TELKOM NIKA , Vol.11, No .3, March 2 0 1 3 , pp. 1377 ~ 1382   ISSN: 2302-4 046           1377      Re cei v ed O c t ober 1 0 , 201 2; Revi se d Ja nuary 14, 20 1 3 ; Acce pted Janua ry 2 5 , 20 13   T e mperature Rise Comp arison of Switchgear in SF 6 , N 2 and Air        Feng Hao* Zhang Ju nmin    School of  Auto mation Sci enc e and El ectrica l  Engi neer in g, Beih ang U n iv e r sit y , Beij ing  10 019 1, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : fl y i n g .fh20 06 @ y ah oo.com.c n       A b st r a ct   Based  on th heat co nd uctio n  eq uatio n, flui d flow  gover ni ng e quati on  an d rad i atio n h e a t  transfer   equ atio n, a  mu lti-physics  cou p le ma th e m at ical mode is e s tablis hed,  th e convecti on hea transfer  pro b l e betw een so lid  and fl uid  is solve d  by w a ll  function.  T h e  three di mens i ona l ther ma l fi eld i n  a typ e   of   sw itchgear fill e d  respectiv e ly  w i th  SF6, N2,  and  air are c a l c ulate d  an d an aly z e d  t o  disc u ss the feasib ilit y of   usin g air  or N 2  as the s ubs titution of SF 6  by the  finit e  volu me metho d . T he resu lts show  that th e   temp eratur e fi elds i n  three  g a ses are s i mil a r in the  sw itchge ar. T he temp eratur rise  of current-carr y in g   loo p  is the h i g hest in SF 6 a n d  is the l o w e st in the a i r. So the co nclus i on  coul d be  ma de  that air or N2  ca n   repl ace SF 6 as  the insul a tin g  gas of sw itc hgear on the  pers pective of te mp erature ris e   Ke y w ords :   temp eratur e rise,  sw itchgear , SF 6 , N 2 , air         Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Gas in sulatio n  technol ogy has be en gen erally applie d  in medium voltage switch gear for  its enha ncem ent of reliabili ty and dimin u tion of fl oor  area  of swit chgea r. Du e to the admi r a b le   insul a ting p r operty, SF 6  become s  the  most fre q u ently use d  insul a ting ga s in  swit chg ear.   Ho wev e r, SF 6  is green hou se g a s,  so d e c re asi ng a nd  even forbi ddi ng the u s of SF 6  is surely  to  be the trend  in  the development of switch gea r [1]. Air  and N 2  are both inexpen sive and   environ menta l , so it is si gni ficative of ma king  air  and   N 2  a s  the  su b s titution of S F 6  in switchgear.  A lot of rese arch about searchin g the sub s titution o f  SF 6  has be en carrie d ou t both domestic   and overse as. Referen c e [ 2 ] discus se s the bre a kdo w n prop erty to explore the fe asibility of usi ng  N 2  and mixtu r e of N 2  an d SF 6  as the  sub s titution of SF 6 . Refere nce [3] discu s ses the i n sulat i on   prop erty of N 2  or C 4 F 8 , to find out wh eth e r they coul d be the su bstit u tion of SF 6 Tempe r atu r e rise dire ctly  reflects  the sa fety  performa n ce of  switch gear,  so it is one of  the significant factors of  analyzing the  feasibility of  substitution of SF 6 . Howe v e r, refe ren c es   based on the  perspe c tive of temperatu r e rise  of se archin g the su b s titution ga of SF 6  are ra rely  to be s e en.  Heatin g and dissip ating proce s s is a co mplic ate p h ysical process combine s  con ductio n conve c tion a nd radiatio n, and it could  be anal yzed by mathematical modeli n g  and numeri c al  cal c ulatio n. Ho weve r ,  it is dif f icult to carry  out this calculation  becau se of the com p licate 3D  model of the swit chg ear a nd the larg g r id num bers i n  nume r ic  cal c ulatio n.  