气体绝缘开关用爆破片的使用要求及安装结构设计

李 岳，张兴和，姜一昌，朱永江，喻友良，温殿江

（1.大连理工大学 化工机械与安全学院，辽宁 大连 116011；2.大连度达理工安全系统有限公司，辽宁 大连 116620；3.大连度达理工安全工程有限公司，辽宁 大连 116620）

气体绝缘开关又被称为六氟化硫封闭式组合电器（GIS），是将变电站中除变压器外的一次设备，包括断路器、隔离开关、接地开关、电压互感器、电流互感器和避雷器等组成一个整体，置于六氟化硫气体保护中。这些设备在动作时会释放出巨大的热量，使六氟化硫气体受热膨胀而导致设备急速升压，为了防止设备因超压发生破坏，大部分GIS中均安装有爆破片安全泄放装置。

爆破片是一种免维护超压泄放装置，当爆破片两侧压力差达到预定温度下的预定值时，爆破片即刻破裂或脱落，泄放出压力介质。其动作灵敏、准确、可靠且无泄漏，特别适合于急速超压泄放，平时也无需对其进行特别维护。只要爆破片结构设计合理、安装满足要求、材料足以抵抗环境介质腐蚀、工作在允许压力之下，爆破片的寿命就应不低于电器的整体寿命。爆破片特别适合安装于野外、人员不易经常进行检查的设备上，但爆破片是一种非重闭型泄压装置，超压破裂后无法重新关闭。一旦爆破片出现非正常破坏，就会完全泄放掉设备内的介质，使设备再也无法工作，生产过程中断。对于组合电器而言，一旦爆破片发生故障，就会引起组合电器连锁动作而造成大面积停电，导致严重后果［1-5］。

1 GIS常用爆破片类型

目前，在GIS上安装的爆破片类型主要有正拱形和反拱形爆破片，见图1。

图1 GIS上常用爆破片类型

正拱形爆破片受力特点是凹面承压，膜片内为拉应力，当拉应力达到膜片抗拉极限后爆破片爆破。反拱形爆破片受力特点是膜片凸面承压，膜片内为压缩应力，爆破形式为失稳破坏，当膜片内压缩应力达到临界失稳应力时，爆破片失稳翻转破坏［6-11］。

正拱形爆破片和反拱形爆破片的种类多样，文中将对这些爆破片的结构特点、安全系数选用要求、安装结构设计及夹紧力要求等内容进行详细介绍。

2 爆破片安全系数选用

目前爆破片相关标准给出了各种类型爆破片的最大允许工作压力的规定，如正拱带槽爆破片的最大允许工作压力不大于最小爆破压力的80%，反拱形爆破片的最大允许工作压力不大于最小爆破压力的90%等［12-21］。但各规范及文献均未给出爆破片工作压力与寿命之间的关系，只是笼统指出在目前给定压力之下工作，爆破片具有长久寿命，而寿命为多长时间可称为长久寿命没有定义，即在目前操作压力下，爆破片的保守寿命是多少，没有任何资料给出确切定义。可以推测，相关资料所给出的使用压力与爆破压力之间的关系，一定是理论分析或在理想试验条件下得到或推测得出，而不是根据实际使用现场条件获得的。本文将爆破压力与最大工作压力之比定义为使用爆破片的安全系数。从力学知识可知，该安全系数越大，爆破片工作压力离爆破压力越远，其寿命必然越长。

大部分GIS用爆破片均在室外使用，环境温度随季节发生变化，极冷冬天与炎热夏天的最大温差可能超过80℃，温差必然导致设备内压力不断波动，同时温度对爆破压力的影响也不容忽视。此外，爆破片长期使用时，环境大气对爆破片材料的轻微腐蚀、设备上夹持条件与爆破片出厂检验时夹持条件之间的细微差别、爆破片在安装时受到轻微损伤及爆破片制造上的偏差等不利因素，都会对爆破片的寿命产生极大的不可逆影响。特别是对低压反拱形爆破片，因其膜片很薄，又极易损伤，影响更甚。而电力设备用爆破片的安全性要求极高，不得出现非事故性低压爆破，这就要求爆破片必须在设备事故下能及时爆破泄压、保护设备，正常工作下不得出现低压爆破事故。为了保证爆破片具有30 a以上的使用寿命，避免各种不利因素对爆破片寿命的影响，爆破片的安全系数选用必须合理。

金属爆破片不仅是压力敏感元件，温度对爆破压力也有较大影响。不同金属材料、不同结构、不同工艺制造的爆破片，温度对爆破压力的影响程度也不同，总体上表现为温度升高爆破压力均有所降低。从有关试验情况看，温度对镍及镍基合金类爆破片的爆破压力影响较小，对GIS上用到的各类镍及镍基合金类爆破片，当爆破片壁面温度不超过100℃时，温度升高引起的爆破压力下降一般不超过常温爆破压力的5%。但对不锈钢材料爆破片，温度对爆破压力影响较大，在使用中必须考虑温度对爆破压力的影响。

