基于FLUENT的示踪氦气...气中扩散规律及泄漏检测研究_顾寅.pdf

第 24 卷 第 6 期 2023 年 6 月 电 气 技 术 Electrical Engineering Vol.24 No.6Jun.2023 基于 FLUENT 的示踪氦气在 GIS 绝缘空气中扩散规律及泄漏检测研究 顾 寅1 缪 金1 肖焓艳2 许鹏飞1 王幸辉3（1.国网江苏省电力有限公司无锡供电分公司，江苏 无锡 214000；2.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，南京 211103；3.河南省日立信股份有限公司，郑州 450001）摘要 为控制温室效应，减少 SF6气体的使用量，气体绝缘开关设备（GIS）开始尝试采用环保气体洁净空气作为绝缘介质，但气体压力必须满足额定压力要求。为能及时发现泄漏，在洁净空气中加入示踪氦气，通过监测示踪氦气来判定绝缘介质泄漏状态及泄漏点位置分布。结合洁净空气泄漏检测评估实验装置模型，基于 FLUENT 软件，采用 SpaceClaim 搭建二维气体传递现象模型，进行实际尺寸的 GIS 母线内洁净空气背景下充入不同压力示踪氦气后泄漏扩散分布规律的仿真研究。分析充入 1kPa 示踪氦气后，不同泄漏点位置示踪氦气的分布情况，以及不同泄漏点位置检测到氦气的时间顺序。结果显示，GIS 母线内壁附近氦气浓度分布高于中间层区域，氦气分压为 1kPa 时，泄漏口 A、B、C 位置分别在 50s、350s、850s 时开始检测到示踪氦气的存在。示踪氦气泄漏的传感器检测实验结果显示，在 A、B、C 三个泄漏口检测到示踪氦气的时间分别为 39s、313s、809s，与基于 FLUENT 的理论分析结果基本一致。母线内扩散平衡后三个泄漏口检测到的氦气体积分数均为 1 402L/L，与分压法配制的示踪氦气理论体积分数 1 426L/L 吻合较好。该方法可为 GIS 中洁净空气泄漏检测及泄漏点传感器位置的优化布置提供理论参考。关键词：气体绝缘开关设备；洁净空气；示踪氦气；扩散分布；气体检测 Research on the diffusion law and leakage detection of tracer helium in GIS insulated air based on FLUENT GU Yin1 MIAO Jin1 XIAO Hanyan2 XU Pengfei1 WANG Xinghui3(1.Wuxi Power Supply Company of State Grid Jiangsu Electric Power Co.,Ltd,Wuxi,Jiangsu 214000;2.Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co.,Ltd,Nanjing 211103;3.Henan Relations Co.,Ltd,Zhengzhou 450001)Abstract To control the greenhouse effect and reduce the use of SF6 gas,the gas insulated switchgear(GIS)is gradually trying to use environmentally friendly gas and clean air as the insulation medium,but the gas pressure must meet the rated pressure.In order to detect leakage in time,tracer helium is added into clean air to determine the leakage state of insulating medium and the location distribution of leakage points by monitoring the tracer helium.Combined with the clean air leakage detection and evaluation experimental device model,SpaceClaim is used to build a two-dimensional gas transfer phenomenon model based on FLUENT software,and the leakage diffusion distribution law after filling different pressure tracer helium in the clean air background in the GIS bus with actual size is simulated.After 1kPa of tracer helium is filled,the distribution of tracer helium at different leakage points and the time sequence of detection of helium at different leakage points are analyzed.The results show that the helium concentration near the inner wall of the GIS bus is higher than that in the interlayer area.When the partial pressure of helium is 1kPa,the presence of tracer helium is detected at positions A,国网江苏省电力公司科技项目（B7103022304P）2020 