In this pap er,  based on th e heat cond u c tion eq uatio n, fluid flow g o vernin g eq u a tion and  radiatio n he a t  transfe r eq u a tion, the mu lti-physi cs  co upled m a the m atical m ode l is e s tabli s h ed,  and wall function is used to solve the convecti o n  heat transfer problem betwe en the solid and   the gas. After the simulatio n  and cal c ula t ion of the th ermal field re spe c tively in  SF 6 , N 2  and  air,  the 3D distri bution of th ermal field resp ec tively in three gases ha s been  obtained. Then  compari s on and analysi s  of the cal c ul ating re sults has been  done to discuss t he feasibility  o f   usin g N 2  and  air as the  sub s titution of SF on the basi s  of temperatu r e ri se.       2. Mathema t i cal Model  [4]   The gen eration of heat in  switchge ar i s  ca used by heat loss of resi stan ce s. The heat  transfe rred in  the co ndu cto r s i s  mai n ly b y  cond uc tio n . Heat tra n sfe r s from  co ndu ctors to the g a Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 3, March 20 13 :  1377 – 1 382   1378 by conve c tio n  and ra diati on, and finall y  transfe rs to the ambie n t air outsid e  the swit ch gear  throug h the e n clo s u r e.       2.1. Thermal Gov e rning Equation s   The k-   turbu l ence model i s  introd uced in the heat transfer a nd fluid flow, includi ng the   mass, mome ntum, ene rgy con s e r vation  equation s , k equation  an   equation.  The gove r ni ng   equatio ns  ca n be written i n  con s e r vatio n  form [5] as follows e qua tion (1). So the variabl es  of  velocity, temperatu r e, k an    can be solved usi ng the nume r i c al  method.     () () ( ) div V d i v g rad S t    (1)     Whe r  is the universal variabl e whi c h is  ex pre s sed a s   temperature,  velocity,  pre s sure, k a nd    res p ec tively;  V  is the velocity vect or;  i s  the co efficient of dif f usion;  S  is t h e   sou r ces,  whi c h in clu de t he Joule’ s lo ss  and  radi a t ion heat flu x  from the condu ctor to t he  encl o sure.   The Jo ule’ s loss is express ed by the fol l owin g equati on:    2 I R  (2)     Whe r   i s  th e Joul e’s lo ss,  I  is  the c u rrent,  R  is  the res i s t ance.   In the switch gear, the rad i ation from the cond ucto r to the enclo sure is ca use d  by th e   temperature  differen c e b e twee n the con ducto r su rfa c e and the  en clo s ure.  The  heat tran sfe r  by  radiatio n is calcul ated by Stefan-Boltzman’s la w a s  follows.    ) ( 4 2 4 1 1 T T A  . (3)    Whe r T 1   an T are the  condu cto r  surface tempe r ature and e n clo s u r e tem peratu r r e spec tively, A is the con ducto r surfa c e are a   is the con d u c tor  emissivity co nstant   [6],  σ  is   the Stefan-Bo ltzman  con s tant,  i s  the radiation h eat flux.    2.2. Bounda r y  Conditions    Gene rally, wall functio n  a nd the lo Re (Reynold s   numbe r) k-   turbul en ce m odel a n d   the conve c tio n  heat transf e r co efficient  can be appl ied to deal with the soli d-fluid bo und ary  con d ition s  [7]. Compa r ed  with the low  Re mo del wh ich ne ed s increa sing the  g r id den sity, wall  function can redu ce the gri d s in SF 6  gas adjace n t to the con d u c tors, so CPU ti mes an d me mory  stora ge ca n be saved more  in computer [8, 9]. T he initial temperatu r e of  the cond uctors and th e   encl o sure m u st be assu med firstly if using t he conve c tion h eat transfe r coeffici ent [10].  Ho wever, the  initial temperature can not  be consi dere d  in wall function. Therefo r e, we introdu ce  wall function   to calculate the fluid flow  a nd heat transfer on the solid-SF 6  gas b ound ary in this  pape r.  