魏凌楓

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000)

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東莞地區(qū)500 kV HGIS防爆膜運(yùn)行可靠性分析

魏凌楓

(廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000)

介紹了東莞地區(qū)500 kV混合式氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(hybrid gas insulated metal enclosed switchgear，HGIS)防爆膜的運(yùn)行情況，對(duì)劣化的防爆膜樣品進(jìn)行化學(xué)成分元素定性和半定量分析，檢測(cè)結(jié)果表明防爆膜原材質(zhì)的耐腐蝕能力不足是防爆膜性能下降的主要原因，后又進(jìn)行爆裂試驗(yàn)驗(yàn)證。計(jì)算HGIS氣室因電弧故障引起的設(shè)備外殼燒穿時(shí)間和壓力升高值，結(jié)合電弧的外部效應(yīng)與保護(hù)裝置配合的關(guān)系，給出防爆膜更換后額定動(dòng)作參數(shù)的推薦值。為消除防爆膜失效的安全隱患，建議將舊防爆膜全部更換為不銹鋼材質(zhì)，并按文中分析結(jié)果重新設(shè)計(jì)其額定動(dòng)作參數(shù)。

混合式氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備；防爆膜；劣化；燒穿時(shí)間；破壞壓力

混合式氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(hybrid gas insulated metal enclosed switchgear，HGIS)以氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備(gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS)技術(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì), 將斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電流互感器布置在1個(gè)復(fù)合電器內(nèi), 母線及其余設(shè)備敞開(kāi)布置[1]。由于兼具常規(guī)敞開(kāi)式開(kāi)關(guān)設(shè)備(air insulated switchgear，AIS)和GIS的優(yōu)點(diǎn)，東莞地區(qū)在運(yùn)行的5座500 kV變電站均采用了HGIS布置方式，但HGIS因其封閉氣室結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，內(nèi)部故障產(chǎn)生的電弧會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)造成SF6氣體壓力快速升高致使殼體塑性變形甚至爆炸，為保護(hù)設(shè)備和人身安全，通常采用壓力釋放和快速保護(hù)等一系列措施來(lái)限制和避免內(nèi)部故障電弧[2]。

本文對(duì)東莞地區(qū)500 kV HGIS防爆膜的材質(zhì)和額定動(dòng)作參數(shù)進(jìn)行分析，以試驗(yàn)驗(yàn)證和理論計(jì)算為依據(jù)，提出防爆膜更換的建議措施。

1　500 kV HGIS防爆膜運(yùn)行情況

壓力釋放裝置可以防止在內(nèi)部故障時(shí)產(chǎn)生過(guò)壓力。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[3]，由于安全以及為了限制對(duì)GIS的不良后果，除了過(guò)壓力能夠自身限制到不超過(guò)型式試驗(yàn)以外，對(duì)于大容積隔室，推薦每個(gè)隔室都裝設(shè)壓力釋放裝置，500 kV HGIS通常設(shè)置防爆膜作為設(shè)備的壓力釋放裝置。防爆膜的動(dòng)作情況分2種：

a) 正確動(dòng)作。因罐體內(nèi)部故障引起氣體壓力升高導(dǎo)致防爆膜破裂。

b) 誤動(dòng)作。由于受材質(zhì)劣化、設(shè)計(jì)參數(shù)不合理以及外部環(huán)境等因素的影響，氣室內(nèi)的壓力未達(dá)到爆破壓力時(shí)，防爆膜爆裂；或者當(dāng)壓力達(dá)到爆破壓力時(shí)，防爆膜不動(dòng)作。

因此，中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力設(shè)備檢修規(guī)程規(guī)定[4]：每6年應(yīng)對(duì)防爆膜進(jìn)行B類(lèi)檢修，確保防爆膜無(wú)嚴(yán)重銹蝕、氧化及變形現(xiàn)象。

魏凌楓：東莞地區(qū)500kVHGIS防爆膜運(yùn)行可靠性分析

1.1防爆膜劣化情況統(tǒng)計(jì)

2013年在對(duì)500 kV變電站HGIS防爆膜的檢查中，發(fā)現(xiàn)防爆膜劣化情況嚴(yán)重，其中某兩個(gè)500 kV變電站的運(yùn)行情況見(jiàn)表1。

