东莞地区500 kV HGIS防爆膜运行可靠性分析

魏凌枫

(广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000)



东莞地区500 kV HGIS防爆膜运行可靠性分析

魏凌枫

(广东电网有限责任公司东莞供电局，广东 东莞 523000)

介绍了东莞地区500 kV混合式气体绝缘金属封闭开关设备(hybrid gas insulated metal enclosed switchgear，HGIS)防爆膜的运行情况，对劣化的防爆膜样品进行化学成分元素定性和半定量分析，检测结果表明防爆膜原材质的耐腐蚀能力不足是防爆膜性能下降的主要原因，后又进行爆裂试验验证。计算HGIS气室因电弧故障引起的设备外壳烧穿时间和压力升高值，结合电弧的外部效应与保护装置配合的关系，给出防爆膜更换后额定动作参数的推荐值。为消除防爆膜失效的安全隐患，建议将旧防爆膜全部更换为不锈钢材质，并按文中分析结果重新设计其额定动作参数。

混合式气体绝缘金属封闭开关设备；防爆膜；劣化；烧穿时间；破坏压力

混合式气体绝缘金属封闭开关设备(hybrid gas insulated metal enclosed switchgear，HGIS)以气体绝缘金属封闭开关设备(gas-insulated metal-enclosed switchgear，GIS)技术为基础进行设计, 将断路器、隔离开关、电流互感器布置在1个复合电器内, 母线及其余设备敞开布置[1]。由于兼具常规敞开式开关设备(air insulated switchgear，AIS)和GIS的优点，东莞地区在运行的5座500 kV变电站均采用了HGIS布置方式，但HGIS因其封闭气室结构的特点，内部故障产生的电弧会在很短的时间内造成SF6气体压力快速升高致使壳体塑性变形甚至爆炸，为保护设备和人身安全，通常采用压力释放和快速保护等一系列措施来限制和避免内部故障电弧[2]。

本文对东莞地区500 kV HGIS防爆膜的材质和额定动作参数进行分析，以试验验证和理论计算为依据，提出防爆膜更换的建议措施。

1　500 kV HGIS防爆膜运行情况

压力释放装置可以防止在内部故障时产生过压力。根据标准[3]，由于安全以及为了限制对GIS的不良后果，除了过压力能够自身限制到不超过型式试验以外，对于大容积隔室，推荐每个隔室都装设压力释放装置，500 kV HGIS通常设置防爆膜作为设备的压力释放装置。防爆膜的动作情况分2种：

a) 正确动作。因罐体内部故障引起气体压力升高导致防爆膜破裂。

b) 误动作。由于受材质劣化、设计参数不合理以及外部环境等因素的影响，气室内的压力未达到爆破压力时，防爆膜爆裂；或者当压力达到爆破压力时，防爆膜不动作。

因此，中国南方电网有限责任公司电力设备检修规程规定[4]：每6年应对防爆膜进行B类检修，确保防爆膜无严重锈蚀、氧化及变形现象。

魏凌枫：东莞地区500kVHGIS防爆膜运行可靠性分析

1.1防爆膜劣化情况统计

2013年在对500 kV变电站HGIS防爆膜的检查中，发现防爆膜劣化情况严重，其中某两个500 kV变电站的运行情况见表1。

表1500 kV HGIS防爆膜调查情况

变电站设备气室防爆膜数量/个锈蚀数量/个投产日期检查日期A开关气室39392010-052013-04隔离开关78782010-052013-04B开关气室30302004-012013-04隔离开关54542004-012013-04

由表1可知，所有防爆膜均存在不同程度的锈蚀情况，尤其是才投运3年的变电站A，部分防爆膜锈蚀情况已非常严重，如图1所示。

图1　变电站A 500 kV HGIS防爆膜锈蚀情况

从结构上来看，东莞地区在运行的500 kV HGIS防爆膜均采用反拱刻槽型结构，这种结构的防爆膜因具有爆破气压稳定、爆破时无碎片、抗疲劳性能优越以及动态响应迅速等优点，是现在组合电器产品防爆膜的主流设计[5]。

1.2防爆膜及表面附着物分析

1.2.1样品宏观和微观检查

对防爆膜进行宏观检查，可见防爆膜完整，表面有涂层，非压力侧布满绿色斑点，如图2所示。将防爆膜有绿色斑点的部位折断，在扫描电子显微镜下观察断面形貌，可见局部已形成腐蚀坑，如图3所示。