In wall fun c tio n , the dimen s ionle ss va ria b les  of velocit y  u + , distance  y +  and te mp eratu r T are re sp ectively defined by the followi ng equ ation s   / w u u . (4)    w y y v . (5)    1/ 4 1 / 2 () ( ) / W Wp TT c k T qc . (6)    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Tem peratu r Rise Com p a r i s on of Swit ch gear in SF 6 , N 2 , and Air (F eng Hao)  1379 Wall functio n  assum e s a logarith m ic bo unda ry  layer adja c ent the con d u c tors, in which   the  u +   and  T +   sati sfy the basi c  loga rith mic equ ation s . So the wal l  shea r stress  w   and the  heat  flux   q from wall given  by followin g  equ ations  (7 ) an d (8 ) are rel a ted to SF 6  g a s flo w  th r o u gh  the  logarith m ic e quation s .     P W P t w y u u . (7)    P W P t W y T T q . (8)    Whe r T W T P  and  u w u p   are the tem p eratu r e an d the velocity o n  wall a nd in  the gas  r e spec tively;   is the fluid  den sity; c is the spe c ific h eat at co nsta nt pre s sure;  v  is  th e   k i nematic  v i sco sit y ;  c is the turbulent  model con s t ant;  t  is the turbule n t viscosity;  t  is the turbule n t hea c o nduc tivity.   Con s e quently q w   can be obtained a c cording to the equation s  (4 )-(8). And  t  and  t  can  be expre s sed  as follows eq uation s  (9 )-(1 0).     p t p y u (9)     p tL p y T  . (10)    Whe r e L  is the Prandtl  numbe r;     is the gas h e a t cond uctivity;    is the dynami c   v i sco sit y .       3. Simulation Computati on  3.1. Geometr y   Model of the S w i t chg e ar   The main compon ents  of the switchgea r ar e b u s ba r, circuit brea ker,  current   transfo rme r and a th ree - p o sition i s olati on switch. Th e switch gea has th ree  ph ase s , an d ea ch  pha se i s  coordinate  with e a ch  other. T h e bu s ba a n d  thre e-p o siti on isolation  switch  are  located  in the lower p a rt of the cyli nder,  circuit b r ea ke r and  current tran sfo r mer  are l o ca ted in the up per  part of the cyl i nder, an d the  cable  wire i s   extract ed  on the top of the cylinde r. The  rate current of  the swit chg e a r  is 200 0A, ra te voltage  is 40.5kV, and t he frequ en cy is 50 Hz.   Each pha se  of the switch gear is ind e p ende nt with each other , a nd they share th e   same  structu r e, so on e p hase could  o n  beh alf of  the othe r two  duri ng the  calcul ation. In  this  p a p e r ,  the mi ddle ph ase is the study obj ect. It s mod e l  and comp on ent s i n  cu rre n t-ca rryin g lo op  are as sho w n  in Figure 1.  The encl o sure is def ined as the calcul ation domain bo unda rie s , and  it  has b een  set as ambi ent temperature.          (a) Th e external geom etri c model       (b)  Comp one nts in the  cu rrent-carrying l oop     Note:  1-cond u c ting ro d1, 2-c ond uctin g   pl ate, 3-contact fi n ger, 4-co nd ucti ng b a n d , 5-mo vabl e co nducti n g   pol e, 6-fixed co nducti ng p o le,  7-con ductin g  rod2, 8-e x ter n a l  bus     Figure 1. The  model of swit chg ear  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 3, March 20 13 :  1377 – 1 382   1380 3.2. Parameter and Initial Condition s   Acco rdi ng to  the Thomp s o n  theory [11], increa sin g  the gas pre s sure could co nsi dera b ly   improve the i n sul a ting abili ty of the insulating gas  in the swit chgear. The insul a ting ability of  N 2   and air is ap proximately 1 / 3 of  the one of SF at the  same pre ssure. So in order to make  sure  the three ga ses ha s the same insulatin g  ability, and under the p r emise of lo w gas p r e s sure  in   the switchge ar, the initial  pre s sure of  N 2  and air is 0.25MPa, an d the initial p r essu re of SF 6  is   0.08MPa in  this pap er.  The initial tempe r at ures of the thre e gases  are  all 20. Their  thermo dynam ic paramete r s can ref e r to referen c e [12].   The mate rial  of the co ndu ctors i n  the  cu rre nt -carrying  loop, bu shi n gs a nd e n cl o s ure a r cop per, e pox y resin  and  steel respe c tively. Their therm odynami c  pa ram e ters can  refer t o   referenc es  [12, 13].  