表1500 kV HGIS防爆膜調(diào)查情況

變電站設(shè)備氣室防爆膜數(shù)量/個(gè)銹蝕數(shù)量/個(gè)投產(chǎn)日期檢查日期A開(kāi)關(guān)氣室39392010-052013-04隔離開(kāi)關(guān)78782010-052013-04B開(kāi)關(guān)氣室30302004-012013-04隔離開(kāi)關(guān)54542004-012013-04

由表1可知，所有防爆膜均存在不同程度的銹蝕情況，尤其是才投運(yùn)3年的變電站A，部分防爆膜銹蝕情況已非常嚴(yán)重，如圖1所示。

圖1　變電站A 500 kV HGIS防爆膜銹蝕情況

從結(jié)構(gòu)上來(lái)看，東莞地區(qū)在運(yùn)行的500 kV HGIS防爆膜均采用反拱刻槽型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的防爆膜因具有爆破氣壓穩(wěn)定、爆破時(shí)無(wú)碎片、抗疲勞性能優(yōu)越以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速等優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)在組合電器產(chǎn)品防爆膜的主流設(shè)計(jì)[5]。

1.2防爆膜及表面附著物分析

1.2.1樣品宏觀和微觀檢查

對(duì)防爆膜進(jìn)行宏觀檢查，可見(jiàn)防爆膜完整，表面有涂層，非壓力側(cè)布滿綠色斑點(diǎn)，如圖2所示。將防爆膜有綠色斑點(diǎn)的部位折斷，在掃描電子顯微鏡下觀察斷面形貌，可見(jiàn)局部已形成腐蝕坑，如圖3所示。

圖2　防爆膜宏觀檢查

圖3　防爆膜折斷面電鏡形貌

1.2.2基體和表面附著物化學(xué)成分元素分析

通過(guò)掃描電子顯微鏡及電制冷能譜儀對(duì)防爆膜樣品的基體(如圖4所示)及表面附著物(如圖5所示)進(jìn)行化學(xué)成分元素定性和半定量分析。

圖4　防爆膜基體檢測(cè)

檢測(cè)結(jié)果顯示，防爆膜基體的主要金屬元素為Ni(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為83.83%，原子數(shù)分?jǐn)?shù)為59.9%)，非金屬元素主要為O(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.77%，原子數(shù)分?jǐn)?shù)為36.1%)，其次為Si和C。

圖5　防爆膜附著物檢測(cè)

檢測(cè)結(jié)果顯示，防爆膜表面附著物的主要金屬元素為Ni(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為51.15%，原子數(shù)分?jǐn)?shù)為24.67%)，非金屬元素主要為O(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36.07%，原子數(shù)分?jǐn)?shù)為63.85%)，其次為S、Cl、C和Si。

由以上分析可知，防爆膜基體的主要成分為Ni，其表面附著物的主要成分則轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂忻黠@腐蝕特征的氧化物、硫化物和氯化物，防爆膜原材質(zhì)的耐腐蝕能力明顯不足，在大氣環(huán)境因素的影響下發(fā)生了較為嚴(yán)重的氧化腐蝕現(xiàn)象，這些腐蝕性的介質(zhì)隨著雨水落到爆破片的泄壓側(cè)，積存后不斷蒸發(fā)濃縮，如此反復(fù)，有腐蝕性的介質(zhì)隨之不斷增加，高濃度的有腐蝕性的介質(zhì)不斷腐蝕爆破片，尤其是在帶槽型爆破片的刀痕處更容易產(chǎn)生局部腐蝕，使爆破片的爆破壓力急劇下降[6]。

1.3防爆膜爆裂試驗(yàn)

為了評(píng)估老化及表面腐蝕對(duì)防爆膜的影響，對(duì)部分防爆膜進(jìn)行了爆裂試驗(yàn)[7]，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2500 kV HGIS防爆膜調(diào)查情況

檢查位置額定值/MPa試驗(yàn)值/MPa校正值/MPa下降率/%變化率/%CB5042U相CB5042V相CB5042W相0.945～0.8550.8900.86095.6-4.40.9000.87096.7-3.30.8900.86095.6-4.4ES/DS5042U相ES/DS5042V相ES/DS5042W相0.84～0.760.8000.77096.3-3.80.8100.78097.5-2.50.8100.78097.5-2.5

