关于内部电弧故障的研究

解超 许猛

摘 要：  GIS设备内部电弧故障是在短路电流条件下，故障电弧在GIS金属壳体内剧烈燃烧并伴随各种危害性现象，如局部过热、烧穿壳体等，将严重损害GIS设备，甚至危及人身安全。本文通过计算某电压等级GIS母线因内部故障电弧引起的壳体内部压力变化及其烧穿时间，并通过试验验证，分析该母线的设计合理性。

关键词：  GIS;内部电弧故障;烧穿;压力释放

【中图分类号】TM591     【文献标识码】A     【文章编号】1674-3733（2020）06-0129-02

1 引言

气体绝缘金属封闭开关设备简称GIS，其母线等封装在金属外壳内，壳体内充一定的SF6气体作为绝缘介质。内部电弧故障是在短路电流条件下，故障电弧在GIS金属壳体内剧烈燃烧并产生大量热量。产生的热量将加热壳体内的SF6气体，使壳体内的压力迅速抬升，需采取一定措施将压力释放，否则壳体存在爆炸风险，损害 GIS设备甚至危及人身安全。另外，故障电弧将对壳体内表面进行烧蚀，最终将壳体烧穿。因此，在设计GIS设备时，需考虑内部电弧故障引起的壳体内部压力变化及其烧穿时间。

本文以某电压等级GIS母线为例，对其内部电弧故障进行计算分析，并通过试验验证其设计的合理性。

2 某电压等级GIS母线试品简介

某电压等级GIS母线试品为直线型母线，长度4米，使用特定工装封闭并连接于外部试验电源，其手孔上设有压力释放装置，如图1所示：

该母线试品的相关参数见表1：

3 相关判定依据

GB 7674-2008 额定电压72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备中规定，为考核试品性能，燃弧期间施加的电流应相应于额定短时耐受电流，对照表1可知额定短时耐受电流为50kA，并给出了故障电弧持续时间内试品合格的判定依据，如满足该判定依据，则认为该母线设计合理，具体要求见表2。

4 壳体烧穿时间计算

当GIS设备发生内部电弧故障时，故障电弧将剧烈燃烧并产生很高的能量，将会烧蚀GIS设备金属壳体，经过一段时间烧蚀后，金属壳体最终将被烧穿。因此需要计算金属壳体的烧穿时间，烧穿时间可按式（1）进行计算：

T=（Cm×W1.77）/I0.67  （1）

其中，T为烧穿时间（单位：ms），Cm为材料系数（参考相关资料，取值87.4），W为金属壳体厚度（单位：mm），I为故障电弧电流（单位：kA）。

对照表1可知，该母线试品的金属壳体最小壁厚W=10mm，I=50kA，将其代入式（1）中，可以求出烧穿时间T=374ms>0.1s。对照表2可知，烧穿时间满足上述标准的要求并有充足的裕度，该母线试品壳体壁厚设计合理。

5 壳体内部压力升高计算

当GIS设备发生内部电弧故障时，故障电弧会使密封隔室内的压力迅速抬升，若该密封隔室不设置压力释放装置，当升高的压力超过金属壳体所能承受的极限压力时，壳体就会发生爆炸，造成严重损失。因此，GIS设备的密封隔室需设置压力释放装置，当升高的压力超过压力释放装置启动压力时，压力释放装置的爆破片就會动作，可以有效的保护设备。

在设计GIS设备时，需计算内部电弧故障持续时间内壳体内的压力升高值，并校验压力释放装置的设置是否合理。

充以SF6气体作为绝缘介质的密封隔室中，其内部因故障电弧引起的压力升高值，可以按式（2）进行计算：

Pu=（Ce×Ia×Ta）/Vc  （2）

其中，Pu为压力升高值（单位：bar），Ce为设备系数（参考相关资料，取值0.45），Ia为故障电弧电流（单位：kA），Ta为故障电弧持续时间（单位：ms），Vc为密封隔室的容积（单位：L）。

对照表1可知，故障电弧电流Ia=50kA;故障电弧持续时间分为两个阶段，阶段一（主保护）Ta=0.1s，阶段二（后备保护）Ta=0.3s（此数值为标准规定时间，若产品壳体烧穿时间小于0.3s，则选取产品壳体烧穿时间），将其代入式（2）中，可以求出：

阶段一（主保护）：Pu=1.875 bar;阶段二（后备保护）：Pu=5.625 bar。

由上述计算结果可知，当发生内部电弧故障时，在主保护阶段，该母线试品内的压力为0.6875MPa，小于压力释放装置的启动压力（0.75MPa）、壳体的例行试验压力（1.3MPa）及型式试验压力（3.25MPa），压力释放装置无任何动作;在后备保护阶段，该母线试品内的压力为1.0625MPa，小于壳体的例行试验压力（1.3MPa）及型式试验压力（3.25MPa），但大于压力释放装置的启动压力（0.75MPa），此时压力释放装置的爆破片将启动，但该母线试品不会有爆炸的风险。

6 试验验证

对该母线试品按照表1中的参数进行内部电弧故障试验验证，试验结果为：壳体内部导体存在轻微烧蚀现象，壳体

外部表面情况良好，无碎片，压力释放装置的爆破片破裂，如图2所示。

7 结论

基于上述某电压等级GIS母线内部电弧故障烧穿时间和内部压力升高的计算分析及试验验证，可以得出以下结论：

该母线试品壳体烧穿时间为374ms，满足标准要求;当发生内部电弧故障时，该母线试品密封隔室内的压力在主保

护阶段为0.6875MPa，压力释放装置无任何动作;该母线试品密封隔室内的压力在后备保护阶段为1.0625MPa，压力释放装置爆破片破裂，壳体无损伤。该母线设计合理，可以保证设备及工作人员的人身安全。

参考文献

[1] GB 7674-2008 额定电压72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备.

[2] 黎斌.SF6高压电气设计[M].北京：机械工业出版社，2015.6.

[3] 张节容，等.高压电器原理及应用 [M].北京：清华大学出版社，1989.