魏凌楓

(廣東電網有限責任公司東莞供電局，廣東 東莞 523000)

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東莞地區(qū)500 kV HGIS防爆膜運行可靠性分析

魏凌楓

(廣東電網有限責任公司東莞供電局，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關設備(hybrid gas insulated metal enclosed switchgear，HGIS)防爆膜的運行情況，對劣化的防爆膜樣品進行化學成分元素定性和半定量分析，檢測結果表明防爆膜原材質的耐腐蝕能力不足是防爆膜性能下降的主要原因，后又進行爆裂試驗驗證。計算HGIS氣室因電弧故障引起的設備外殼燒穿時間和壓力升高值，結合電弧的外部效應與保護裝置配合的關系，給出防爆膜更換后額定動作參數的推薦值。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，并按文中分析結果重新設計其額定動作參數。

混合式氣體絕緣金屬封閉開關設備；防爆膜；劣化；燒穿時間；破壞壓力

混合式氣體絕緣金屬封閉開關設備(hybrid gas insulated metal enclosed switchgear，HGIS)以氣體絕緣金屬封閉開關設備(gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS)技術為基礎進行設計, 將斷路器、隔離開關、電流互感器布置在1個復合電器內, 母線及其余設備敞開布置[1]。由于兼具常規(guī)敞開式開關設備(air insulated switchgear，AIS)和GIS的優(yōu)點，東莞地區(qū)在運行的5座500 kV變電站均采用了HGIS布置方式，但HGIS因其封閉氣室結構的特點，內部故障產生的電弧會在很短的時間內造成SF6氣體壓力快速升高致使殼體塑性變形甚至爆炸，為保護設備和人身安全，通常采用壓力釋放和快速保護等一系列措施來限制和避免內部故障電弧[2]。

本文對東莞地區(qū)500 kV HGIS防爆膜的材質和額定動作參數進行分析，以試驗驗證和理論計算為依據，提出防爆膜更換的建議措施。

1　500 kV HGIS防爆膜運行情況

壓力釋放裝置可以防止在內部故障時產生過壓力。根據標準[3]，由于安全以及為了限制對GIS的不良后果，除了過壓力能夠自身限制到不超過型式試驗以外，對于大容積隔室，推薦每個隔室都裝設壓力釋放裝置，500 kV HGIS通常設置防爆膜作為設備的壓力釋放裝置。防爆膜的動作情況分2種：

a) 正確動作。因罐體內部故障引起氣體壓力升高導致防爆膜破裂。

b) 誤動作。由于受材質劣化、設計參數不合理以及外部環(huán)境等因素的影響，氣室內的壓力未達到爆破壓力時，防爆膜爆裂；或者當壓力達到爆破壓力時，防爆膜不動作。

因此，中國南方電網有限責任公司電力設備檢修規(guī)程規(guī)定[4]：每6年應對防爆膜進行B類檢修，確保防爆膜無嚴重銹蝕、氧化及變形現象。

魏凌楓：東莞地區(qū)500kVHGIS防爆膜運行可靠性分析

1.1防爆膜劣化情況統計

2013年在對500 kV變電站HGIS防爆膜的檢查中，發(fā)現防爆膜劣化情況嚴重，其中某兩個500 kV變電站的運行情況見表1。

表1500 kV HGIS防爆膜調查情況

變電站設備氣室防爆膜數量/個銹蝕數量/個投產日期檢查日期A開關氣室39392010-052013-04隔離開關78782010-052013-04B開關氣室30302004-012013-04隔離開關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3年的變電站A，部分防爆膜銹蝕情況已非常嚴重，如圖1所示。

圖1　變電站A 500 kV HGIS防爆膜銹蝕情況

從結構上來看，東莞地區(qū)在運行的500 kV HGIS防爆膜均采用反拱刻槽型結構，這種結構的防爆膜因具有爆破氣壓穩(wěn)定、爆破時無碎片、抗疲勞性能優(yōu)越以及動態(tài)響應迅速等優(yōu)點，是現在組合電器產品防爆膜的主流設計[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

對防爆膜進行宏觀檢查，可見防爆膜完整，表面有涂層，非壓力側布滿綠色斑點，如圖2所示。將防爆膜有綠色斑點的部位折斷，在掃描電子顯微鏡下觀察斷面形貌，可見局部已形成腐蝕坑，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成分元素分析

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

圖4　防爆膜基體檢測

檢測結果顯示，防爆膜基體的主要金屬元素為Ni(質量分數為83.83%，原子數分數為59.9%)，非金屬元素主要為O(質量分數為13.77%，原子數分數為36.1%)，其次為Si和C。

圖5　防爆膜附著物檢測

檢測結果顯示，防爆膜表面附著物的主要金屬元素為Ni(質量分數為51.15%，原子數分數為24.67%)，非金屬元素主要為O(質量分數為36.07%，原子數分數為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)生了較為嚴重的氧化腐蝕現象，這些腐蝕性的介質隨著雨水落到爆破片的泄壓側，積存后不斷蒸發(fā)濃縮，如此反復，有腐蝕性的介質隨之不斷增加，高濃度的有腐蝕性的介質不斷腐蝕爆破片，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