Con s id er the  skin coeffici ent of every condu cto r , the final calo rific value of every  con d u c tor i s  the pro d u c t of Joul e’s l o ss an d rel e vant ski n co efficient. The  power of m a jor  comp one nts  of current -ca r rying loop at  20  is li sted  in Table1.     3.3. Grids  The hexah ed ral gri d  is u s e d  in the nume r ical  cal c ulati on, and the to tal grids  rea c 1.2×1 0 6  in the cabi net. The grid s are as sho w n in Fig u re 2.       Table 1. Power loss of co mpone nts(20 component  Power(W )   conducting rod1   34.2  conducting rod2   43.8  conducting band   48.3  movable conducting pole  32.7  fixed conducting  pole  33.2  exter nal bus  36.0          Figure 2. The  mesh of num erical cal c ul ation       3.4. Results and An aly s is of  N umerical Calculation  3.4.1. Thermal Field   The tempe r at ure di strib u tio n  in three ga ses is a s  sho w n in Figure 3.        (a) SF 6     (b) N 2     (c ) air     Figure 3. Te mperature fiel d of  switchge ar in thre e ga se Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Tem peratu r Rise Com p a r i s on of Swit ch gear in SF 6 , N 2 , and Air (F eng Hao)  1381 The rea s o n s cau s ed differen c e s  of tempe r ature are the dive rsity of resi stance   values, the  si ze of the  co n ducto rs, a nd  the co ndi tion s of air flo w Con d u c tor  which  own a lo wer  resi stan ce va lue and a larger si ze, gets a lower  te mperature; o n  the c ontra ry, it gets a higher   temperature.  Like the  co n ductin g  ban d  in Figur e 3,  it has a hi gh  resi stan ce va lue and  a sm all  size com p a r ed with oth e r co ndu cto r s in the  cu rre nt-carrying  loop,  so it gets a hig her  temperature.  Hot gas fl ows up wardl y , so t he upper p a rt of  the current -ca rryin g loo p's   temperature i s  high er than  one of the lo wer p a rt.     3.4.2. Comp arison and  Analy s is of Te mperatu r e Rise in the Th ree Gas e s   Dra w  the temperatu r e valu es in three ga se s into curv es, as sho w in Figure 4. In Figure   4, X-axis is compon ents n u mbe r s (th e  orde r is n u mb ered from lower pa rt to the uppe r pa rt of the  curre n t-carrying loop ), Y-a x is is the ratio  of co mpon en ts' tempe r ature to the initial temperatu r e.           Figure 4. The  temperatu r of current carrying co ndu ct or in thre e ga se     It could be se en from Figu re 4 that the tempe r ature d i stributio ns of  the three ga se s are   simila r. The tempe r ature ri se in SF 6  is the high est, a nd is the lo we st in air.   The qua ntity of heat tran sferred from th e con d u c tors to the gas in the three d i fferent  gases is supposed to be the same, so the only par ameter that affects the gas  diffusion abilit y i s   thermal diffusivity. The gas diffusion abili ty gets be tter with the thermal diffusivity growi ng larg er,  so the heat  prod uced by the curre n t-carryin g loop  coul d diffuse  more ra pidly .  Thus insula ting   gas  with a higher the r mal  diffusivity has a lower tem peratu r e ri se  in the current -ca rryin g loop . It   coul d be con c lud ed that,  unde r the premise of ce t e ris pa ribu s, temperature  rise turns lo wer  whe n  ga s get s a high er the r mal diffusivit y   The exp r e ssi on of therm a l  diffusivity is   /( ) p ac , where   is the   thermal diffus i vity ,    is  the thermal conduc tivity,  c is the sp ecifi c  h e a t cap a city o f  gas,   is  the dens i ty. After   cal c ulatio n, the seq uen ce  of the three therm a l diffusi vities is  6 2 SF N air .So tempe r ature  rise of curren t-ca rrying lo o p  in SF 6  is  the highes t; one in air is  the lowes t. In s u mmary, from  the   perspe c tive o f  temperatu r e  rise, u s ing N 2  and air a s  the su bstitutio n  of SF 6  is  feas ible.      4. Conclusio n   In this pap