应的效果。

0

4

0

5

赵天成，佘新，李琦，等.不同气压对SF6 热分解反应的作用机制研究[J].高压电器，2020，56(12)：103-109.

ZHAO Tiancheng，SHE Xin，LI Qi，et al. Study on the mechanism of different air pressure on thermal decomposition of SF 6 [J]. High Voltage Apparatus，2020，56(12)：103-109.