為了評估老化及表面腐蝕對防爆膜的影響，對部分防爆膜進行了爆裂試驗[7]，結果見表2。

表2500 kV HGIS防爆膜調查情況

檢查位置額定值/MPa試驗值/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

爆裂試驗數據顯示，防爆膜實際爆破壓力普遍存在下降的趨勢，其中CB5042 U、V相爆裂試驗值已處于下限。結合防爆膜及表面附著物的成分分析來看，材質的變化可能是導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值仍在廠家的合格范圍之內，但防爆膜總體運行情況有進一步劣化的趨勢；同時，由于防爆膜的爆破壓力有一定離散性，且產品出廠試驗進行的是抽樣爆破測試，若防爆膜生產工藝控制不良，其爆破壓力在出廠時已處于下限甚至突破下限。綜合以上考慮，認為原防爆膜的性能已難以保證設備30年的設計使用壽命。

對比該型號產品在廣東其他地區(qū)的運行情況，HGIS防爆膜均存在不同程度的劣化情況，2014年某局甚至發(fā)生過一起斷路器氣室防爆膜在未無任何故障的情況下誤爆的案例。鑒于500 kV變電站的重要性，應對銹蝕的防爆膜全部進行更換以徹底消除隱患。同時，為保證更換后的防爆膜能可靠運行，應重點考慮以下2個設計因素：一是新防爆膜的材質選取必須適應東莞地區(qū)的大氣環(huán)境；二是針對原防爆膜存在的誤動作隱患，應對其額定爆破壓力值進行重新計算。

2　防爆膜額定爆破壓力選擇的依據

防爆膜額定爆破壓力值的選擇，一方面應考慮防爆膜必須具有長期承受設備運行氣壓的穩(wěn)定性，而不至于誤爆裂，對于HGIS設備，其最小爆裂設計值Pmin主要受封閉電器的額定工作壓強pe及爆破片型式的影響，對于反拱刻槽型Pmin應滿足[8]

(1)

根據文獻[9]，爆破片的更換周期要達到20年以上時，Pmin應選擇額定工作壓強的2倍以上。防爆膜額定爆破壓力值的選擇，另一方面應考慮在設備發(fā)生短路故障時，防爆膜在設備外殼燒穿或爆炸前能可靠動作，此原則須符合行業(yè)標準[5]的規(guī)定：對于額定開斷短路電流為63kA的HGIS，當HGIS發(fā)生內部故障時，在第一段(主保護)保護時間100ms內，除了適當的壓力釋放裝置動作外，沒有外部效應；在第二級(后備保護)保護時間300ms內，氣室沒有碎片(允許燒穿)。

該標準的判據主要體現在2方面：

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

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

2.1HGIS設備外殼燒穿時間的計算

HGIS設備外殼被電弧燒穿的時間與外殼的材料、厚度和故障電流的大小有關，參照文獻[10].HGIS氣室因故障產生外殼燒穿的時間計算如下：

(2)

式中：t為外殼燒穿時間，s；I為故障電流，kA；δ為外殼的厚度，cm；k為材料系數，本文結構為鋁材，取k=87.4。

以東莞地區(qū)典型的500 kV HGIS為例進行計算，變電站B有兩個廠家的設備型號，額定開斷短路電流均為63 kA。不同厚度的殼體燒穿時間計算見表3。

表3不同厚度的殼體燒穿時間計算

廠家氣室額定氣壓/MPa設計壓力/MPa額定開斷短路電流/kA殼體厚度/mm防爆膜額定動作值/MPa燒穿時間/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，保護動作規(guī)定的300 ms內，只有廠家A的ES/DS氣室在216 ms發(fā)生燒穿現象。

2.2內部電弧引起的壓力升高計算

參照文獻[6]，HGIS氣室因內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)時間，ms；Ceq為設備系數。

氣室的最終壓力

(4)

根據式(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，下面針對廠家A最小的ES/DS單元氣室單元進行分析，氣室容積為861L，額定開斷短路電流為63kA，額定壓力0.5MPa，設計壓力0.64MPa，對于鑄造外殼的破壞壓力按設計壓力的3.5倍計算[10]為2.24MPa。行業(yè)標準[5]規(guī)定Ceq的數值由制造廠通過類似設備的試驗驗證，本文參照ABB資料1HC0007017，500kV分相設計的HGIS設備系數Ceq取0.45，計算該氣室故障燃弧時間和最終壓力的關系如圖6所示。

圖6　ES/DS單元氣室故障燃弧時間和最終壓力的關系

由圖6可知，廠家A最小的ES/DS單元氣室，發(fā)生內部故障后：

a) 在第一段保護動作時間100 ms內，氣室外殼不會因電弧故障出現燒穿現象，最終壓力為0.83 MPa，未達到外殼的破壞壓力，防爆膜有可能動作，符合標準。

b) 在第二段保護動作時間300 ms內，氣室外殼因電弧故障在216 ms時發(fā)生燒穿，此時氣室的最終壓力為1.21 MPa，未達到外殼的破壞壓力，符合標準。

