摘要：当超高压GIS设备气室微水含量超标时，将对GIS设备内部的绝缘性能造成严重影响，而且不利于电力系统的稳定运行。为此，本文提出了微水超标处理方案，并对此展开了研究。依据750kvGIS设备及其内部部件材料表面具有的微水析出特性，本文提出了加热氮洗的微水超标处理工艺，采取局部加热方式，可促使GIS气室内气体温度及设备温度得到有效提升，从而使附着于GIS气室内的固体材料微水快速析出。本文构建了热流固耦合数学模型，并在Fluent中对模型进行解耦计算，来对加热氮洗处理工艺的效率进行验证；并依据计算结果，采取温升控制对加热功率进行优化，以此来提升加热模块的效率的最大化。最终得出：采取微水超标加热氮洗干燥处理工艺，可降低循环氮洗干燥次数，将GIS气室内部温度提升，从而有效干燥设备和微水析出。
关键词：温升控制；加热氮洗干燥；高压GIS设备；微水超标处理；热固耦合仿真
在安装和运行750kv超高压GIS设备时，需具备严格的气室SF6气体微水含量。GIS设备的气密性、气室内部设备材料表面的含水量及SF6气体及分子筛的合格性，均会影响GIS设备气室微水含量的变化，而断路器、隔离开关及电流互感器等气室内部开关设备吸附的水分，对其影响较为严重。在生产、运输、安装设备的过程中，会吸附大量水分，并在运行过程中析出至绝缘气体中，导致GIS设备具有超量的微水含量。当前的GIS气室微水超标加热氮洗干燥处理工艺，仍具有较多缺陷和不足之处，基于此，本文展开了相关研究和探讨，以供借鉴和参考。
1.微水析出特性及加热处理工艺
在固体材料表面具有气体或水蒸汽析出时，固体即为吸附剂，析出的气体则为析出质。GIS气室内设备材料包含绝缘材料、分子筛及金属构件，均为吸附剂，微水为析出质。当处于气体中时，材料表面的水分及内部水分则会析出，直至平衡。在正常运行过程中，GIS气室气体压力保持不变，在不同温度下，探讨材料的微水析出特性即等压线，基于吸附等温线，并依据吸附与析出、温度与压力的关系可得到等压线，共包含以下5中类型：
（1）当吸附剂与吸附质之间具有较弱的相互作用时，如母线、GIS壳体、铜排绕组等金属材料。（2）吸附剂具有大小不同的孔径，易发生多分子层析出，其等压线为S型。（3）小于2.5nm的微孔吸附剂。（4）在有机材料上发生的多分子层吸附，如环氧树脂。（5）多种组合材料形成的多分子层结构。
依据GIS设备材料微水析出特点随其气室气体温度变化关系，本文提出了GIS微水超标处理工艺新型方案。在加热GIS设备气室时，将加热装置安装在GIS壳体外，可同时进行氮洗和加热工艺。从回收完SF6开始加热，直到完成循环氮洗干燥过程。位于GIS壳体外的加热装置，对设备的正常维修无影响。
2.气室密度分布耦合模型
为了缩小设备的故障范围，减轻检修工作，需依据每个气室分开处理750kvGIS气室微水超标问题，利用母线连接不同设备实现电气导通，并在盆式绝缘子的作用下，将气室进行分离。断路器和电流互感器两种设备很容易出现微水超标现象，为此，本文在气密分布模型的基础上，分别创建了相应的气室加热模型。
在基于加热的条件下，本文提出了热流固耦合模型，对加热模块内部产生发热功率的热源，加热模块、壳体、氮气及内部设备相互之间的环境温度及热传导条件，外壳与空气的热对流等进行设置，利用ANSYS Fluent流体热力学仿真软件，对GIS设备微水加热处理进行解耦计算，其中，数学计算模型遵守能量守恒、质量守恒、动量守恒及动态方程。
3.Fluent热流固模型及解耦计算
在进行解耦计算时，可采用分区计算和边界耦合的方法，依据固体及流体区域，创建相应的控制方程，并规定每个区域的边界条件，包含：（1）耦合边界上的温度具有连续性。（2）耦合边界上的热流密度具有连续性。（3）耦合边界上的对流换热符合第三类边界条件。在0.54Mpa的额定电压下，受散热条件的影响，断路器的最高温升为102.9℃，有利于其表面材料的微水析出。依据断路器及电流互感器模拟设备，测量气室温度变化对其材料微水析出量的影响情况，可知，断路器气室具有较多的设备、较大的空间体积及较多的吸附水分，因此具有较大的微水含量变化范围，在氮气中具有较为明显的微水含量；电流互感器气室具有较小的体积，但具有较多的绕组和绝缘层微水含量，在加热作用下，可加快微水析出、提升气体微水含量。
4.温升控制优化方案
由GIS设备气室微水析出情况可知，微水析出速率和析出量，随温度的升高而增大。然而，气体绝缘金属封闭开关设备在维护及运行方面具有限制，与GIS设备不接触的外壳，温升应小于等于40℃，从而限制了加热氮洗干燥工艺中的温升。
输入加热模块的功率可调节，且由控制单元控制，且在加工条件和材料的制约下，其加热功率范围为0~9600w。断路器GIS设备的各个部件在不同的加热功率下，具有不同的稳态最高温度。为保障温升≤40℃，应设置断路器气室加热装置具有3400w的加热功率。
电流互感器的加热模块与断路器相似，且由于可加热面积一定，因此加热模块仅采取一组，当加热功率不同时，电流互感器部件的稳态最高温度也有所不同，且随着加热功率的增加而升高。最终得出，在2400w的加热功率下，电流互感器绕组和绝缘层具有较大的温升，微水析出效果较好。
5.结语
本文以750kv的超高压GIS设备为例，探讨了其气室微水超标问题，并依据GIS设备材料微水析出特性，提出了以温升控制为基础的循环氮洗干燥处理工艺，并采取热流固耦合模型对其进行了仿真计算，最终得出：（1）采取局部加热氮洗干燥微水超标处理工艺，可使GIS固体材料温度及内部气体温度得到提升，从而加快固体材料表面微水析出，提升GIS设备的检修效率。（2）采取温升控制设计加热模块的功率，分别得出断路器和电流互感器加热模块的最优加热功率为3400w和2400w。在22℃的环境温度下，设备具有不大于40℃的温升，且具有较好的微水超标加热氮洗干燥处理效果。
参考文献
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作者简介：黄宝勇（1981-12-12），男，汉族，籍贯：山东省济南市，当前职务：制造部科长，当前职称：中级工程师，学历：本科，研究方向：GIS气室微水测量