图2　防爆膜宏观检查

图3　防爆膜折断面电镜形貌

1.2.2基体和表面附着物化学成分元素分析

通过扫描电子显微镜及电制冷能谱仪对防爆膜样品的基体(如图4所示)及表面附着物(如图5所示)进行化学成分元素定性和半定量分析。

图4　防爆膜基体检测

检测结果显示，防爆膜基体的主要金属元素为Ni(质量分数为83.83%，原子数分数为59.9%)，非金属元素主要为O(质量分数为13.77%，原子数分数为36.1%)，其次为Si和C。

图5　防爆膜附着物检测

检测结果显示，防爆膜表面附着物的主要金属元素为Ni(质量分数为51.15%，原子数分数为24.67%)，非金属元素主要为O(质量分数为36.07%，原子数分数为63.85%)，其次为S、Cl、C和Si。

由以上分析可知，防爆膜基体的主要成分为Ni，其表面附着物的主要成分则转变为具有明显腐蚀特征的氧化物、硫化物和氯化物，防爆膜原材质的耐腐蚀能力明显不足，在大气环境因素的影响下发生了较为严重的氧化腐蚀现象，这些腐蚀性的介质随着雨水落到爆破片的泄压侧，积存后不断蒸发浓缩，如此反复，有腐蚀性的介质随之不断增加，高浓度的有腐蚀性的介质不断腐蚀爆破片，尤其是在带槽型爆破片的刀痕处更容易产生局部腐蚀，使爆破片的爆破压力急剧下降[6]。

1.3防爆膜爆裂试验

为了评估老化及表面腐蚀对防爆膜的影响，对部分防爆膜进行了爆裂试验[7]，结果见表2。

表2500 kV HGIS防爆膜调查情况

检查位置额定值/MPa试验值/MPa校正值/MPa下降率/%变化率/%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

爆裂试验数据显示，防爆膜实际爆破压力普遍存在下降的趋势，其中CB5042 U、V相爆裂试验值已处于下限。结合防爆膜及表面附着物的成分分析来看，材质的变化可能是导致防爆膜的爆破压力逐渐下降的主要原因。虽然此次抽取的防爆膜样品其爆裂试验值仍在厂家的合格范围之内，但防爆膜总体运行情况有进一步劣化的趋势；同时，由于防爆膜的爆破压力有一定离散性，且产品出厂试验进行的是抽样爆破测试，若防爆膜生产工艺控制不良，其爆破压力在出厂时已处于下限甚至突破下限。综合以上考虑，认为原防爆膜的性能已难以保证设备30年的设计使用寿命。

对比该型号产品在广东其他地区的运行情况，HGIS防爆膜均存在不同程度的劣化情况，2014年某局甚至发生过一起断路器气室防爆膜在未无任何故障的情况下误爆的案例。鉴于500 kV变电站的重要性，应对锈蚀的防爆膜全部进行更换以彻底消除隐患。同时，为保证更换后的防爆膜能可靠运行，应重点考虑以下2个设计因素：一是新防爆膜的材质选取必须适应东莞地区的大气环境；二是针对原防爆膜存在的误动作隐患，应对其额定爆破压力值进行重新计算。

2　防爆膜额定爆破压力选择的依据

防爆膜额定爆破压力值的选择，一方面应考虑防爆膜必须具有长期承受设备运行气压的稳定性，而不至于误爆裂，对于HGIS设备，其最小爆裂设计值Pmin主要受封闭电器的额定工作压强pe及爆破片型式的影响，对于反拱刻槽型Pmin应满足[8]

(1)

根据文献[9]，爆破片的更换周期要达到20年以上时，Pmin应选择额定工作压强的2倍以上。防爆膜额定爆破压力值的选择，另一方面应考虑在设备发生短路故障时，防爆膜在设备外壳烧穿或爆炸前能可靠动作，此原则须符合行业标准[5]的规定：对于额定开断短路电流为63kA的HGIS，当HGIS发生内部故障时，在第一段(主保护)保护时间100ms内，除了适当的压力释放装置动作外，没有外部效应；在第二级(后备保护)保护时间300ms内，气室没有碎片(允许烧穿)。

该标准的判据主要体现在2方面：

a) 100ms内。气室外壳不因电弧故障出现烧穿现象并且不因压力升高而发生爆炸产生碎片。

b) 300ms内。气室外壳允许因电弧故障发生烧穿现象，但不能因压力升高而发生爆炸产生碎片。

2.1HGIS设备外壳烧穿时间的计算

HGIS设备外壳被电弧烧穿的时间与外壳的材料、厚度和故障电流的大小有关，参照文献[10].HGIS气室因故障产生外壳烧穿的时间计算如下：

(2)