笔者考察的国内外20余家GIS用爆破片的安全系数见表1。表1中安全系数为爆破片设计爆破压力与组合电器充气压力之比。

表1 GIS用爆破片安全系数

对制造爆破片所用材料进行统计发现，按ABB公司、西门子公司图样生产的GIS用爆破片大部分采用镍材。温度对镍材爆破片爆破压力的影响很小，设计时往往不考虑温度影响，爆破片设计温度大部分为常温，爆破片安全系数基本取1.6～2.2。从耐腐蚀性看，镍材抵抗卤素离子（氟离子、氯离子等，不包括盐酸）腐蚀的性能要远好于不锈钢，适于在沿海地区使用。但镍材对硫化物、氨等的耐腐蚀性又比不锈钢差，对所安装区域靠近化工厂、炼钢厂等，空气中硫化物（SO2、SO3、H2S等）或氨经常超标地区，爆破片材料选用不锈钢（316L）又好于镍材。统计发现，不锈钢材料爆破片安全系数大多在1.8～2.5。

爆破片是一种压差破坏的泄压元件，对于低压GIS设备用的爆破片，一定要注意设备安装海拔高度对爆破片寿命的影响。例如，设备在低海拔地区充SF6气体压力为0.05 MPa（表压），低海拔地区的环境大气压近似为0.101 MPa，此时GIS设备内SF6气体的绝对压力为0.15 MPa，爆破片承受压差是0.05 MPa。当该充气设备在海拔5 000 m地区使用时，环境大气压为0.054 MPa，该环境下爆破片承受的压差就变为0.096 MPa，爆破片承受的压差几乎增加了1倍，爆破片的安全系数大幅下降，导致爆破片持久寿命也大幅降低，造成在低海拔地区可长久使用的爆破片，换到高海拔地区使用就经常出现低压爆破问题。

GIS用爆破片的安全系数取值不单取决于爆破片的制造水平和性能，也取决于爆破片安装结构的可靠性、充气压力控制精度及使用环境的四季温度变化和环境的腐蚀性，特别是充气压力的准确性对爆破片寿命的影响极大。理论上对各种电器开关都规定了额定充气压力，而实际充气压力都高于规定的额定值，大部分电器的实际充气压力均比额定充气压力高5%～10%。笔者研究发现，在额定充气压力下，爆破片具有30 a的持久寿命，但由于实际充气压力高于额定压力，再加上夏天气温明显升高，导致设备内气体压力明显高于额定压力，就造成安全系数降低，爆破片持久寿命下降，这与低压爆破事故大多发生在炎热夏季的事实是一致的。因此，对GIS这类极其重要设备上所用爆破片安全系数的确定，必须以数十年的使用经验为根据，而不能以爆破片在理想试验条件下获得的安全系数为根据。目前电器开关所用爆破片的安全系数均远大于爆破片相关标准中给定的安全系数（1.1～1.25）。

3 正拱十字槽爆破片结构特点与安装结构设计

正拱十字槽爆破片为表面带十字型减弱槽的正拱形爆破片，超压爆破时爆破片沿槽四瓣开裂，无碎片，可用于气相或液相介质。正拱十字槽爆破片耐疲劳性能一般。当环境介质有腐蚀性时，减弱槽处易产生腐蚀，特别是应力腐蚀。腐蚀会使爆破压力快速下降，故当环境介质对爆破片有腐蚀时，爆破片寿命较短。

正拱十字槽爆破片外形结构见图2，其在设备上的安装结构简图见图3。上夹持结构内径D与爆破片球冠平行圆直径相同，即与爆破片成形的工装内径相同。上夹持结构内径与爆破片接触处的根部圆角半径R一般为1～1.5 mm。下夹持结构内径d一般比上夹持结构内径D小4～6mm，此结构可增强爆破片的抵抗真空能力。

图2 正拱十字槽爆破片外形结构

图3 正拱十字槽爆破片安装结构简图

4 反拱形爆破片结构特点与安装结构设计

4.1 反拱开缝爆破片

反拱开缝爆破片是一种复合结构，由控制爆破压力的金属支撑架和金属密封膜组成。支撑架上加工有数个支撑桥（相当于压杆），支撑桥承受介质压力，当支撑桥所受压缩力达到支撑桥失稳压力时，支撑桥失稳弯曲，支撑架瞬间翻转，并拉断支撑桥与支撑架底部之间的连接，密封膜被支撑架周边的鳄齿结构割破，实现泄压。反拱开缝爆破片的爆破压力由支撑桥的长度、宽度、厚度及数量控制。该结构适用于泄放压力低的场合，并且耐损伤，如果未损伤到支撑桥，爆破压力就不会受到影响。密封膜只起密封作用，不影响爆破压力，只要不泄漏即可。另外夹持力大小对爆破片性能也没有影响。