er,  the cou p led  mathemati c al  m odel which  involves differential  equa tions of  con d u c tion, conve c tion a nd radiatio n is establi s h e d  for calcula t ing the thermal field of  the   swit chg ear. Wall functio n  is used to solve t he convection heat transfe r pro b l e m betwee n  the  solid a nd the  gas. Th e finite volume met hod is a pplie d to solve the  differential e quation s  for t h e   3D geom etry model of the  swit chg ear. T he thermal  field of the switchge ar is si mulated, and  th e   distrib u tion of  temperatu r is obt ai ned re spe c tively in SF 6 , N 2 , and  air .  The result s sh ow that the   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
              ISSN: 23 02-4 046   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 3, March 20 13 :  1377 – 1 382   1382 distrib u tion s of temperatu r e in the three gase s  are si milar ,  and the  temperatu r e rise in SF is the  highe st, and i s  prove d  to be the lowe st in air .  Af ter co mp a r ing the t herm a l field in the swit chg ear  respectively filled with SF 6 , N and air,  it could be summed up that, from the persp ective of  temperature rise, the temperatu r e ri se in N and air i s  lowe r than the one in SF 6 , hence u s i n g   N and air a s  the  sub s titution of SF to be the insulating  gases in  swit chg ear i s  fea s ible.   Akno w l e dge ment   This work wa s sup p o r ted by the National  Natural Science Found ation of Chin a unde Grant No.5 1 1 7700 5.      Referen ces   [1] F an  jia n-bi n.  40.5kV GIS and app ly . Procee d i ngs of the CS EE. 2008; 23( 1 ) : 63-65.   [2]  Li hu i-fen. Man y  ch all eng es to  substitution for  SF 6 High volt age e n g i ne erin g.  2010; 2 6 (3): 50-5 7 .   [3]  Z hang Qi ang- hua, T A N Yan, W U  Jian-ga n .   Research  of 40. 5 kV No n SF 6 C—GIS.  High V o lta g e   Appar atus . 201 1; 47(6): 29-3 8 .   [4]  Z hang J unmi n , Hou Z h e n h u a , Z hang  Ch u npe ng, L i u W e id ong, Ji an Qirong. T h ree  Dimens io nal  T hermal F i eld Numeric a l  Calcul atio n  of 27.5kV Gas-Insulat ed S w itch ge ar Bus Bar' Cabi ne. T r ans a c tion of Chi na  electrotec hnic a l society .  201 1 ;  26(12): 62-6 7 .   [5] T ao  W enquan.   Numerica l He at Transfer . Xi’ an: Xi’a n Jia o tong U n iver s i t y   Press. 2001: 3 36-3 57.   [6] Yang  Sh imin g.  Heat transfer . Beiji ng: Hi gh E ducati on Press .  1998; 20- 28: 134- 137.   [7]  Osama Elsa ye d Goud a, Eng.  Mohame d  De ssok y , Al i Has s an. Comp aris on bet w e e n  Oil Immerse d   and SF 6 Ga s Po w e r T r a n sformers Rat i ngs.  T E LKOMNIKA Indon esia n Journ a l  of Electrical   Engi neer in g .  2012; 10( 1): 43- 54.   [8]  X Alb e ts-Chic o . Anal ysis o f   w a ll-fu nctio n   approac hes  usin g t w o e q uatio n turbul e n ce mode ls.  Internatio na l Journ a l of He at and Mass T r an sfer . 2008; 51:  494 0-49 57.    [9]  G Barakos. Natural convec tio n  flo w  i n  a squ a re cavit y  rev i s i ted: lamin a r a nd turbu l ent mode ls  w i t h   w a l l   functions.  Inter natio nal J ourn a l for Nmeric al  Methods i n  F l ui ds . 1994; 1 8 : 695-7 19.   [10]  Li Jun, Li  Xu e.  T he anal ysi s  of thermal calcul atio n fo r air stove dr yin g  s y stem.   TELKO M NI KA   Indon esi an Jou r nal of Electric al Eng i ne eri n g .  2012; 1 0 (4): 6 87-6 92.   [11]  W ang shen g- hui. Hig h Voltage an d Insul a tion T e chnol og y. Beiji ng: North Chin a electric po w e r   univ e rsit y   pres s.  2002.  [12]  Liu Gua n g q i. Han dbo ok of C hemistr y an d  Chemica l  Pro perties. Bei jin g :  Chemical In dustr y  Press.   200 2.  [13]  F ang Kunf an. Engi neer in g Materia l s Han d b ook. Beij ing: B e i Jin g  Press. 200 2.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.