式中：t为外壳烧穿时间，s；I为故障电流，kA；δ为外壳的厚度，cm；k为材料系数，本文结构为铝材，取k=87.4。

以东莞地区典型的500 kV HGIS为例进行计算，变电站B有两个厂家的设备型号，额定开断短路电流均为63 kA。不同厚度的壳体烧穿时间计算见表3。

表3不同厚度的壳体烧穿时间计算

厂家气室额定气压/MPa设计压力/MPa额定开断短路电流/kA壳体厚度/mm防爆膜额定动作值/MPa烧穿时间/msAES/DS0.50.646380.840～0.760216CB0.60.7863100.945～0.855321BES/DS0.40.526312未安装防爆膜442CB0.50.646316未安装防爆膜737

从表3可知，保护动作规定的300 ms内，只有厂家A的ES/DS气室在216 ms发生烧穿现象。

2.2内部电弧引起的压力升高计算

参照文献[6]，HGIS气室因内部故障造成的压力升高

(3)

式中:Δp为压力升高，MPa；Iarc为故障电弧电流有效值，kA；Vco为隔室的容积，L；tarc为电弧持续时间，ms；Ceq为设备系数。

气室的最终压力

(4)

根据式(3)可知，气室容积越小，壳体因压力升高而损坏的可能性就越大，因此，下面针对厂家A最小的ES/DS单元气室单元进行分析，气室容积为861L，额定开断短路电流为63kA，额定压力0.5MPa，设计压力0.64MPa，对于铸造外壳的破坏压力按设计压力的3.5倍计算[10]为2.24MPa。行业标准[5]规定Ceq的数值由制造厂通过类似设备的试验验证，本文参照ABB资料1HC0007017，500kV分相设计的HGIS设备系数Ceq取0.45，计算该气室故障燃弧时间和最终压力的关系如图6所示。

图6　ES/DS单元气室故障燃弧时间和最终压力的关系

由图6可知，厂家A最小的ES/DS单元气室，发生内部故障后：

a) 在第一段保护动作时间100 ms内，气室外壳不会因电弧故障出现烧穿现象，最终压力为0.83 MPa，未达到外壳的破坏压力，防爆膜有可能动作，符合标准。

b) 在第二段保护动作时间300 ms内，气室外壳因电弧故障在216 ms时发生烧穿，此时气室的最终压力为1.21 MPa，未达到外壳的破坏压力，符合标准。

对于厂家B，表3的数据显示其所有气室在300 ms内不会因电弧故障发生烧穿现象，在气室容积相同的情况下，最小的ES/DS单元气室最终压力为1.49 MPa，未达到其外壳的破坏压力1.82 MPa。仅从电弧的外部效应与保护装置配合关系的判据来看，厂家B的HGIS在设计中未设置防爆装置，是符合标准的。

3　防爆膜的选取

防爆膜的额定爆破压力选择应适宜，太小容易误动作，太大又不能及时动作。根据前文分析，反拱刻槽型防爆膜的额定动作值最小值不宜小于气室2倍的额定运行压力，且不应大于在保护时间内发生烧穿时的最终压力值。

厂家A最小的ES/DS单元气室的额定气压为0.5 MPa，故障烧穿时的最终压力1.21 MPa，推荐该气室的防爆膜额定动作值在1～1.2 MPa，既防止误动，又可保证在壳体烧穿之前，防爆膜可靠动作，从而保证设备和人身的安全。对于CB单元气室，其额定气压为0.6 MPa，在规定值300 ms时间内不会发生烧穿，推荐取值在1.2～1.8 MPa。

新防爆膜材质的选择推荐用不锈钢，同时考虑广东地区的大气环境，建议更换后的防爆膜应有防锈措施，如通过喷防锈剂等措施进行保护，但防锈剂的使用不应对防爆膜的额定动作值产生影响。

4　结论

本文通过对东莞地区500 kV HGIS防爆膜的性能进行分析，其结果表明：

a) 旧防爆膜因材质的变化等因素的影响，其爆破压力已处于下限甚至突破下限，需全部更换以消除隐患，新防爆膜建议采用不锈钢材质。

b) 根据理论计算及分析，新防爆膜的额定动作值选择应适宜，推荐ES/DS单元气室防爆膜额定动作值选择在1～1.2 MPa，CB单元气室推荐取值在1.2～1.8 MPa。

c) 计算表明，随厚度的增加，HGIS设备外壳发生烧穿的时间也随之增加，根据经验公式的计算结果，当设备外壳达到10 mm时，HGIS设备外壳在保护规定的时间内，不会发生烧穿或者因爆炸产生碎片。

d) 具备一定厚度的设备外壳，若其气室足够大，仅从强度方面考虑，不安装防爆膜也能符合标准DL/T 617—2010。

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(编辑王朋)

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

魏凌枫(1985)，男，广东河源人。工程师，工学硕士，从事变电一次设备的检修与维护管理工作。