爆裂試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，防爆膜實(shí)際爆破壓力普遍存在下降的趨勢(shì)，其中CB5042 U、V相爆裂試驗(yàn)值已處于下限。結(jié)合防爆膜及表面附著物的成分分析來(lái)看，材質(zhì)的變化可能是導(dǎo)致防爆膜的爆破壓力逐漸下降的主要原因。雖然此次抽取的防爆膜樣品其爆裂試驗(yàn)值仍在廠家的合格范圍之內(nèi)，但防爆膜總體運(yùn)行情況有進(jìn)一步劣化的趨勢(shì)；同時(shí)，由于防爆膜的爆破壓力有一定離散性，且產(chǎn)品出廠試驗(yàn)進(jìn)行的是抽樣爆破測(cè)試，若防爆膜生產(chǎn)工藝控制不良，其爆破壓力在出廠時(shí)已處于下限甚至突破下限。綜合以上考慮，認(rèn)為原防爆膜的性能已難以保證設(shè)備30年的設(shè)計(jì)使用壽命。

對(duì)比該型號(hào)產(chǎn)品在廣東其他地區(qū)的運(yùn)行情況，HGIS防爆膜均存在不同程度的劣化情況，2014年某局甚至發(fā)生過(guò)一起斷路器氣室防爆膜在未無(wú)任何故障的情況下誤爆的案例。鑒于500 kV變電站的重要性，應(yīng)對(duì)銹蝕的防爆膜全部進(jìn)行更換以徹底消除隱患。同時(shí)，為保證更換后的防爆膜能可靠運(yùn)行，應(yīng)重點(diǎn)考慮以下2個(gè)設(shè)計(jì)因素：一是新防爆膜的材質(zhì)選取必須適應(yīng)東莞地區(qū)的大氣環(huán)境；二是針對(duì)原防爆膜存在的誤動(dòng)作隱患，應(yīng)對(duì)其額定爆破壓力值進(jìn)行重新計(jì)算。

2　防爆膜額定爆破壓力選擇的依據(jù)

防爆膜額定爆破壓力值的選擇，一方面應(yīng)考慮防爆膜必須具有長(zhǎng)期承受設(shè)備運(yùn)行氣壓的穩(wěn)定性，而不至于誤爆裂，對(duì)于HGIS設(shè)備，其最小爆裂設(shè)計(jì)值Pmin主要受封閉電器的額定工作壓強(qiáng)pe及爆破片型式的影響，對(duì)于反拱刻槽型Pmin應(yīng)滿足[8]

(1)

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，爆破片的更換周期要達(dá)到20年以上時(shí)，Pmin應(yīng)選擇額定工作壓強(qiáng)的2倍以上。防爆膜額定爆破壓力值的選擇，另一方面應(yīng)考慮在設(shè)備發(fā)生短路故障時(shí)，防爆膜在設(shè)備外殼燒穿或爆炸前能可靠動(dòng)作，此原則須符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]的規(guī)定：對(duì)于額定開(kāi)斷短路電流為63kA的HGIS，當(dāng)HGIS發(fā)生內(nèi)部故障時(shí)，在第一段(主保護(hù))保護(hù)時(shí)間100ms內(nèi)，除了適當(dāng)?shù)膲毫︶尫叛b置動(dòng)作外，沒(méi)有外部效應(yīng)；在第二級(jí)(后備保護(hù))保護(hù)時(shí)間300ms內(nèi)，氣室沒(méi)有碎片(允許燒穿)。

該標(biāo)準(zhǔn)的判據(jù)主要體現(xiàn)在2方面：

a) 100ms內(nèi)。氣室外殼不因電弧故障出現(xiàn)燒穿現(xiàn)象并且不因壓力升高而發(fā)生爆炸產(chǎn)生碎片。

b) 300ms內(nèi)。氣室外殼允許因電弧故障發(fā)生燒穿現(xiàn)象，但不能因壓力升高而發(fā)生爆炸產(chǎn)生碎片。

2.1HGIS設(shè)備外殼燒穿時(shí)間的計(jì)算

HGIS設(shè)備外殼被電弧燒穿的時(shí)間與外殼的材料、厚度和故障電流的大小有關(guān)，參照文獻(xiàn)[10].HGIS氣室因故障產(chǎn)生外殼燒穿的時(shí)間計(jì)算如下：