對于廠家B，表3的數據顯示其所有氣室在300 ms內不會因電弧故障發(fā)生燒穿現象，在氣室容積相同的情況下，最小的ES/DS單元氣室最終壓力為1.49 MPa，未達到其外殼的破壞壓力1.82 MPa。僅從電弧的外部效應與保護裝置配合關系的判據來看，廠家B的HGIS在設計中未設置防爆裝置，是符合標準的。

3　防爆膜的選取

防爆膜的額定爆破壓力選擇應適宜，太小容易誤動作，太大又不能及時動作。根據前文分析，反拱刻槽型防爆膜的額定動作值最小值不宜小于氣室2倍的額定運行壓力，且不應大于在保護時間內發(fā)生燒穿時的最終壓力值。

廠家A最小的ES/DS單元氣室的額定氣壓為0.5 MPa，故障燒穿時的最終壓力1.21 MPa，推薦該氣室的防爆膜額定動作值在1～1.2 MPa，既防止誤動，又可保證在殼體燒穿之前，防爆膜可靠動作，從而保證設備和人身的安全。對于CB單元氣室，其額定氣壓為0.6 MPa，在規(guī)定值300 ms時間內不會發(fā)生燒穿，推薦取值在1.2～1.8 MPa。

新防爆膜材質的選擇推薦用不銹鋼，同時考慮廣東地區(qū)的大氣環(huán)境，建議更換后的防爆膜應有防銹措施，如通過噴防銹劑等措施進行保護，但防銹劑的使用不應對防爆膜的額定動作值產生影響。

4　結論

本文通過對東莞地區(qū)500 kV HGIS防爆膜的性能進行分析，其結果表明：

a) 舊防爆膜因材質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。

b) 根據理論計算及分析，新防爆膜的額定動作值選擇應適宜，推薦ES/DS單元氣室防爆膜額定動作值選擇在1～1.2 MPa，CB單元氣室推薦取值在1.2～1.8 MPa。

c) 計算表明，隨厚度的增加，HGIS設備外殼發(fā)生燒穿的時間也隨之增加，根據經驗公式的計算結果，當設備外殼達到10 mm時，HGIS設備外殼在保護規(guī)定的時間內，不會發(fā)生燒穿或者因爆炸產生碎片。

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

[1] 夏文，胡旭輝.550 kV氣體絕緣金屬封閉組合電器及其應用[J].高壓電器，2010，46(12)：89-92.

XIA Wen，HU Xuhui.550 kV Hybrid Gas Insulated Switchgear and Its Application[J]. High Voltage Apparatus，2010，46(12)：89-92.

[2] 劉亞坤. SF6封閉式組合電器氣室安全設計研究[D]. 大連：大連理工大學，2010.

[3] DL/T 617—2010，氣體絕緣金屬封閉開關設備技術條件[S].

[4] Q/CSG 1205001—2014，電力設備檢修規(guī)程[S].

[5] 李新東，蘇貴宇，許文斌. 電力開關用爆破片的防護裝置[J]. 電氣開關，2013(4)：33-39.

LI Xindong，SU Guiyu，XU Wenbin. Protective Devices of Bursting Disc Used in Electric Power Switch[J]. Electric Switcher， 2013(4)：33-39.

[6] 孟慶武，余俊志，張永峰.一起不銹鋼爆破片異常失效后的檢測分析[J].壓力容器，2015，32(7)：59-62.

MENG Qingwu，YU Junzhi，ZHANG Yongfeng,Testing Analysis of a Stainless Steel Rupture Disk after Abnormal Failure[J].Pressure Vessel Technology，2015，32(7)：59-62.

[7] GB 150.1—2011，壓力容器 第1部分：通用要求[S].

[8] 王一鳴.爆破片的設置、選型與計算[J]. 山東化工，2016，45(2)：99-102.

WANG Yiming.Setup，Selection and Calculation for Bursting Discs[J]. Shandong Chemical Industry，2016，45(2)：99-102.

[9] 李新東，喻建良，李岳.電力開關用爆破片的更換周期[J]. 電氣開關，2012(3)：96-97.

LI Xindong，YU Jianliang，LI Yue.Replacement Cycle of Bursting Disc Used in Electric Power Switch[J].Electric Switcher，2012(3)：96-97.

[10] 魯加明，曹偉偉，周振華. 550 kV GIL 母線的結構設計[J]. 電氣技術，2015(9)：59-63.

LU Jiaming，CAO Weiwei， ZHOU Zhenhua. The Structural Design of 550 kV GIL Bus[J].Electrical Engineering，2015(9)：59-63.

(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，工學碩士，從事變電一次設備的檢修與維護管理工作。