關(guān)于內(nèi)部電弧故障的研究

解超 許猛

摘 要：? GIS設(shè)備內(nèi)部電弧故障是在短路電流條件下，故障電弧在GIS金屬殼體內(nèi)劇烈燃燒并伴隨各種危害性現(xiàn)象，如局部過熱、燒穿殼體等，將嚴(yán)重?fù)p害GIS設(shè)備，甚至危及人身安全。本文通過計(jì)算某電壓等級(jí)GIS母線因內(nèi)部故障電弧引起的殼體內(nèi)部壓力變化及其燒穿時(shí)間，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證，分析該母線的設(shè)計(jì)合理性。

關(guān)鍵詞：? GIS;內(nèi)部電弧故障;燒穿;壓力釋放

【中圖分類號(hào)】TM591? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A? ? ?【文章編號(hào)】1674-3733（2020）06-0129-02

1 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備簡(jiǎn)稱GIS，其母線等封裝在金屬外殼內(nèi)，殼體內(nèi)充一定的SF6氣體作為絕緣介質(zhì)。內(nèi)部電弧故障是在短路電流條件下，故障電弧在GIS金屬殼體內(nèi)劇烈燃燒并產(chǎn)生大量熱量。產(chǎn)生的熱量將加熱殼體內(nèi)的SF6氣體，使殼體內(nèi)的壓力迅速抬升，需采取一定措施將壓力釋放，否則殼體存在爆炸風(fēng)險(xiǎn)，損害 GIS設(shè)備甚至危及人身安全。另外，故障電弧將對(duì)殼體內(nèi)表面進(jìn)行燒蝕，最終將殼體燒穿。因此，在設(shè)計(jì)GIS設(shè)備時(shí)，需考慮內(nèi)部電弧故障引起的殼體內(nèi)部壓力變化及其燒穿時(shí)間。

本文以某電壓等級(jí)GIS母線為例，對(duì)其內(nèi)部電弧故障進(jìn)行計(jì)算分析，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性。

2 某電壓等級(jí)GIS母線試品簡(jiǎn)介

某電壓等級(jí)GIS母線試品為直線型母線，長(zhǎng)度4米，使用特定工裝封閉并連接于外部試驗(yàn)電源，其手孔上設(shè)有壓力釋放裝置，如圖1所示：

該母線試品的相關(guān)參數(shù)見表1：

3 相關(guān)判定依據(jù)

GB 7674-2008 額定電壓72.5kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備中規(guī)定，為考核試品性能，燃弧期間施加的電流應(yīng)相應(yīng)于額定短時(shí)耐受電流，對(duì)照表1可知額定短時(shí)耐受電流為50kA，并給出了故障電弧持續(xù)時(shí)間內(nèi)試品合格的判定依據(jù)，如滿足該判定依據(jù)，則認(rèn)為該母線設(shè)計(jì)合理，具體要求見表2。

4 殼體燒穿時(shí)間計(jì)算

當(dāng)GIS設(shè)備發(fā)生內(nèi)部電弧故障時(shí)，故障電弧將劇烈燃燒并產(chǎn)生很高的能量，將會(huì)燒蝕GIS設(shè)備金屬殼體，經(jīng)過一段時(shí)間燒蝕后，金屬殼體最終將被燒穿。因此需要計(jì)算金屬殼體的燒穿時(shí)間，燒穿時(shí)間可按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

T=（Cm×W1.77）/I0.67? （1）

其中，T為燒穿時(shí)間（單位：ms），Cm為材料系數(shù)（參考相關(guān)資料，取值87.4），W為金屬殼體厚度（單位：mm），I為故障電弧電流（單位：kA）。

對(duì)照表1可知，該母線試品的金屬殼體最小壁厚W=10mm，I=50kA，將其代入式（1）中，可以求出燒穿時(shí)間T=374ms>0.1s。對(duì)照表2可知，燒穿時(shí)間滿足上述標(biāo)準(zhǔn)的要求并有充足的裕度，該母線試品殼體壁厚設(shè)計(jì)合理。