(2)

式中：t為外殼燒穿時(shí)間，s；I為故障電流，kA；δ為外殼的厚度，cm；k為材料系數(shù)，本文結(jié)構(gòu)為鋁材，取k=87.4。

以東莞地區(qū)典型的500 kV HGIS為例進(jìn)行計(jì)算，變電站B有兩個(gè)廠家的設(shè)備型號(hào)，額定開(kāi)斷短路電流均為63 kA。不同厚度的殼體燒穿時(shí)間計(jì)算見(jiàn)表3。

表3不同厚度的殼體燒穿時(shí)間計(jì)算

廠家氣室額定氣壓/MPa設(shè)計(jì)壓力/MPa額定開(kāi)斷短路電流/kA殼體厚度/mm防爆膜額定動(dòng)作值/MPa燒穿時(shí)間/msAES/DS0.50.646380.840～0.760216CB0.60.7863100.945～0.855321BES/DS0.40.526312未安裝防爆膜442CB0.50.646316未安裝防爆膜737

從表3可知，保護(hù)動(dòng)作規(guī)定的300 ms內(nèi)，只有廠家A的ES/DS氣室在216 ms發(fā)生燒穿現(xiàn)象。

2.2內(nèi)部電弧引起的壓力升高計(jì)算

參照文獻(xiàn)[6]，HGIS氣室因內(nèi)部故障造成的壓力升高

(3)

式中:Δp為壓力升高，MPa；Iarc為故障電弧電流有效值，kA；Vco為隔室的容積，L；tarc為電弧持續(xù)時(shí)間，ms；Ceq為設(shè)備系數(shù)。

氣室的最終壓力

(4)

根據(jù)式(3)可知，氣室容積越小，殼體因壓力升高而損壞的可能性就越大，因此，下面針對(duì)廠家A最小的ES/DS單元?dú)馐覇卧M(jìn)行分析，氣室容積為861L，額定開(kāi)斷短路電流為63kA，額定壓力0.5MPa，設(shè)計(jì)壓力0.64MPa，對(duì)于鑄造外殼的破壞壓力按設(shè)計(jì)壓力的3.5倍計(jì)算[10]為2.24MPa。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]規(guī)定Ceq的數(shù)值由制造廠通過(guò)類(lèi)似設(shè)備的試驗(yàn)驗(yàn)證，本文參照ABB資料1HC0007017，500kV分相設(shè)計(jì)的HGIS設(shè)備系數(shù)Ceq取0.45，計(jì)算該氣室故障燃弧時(shí)間和最終壓力的關(guān)系如圖6所示。

圖6　ES/DS單元?dú)馐夜收先蓟r(shí)間和最終壓力的關(guān)系

由圖6可知，廠家A最小的ES/DS單元?dú)馐?，發(fā)生內(nèi)部故障后：

a) 在第一段保護(hù)動(dòng)作時(shí)間100 ms內(nèi)，氣室外殼不會(huì)因電弧故障出現(xiàn)燒穿現(xiàn)象，最終壓力為0.83 MPa，未達(dá)到外殼的破壞壓力，防爆膜有可能動(dòng)作，符合標(biāo)準(zhǔn)。

b) 在第二段保護(hù)動(dòng)作時(shí)間300 ms內(nèi)，氣室外殼因電弧故障在216 ms時(shí)發(fā)生燒穿，此時(shí)氣室的最終壓力為1.21 MPa，未達(dá)到外殼的破壞壓力，符合標(biāo)準(zhǔn)。

對(duì)于廠家B，表3的數(shù)據(jù)顯示其所有氣室在300 ms內(nèi)不會(huì)因電弧故障發(fā)生燒穿現(xiàn)象，在氣室容積相同的情況下，最小的ES/DS單元?dú)馐易罱K壓力為1.49 MPa，未達(dá)到其外殼的破壞壓力1.82 MPa。僅從電弧的外部效應(yīng)與保護(hù)裝置配合關(guān)系的判據(jù)來(lái)看，廠家B的HGIS在設(shè)計(jì)中未設(shè)置防爆裝置，是符合標(biāo)準(zhǔn)的。