年国家电网有限公司科技项目（52200020002F）2023 年 6 月 顾 寅等 基于 FLUENT 的示踪氦气在 GIS 绝缘空气中扩散规律及泄漏检测研究 43 B and C of the leakage port in the 50s,350s and 850s,respectively.The experimental results of sensor detection of tracer helium leak show that the detection time of tracer helium at the three leakage ports A,B and C are 39s,313s and 809s respectively,which is basically consistent with the theoretical analysis results based on FLUENT.The gas concentration detected at the three leakage ports after diffusion equilibrium in the bus is 1 402L/L,which is in good agreement with the theoretical tracer helium concentration of 1 426L/L prepared by partial pressure method.This method can provide theoretical reference for clean air leakage detection in GIS and the optimal location of leakage point sensor.Keywords：gas insulated switchgear(GIS);clean air;tracer helium;diffusion distribution;gas detection 0 引言 随着国民经济的发展，电力行业得到了跨越式飞速发展，SF6气体的使用量大幅增加。SF6气体绝缘设备的调试、检修及气体的回收净化过程都会增加 SF6气体泄漏的风险，从而增大其进入大气环境的可能。SF6气体具有强烈的温室效应，其全球变暖潜 能（global warming potential,GWP）值 高达23 900，大气代谢寿命约 3 200 年，被列为六大温室气体之一，并被禁止排放1-5。西门子公司提出真空开断技术，将环保型的洁净空气作为绝缘介质应用于气体绝缘开关设备（gas insulated switchgear,GIS）。整个电气设备可从根本上杜绝 SF6气体的使用，从而减少温室气体的排放。作为绝缘介质，洁净空气在电气设备中要求气体压力（密度）必须满足额定压力要求（以 SF6断路器额定压力 0.58MPa，最低闭锁压力 0.52MPa）6-7。如果设备存在气体泄漏，将造成气室内压力过低，影响设备的绝缘性能。气体压力可通过带数字远程的密度表来实时检测，但是设备的泄漏点无法确定，如果不能找到泄漏点，就无法解决气体的泄漏问题，需要运维人员不定时补气，若泄漏量太大则需要频繁补气。为了能够检测到设备的泄漏点，可以在洁净空气中添加示踪气体，通过检测示踪气体来判定泄漏点位置，完成设备泄漏检修。刘瑶8、张学博9、江翠翠10等诸多学者采用氖气、SF6、氦气等作为示踪气体对煤矿矿井通风、地下天然气管道泄漏扩散、气密性检测等进行研究。其中，氦气分子量小、扩散性强、渗透率高，在正常 空 气 环 境 中 的 含 量 很 少，其 体 积 分 数 约 为5.20L/L；氦气是无毒无色无味的惰性气体，正常情况下可作为介质存在于所有物体中，且不发生反应；氦气在质谱仪谱图中易与其他物质区分。综合以上几个特点，氦气是示踪气体的较好选择。针对 GIS 绝缘用洁净空气难以检漏的问题，本文在洁净空气泄漏检测评估实验装置模型的基础上，基于 FLUENT 软件，采用 SpaceClaim 搭建二维气体传递现象模型，对充注 1kPa 示踪氦气后的扩散情况、不同泄漏口位置气体分布情况及检测到示踪气体的先后顺序进行分析，为基于示踪氦气的 GIS内洁净空气泄漏检测及传感器布置策略提供理论参考。1 数学物理模型 本文采用标准 k-模型对向容器中充入洁净空气和示踪氦气的过程进行模拟，采用组分输运模型对氦气在容器中的扩散进行模拟。由于气体以压缩的形式存在于容器中，因此将气体看作压缩气体。在整个过程中涉及的主要动力学方程如下。1）连续性方程 i()0ut+=（1）式中：为气体密度；为梯度算子，表示空间方向上的全微分；t 为时间；iu为速度。2）N-S 方程 ii i()()uu upft+=+（2）式中：p 为压力，p为单位面积的表面力，符号表示方向；为应力张量；为粘性力；f 为单位体积的质量力。3）能量方程()()ieffeffih()()iiiuptkh JuS+=+（3）44 电 气 技 术 第 24 卷 第 6 期 式中：E 为能量；keff为有效传热系数；T 为温度（K）；hi为组分 i 的质量分数；Ji为化学组分 i 的扩散通量；eff为粘性力项；Sh为应变张力。4）标准 k-()iitkbMkjkj()kkutXukGGYSXX+=+（4）()()2iit1k3b2jj()utXuCGC GCSXXkk+=+（5）式中：k 为湍流动能；为湍流动能耗散率；Xi为 x方向的分量；Xj为 y 方向的分量；为动力粘度；ut为 k 和 的函数，2tkuC=，其中 C 为经验常 数；Gk为平均速度梯度引起的湍流动能；Gb为由浮力产生的紊流动能；YM为可压缩湍流中波动膨胀对总耗散率的贡献；C1、C2 和 C3 为常数，有 C1=1.44，C2=1.92，C3为可压流计算中与浮力相关的系数，当主流与重力方向平行时 C3=1.0，当主流与重力方向垂直时 C3=0；k和 分别为 k 和 的湍流普朗特数，有k=1.00，