5 殼體內(nèi)部壓力升高計(jì)算

當(dāng)GIS設(shè)備發(fā)生內(nèi)部電弧故障時(shí)，故障電弧會(huì)使密封隔室內(nèi)的壓力迅速抬升，若該密封隔室不設(shè)置壓力釋放裝置，當(dāng)升高的壓力超過金屬殼體所能承受的極限壓力時(shí)，殼體就會(huì)發(fā)生爆炸，造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，GIS設(shè)備的密封隔室需設(shè)置壓力釋放裝置，當(dāng)升高的壓力超過壓力釋放裝置啟動(dòng)壓力時(shí)，壓力釋放裝置的爆破片就會(huì)動(dòng)作，可以有效的保護(hù)設(shè)備。

在設(shè)計(jì)GIS設(shè)備時(shí)，需計(jì)算內(nèi)部電弧故障持續(xù)時(shí)間內(nèi)殼體內(nèi)的壓力升高值，并校驗(yàn)壓力釋放裝置的設(shè)置是否合理。

充以SF6氣體作為絕緣介質(zhì)的密封隔室中，其內(nèi)部因故障電弧引起的壓力升高值，可以按式（2）進(jìn)行計(jì)算：

Pu=（Ce×Ia×Ta）/Vc? （2）

其中，Pu為壓力升高值（單位：bar），Ce為設(shè)備系數(shù)（參考相關(guān)資料，取值0.45），Ia為故障電弧電流（單位：kA），Ta為故障電弧持續(xù)時(shí)間（單位：ms），Vc為密封隔室的容積（單位：L）。

對(duì)照表1可知，故障電弧電流Ia=50kA;故障電弧持續(xù)時(shí)間分為兩個(gè)階段，階段一（主保護(hù)）Ta=0.1s，階段二（后備保護(hù)）Ta=0.3s（此數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定時(shí)間，若產(chǎn)品殼體燒穿時(shí)間小于0.3s，則選取產(chǎn)品殼體燒穿時(shí)間），將其代入式（2）中，可以求出：

階段一（主保護(hù)）：Pu=1.875 bar;階段二（后備保護(hù)）：Pu=5.625 bar。

由上述計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)發(fā)生內(nèi)部電弧故障時(shí)，在主保護(hù)階段，該母線試品內(nèi)的壓力為0.6875MPa，小于壓力釋放裝置的啟動(dòng)壓力（0.75MPa）、殼體的例行試驗(yàn)壓力（1.3MPa）及型式試驗(yàn)壓力（3.25MPa），壓力釋放裝置無任何動(dòng)作;在后備保護(hù)階段，該母線試品內(nèi)的壓力為1.0625MPa，小于殼體的例行試驗(yàn)壓力（1.3MPa）及型式試驗(yàn)壓力（3.25MPa），但大于壓力釋放裝置的啟動(dòng)壓力（0.75MPa），此時(shí)壓力釋放裝置的爆破片將啟動(dòng)，但該母線試品不會(huì)有爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

6 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)該母線試品按照表1中的參數(shù)進(jìn)行內(nèi)部電弧故障試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果為：殼體內(nèi)部導(dǎo)體存在輕微燒蝕現(xiàn)象，殼體

外部表面情況良好，無碎片，壓力釋放裝置的爆破片破裂，如圖2所示。

7 結(jié)論

基于上述某電壓等級(jí)GIS母線內(nèi)部電弧故障燒穿時(shí)間和內(nèi)部壓力升高的計(jì)算分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，可以得出以下結(jié)論：

該母線試品殼體燒穿時(shí)間為374ms，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求;當(dāng)發(fā)生內(nèi)部電弧故障時(shí)，該母線試品密封隔室內(nèi)的壓力在主保

護(hù)階段為0.6875MPa，壓力釋放裝置無任何動(dòng)作;該母線試品密封隔室內(nèi)的壓力在后備保護(hù)階段為1.0625MPa，壓力釋放裝置爆破片破裂，殼體無損傷。該母線設(shè)計(jì)合理，可以保證設(shè)備及工作人員的人身安全。

參考文獻(xiàn)

[1] GB 7674-2008 額定電壓72.5kV及以上氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備.

[2] 黎斌.SF6高壓電氣設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015.6.

[3] 張節(jié)容，等.高壓電器原理及應(yīng)用 [M].北京：清華大學(xué)出版社，1989.