3　防爆膜的選取

防爆膜的額定爆破壓力選擇應(yīng)適宜，太小容易誤動(dòng)作，太大又不能及時(shí)動(dòng)作。根據(jù)前文分析，反拱刻槽型防爆膜的額定動(dòng)作值最小值不宜小于氣室2倍的額定運(yùn)行壓力，且不應(yīng)大于在保護(hù)時(shí)間內(nèi)發(fā)生燒穿時(shí)的最終壓力值。

廠家A最小的ES/DS單元?dú)馐业念~定氣壓為0.5 MPa，故障燒穿時(shí)的最終壓力1.21 MPa，推薦該氣室的防爆膜額定動(dòng)作值在1～1.2 MPa，既防止誤動(dòng)，又可保證在殼體燒穿之前，防爆膜可靠動(dòng)作，從而保證設(shè)備和人身的安全。對(duì)于CB單元?dú)馐?，其額定氣壓為0.6 MPa，在規(guī)定值300 ms時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生燒穿，推薦取值在1.2～1.8 MPa。

新防爆膜材質(zhì)的選擇推薦用不銹鋼，同時(shí)考慮廣東地區(qū)的大氣環(huán)境，建議更換后的防爆膜應(yīng)有防銹措施，如通過(guò)噴防銹劑等措施進(jìn)行保護(hù)，但防銹劑的使用不應(yīng)對(duì)防爆膜的額定動(dòng)作值產(chǎn)生影響。

4　結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)東莞地區(qū)500 kV HGIS防爆膜的性能進(jìn)行分析，其結(jié)果表明：

a) 舊防爆膜因材質(zhì)的變化等因素的影響，其爆破壓力已處于下限甚至突破下限，需全部更換以消除隱患，新防爆膜建議采用不銹鋼材質(zhì)。

b) 根據(jù)理論計(jì)算及分析，新防爆膜的額定動(dòng)作值選擇應(yīng)適宜，推薦ES/DS單元?dú)馐曳辣ゎ~定動(dòng)作值選擇在1～1.2 MPa，CB單元?dú)馐彝扑]取值在1.2～1.8 MPa。

c) 計(jì)算表明，隨厚度的增加，HGIS設(shè)備外殼發(fā)生燒穿的時(shí)間也隨之增加，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果，當(dāng)設(shè)備外殼達(dá)到10 mm時(shí)，HGIS設(shè)備外殼在保護(hù)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，不會(huì)發(fā)生燒穿或者因爆炸產(chǎn)生碎片。

d) 具備一定厚度的設(shè)備外殼，若其氣室足夠大，僅從強(qiáng)度方面考慮，不安裝防爆膜也能符合標(biāo)準(zhǔn)DL/T 617—2010。

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(編輯王朋)

Analysis on Operation Reliability of 500 kV HGIS Explosion-proof Membranes in Dongguan Area

WEI Lingfeng

(Dongguan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Co., Ltd., Dongguan, Guangdong 523000, China)

This paper introduces operation of 500 kV hybrid gas insulated metal enclosed switchgear (HGIS) explosion-proof membranes in Dongguan area and conducts qualitative and semi-quantitative analysis on chemical elements of deteriorated explosion-proof membrane samples. Detection results indicate the main reason for reduction of performance of the explosion-proof membrane is insufficient anti-corrosion capacity of original materials and then burst test is carried out for verification. Burn-through time of equipment enclosure and pressure rising value of HGIS chamber caused by arc fault are calculated and recommended values of rated action parameters after changing explosion-proof membranes are presented by combining cooperative relationship between external effect of arc and the protective device. In order to eliminate security hidden danger of invalidation of the explosion-proof membranes, it is suggested to change materials of all old original explosion-proof membranes into stainless steel materials and redesign rated action parameters according to analysis results.

hybrid gas insulated metal enclosed switchgear (HGIS); explosion-proof membrane; deterioration; burn-through time; breakdown pressure

2016-04-15

10.3969/j.issn.1007-290X.2016.09.022

TM595

A

1007-290X(2016)09-0109-05

魏凌楓(1985)，男，廣東河源人。工程師，工學(xué)碩士，從事變電一次設(shè)備的檢修與維護(hù)管理工作。