反拱开缝爆破片目前已被广泛用于低压电器上，其外形结构见图4，安装结构简图见图5。爆破片上夹持结构内径D与下夹持结构内径d相同，下夹持结构内径上部与爆破片接触处的圆角半径R一般为1～1.5 mm，下夹持结构内径与爆破片球冠平行圆直径相同，即与爆破片成形的工装内径相同。上夹持结构内径根部圆角半径r一般为 1～1.5 mm。

图4 反拱开缝爆破片外形结构

图5 反拱开缝爆破片安装结构简图

4.2 反拱十字槽爆破片

反拱十字槽爆破片表面带十字型减弱槽，当设备内压力达到失稳爆破压力时，爆破片瞬间失稳翻转，沿槽四瓣开裂，无碎片。反拱十字槽爆破片对急速升压动态响应好，具有很好的耐疲劳性，适用于气相介质。由于膜片内为压应力，不会发生应力腐蚀，故对相同材料制造的爆破片来说，反拱带槽爆破片的耐腐蚀寿命要高于正拱带槽爆破片。目前在GIS上应用的主要有单片反拱带槽爆破片和与夹持器组焊成套的反拱带槽爆破片2种结构。

4.2.1 单片反拱十字槽爆破片

单片反拱十字槽爆破片外形结构见图6，上面为凹面泄压侧，下面为承压侧，爆破片夹紧力对爆破片性能有影响。目前采用较多的单片反拱十字槽爆破片安装结构简图见图7。

图6 单片反拱十字槽爆破片外形结构

图7 单片反拱十字槽爆破片安装结构简图

单片反拱十字槽爆破片成本低，但对安装结构设计尺寸要求严格：①下夹持结构内径d应与反拱形爆破片底部平行圆直径相同。反拱形爆破片底部平行圆直径由爆破片的预拱成形工装决定。爆破片制造商应根据用户的下夹持结构内径d来设计爆破片预拱成形工装内径，以保证所制造的爆破片外形与用户的下夹持结构内径匹配。②上夹持结构的凸台高度h必须大于等于下夹持结构的凹槽深度H，以确保螺栓对爆破片的压紧力完全作用到爆破片上，使爆破片得到足够压紧力，这样可避免上、下夹持器在边缘处接触而使螺栓对爆破片的压紧力被分散。③上夹持结构内径D下端的圆角半径r取值一般为1～2 mm，下夹持结构内径d的上端圆角半径R取值一般为1～1.5 mm。④上夹持结构内径D是关键尺寸，其值必须小于下夹持结构内径d，二者之间关系为D≈d-2r-3。d、D设计的基本要求是，与爆破片接触处的上夹持结构能有效托住反拱形爆破片的根部，防止反拱形爆破片根部在压力作用下发生向上变形。⑤边缘O型橡胶密封圈的直径和硬度需仔细确定。所选O型橡胶密封圈尺寸应与梯形密封槽尺寸相匹配，O型橡胶密封圈的压缩量和硬度应尽可能的小，保证在额定螺栓扭矩下O型橡胶密封圈所分担的螺栓压紧力尽量小，使大部分螺栓力作用到爆破片上。⑥对于边缘防水O型橡胶密封圈，建议将梯形密封槽改为矩形密封槽，O型橡胶密封圈材料越软、压缩量越小越好。

目前，有些公司未按上述要求设计反拱十字槽爆破片安装结构，引起了数起爆破片低压爆破事故，存在的主要问题如下：①上夹持结构内径D或根部圆角半径r过大，使上夹持结构与爆破片接触处的实际内径超过下夹持结构内径d（即D≥d或D-2r≥d），导致爆破片的拱形根部没有得到有效支撑（俗称托圆角）。反拱形爆破片在内压作用下，根部缓慢向上发生变形，使用一段时间后爆破片发生低压失稳翻转，造成爆破片低压爆破。②上夹持结构内径D太小或与上夹持结构相连的接管口径过小，而上夹持结构位置又过低。当设备超压时，爆破片失稳翻转，爆破片形状由凸面向下瞬间翻转变为凸面向上，翻转向上的拱面就会碰到小口径部位，阻挡爆破片破裂，无法泄压。③很多在用爆破片下夹持结构的凹槽深度H大于上夹持结构的凸台高度h，造成反拱带槽爆破片无法受到有效压紧，极大影响爆破片性能，导致爆破片在远低于额定压力下低压爆破，造成大面积停电。这种尺寸匹配不合理，大多是制造者未按图样尺寸公差加工上、下夹持结构造成，少数是原始图样尺寸设计不合理。④边缘O型橡胶密封圈与O型橡胶密封圈槽尺寸不匹配、O型橡胶密封圈直径过大或梯形密封槽尺寸过小，都会导致O型橡胶密封圈突出密封槽高度增加，使O型橡胶密封圈在额定扭矩下的压缩量增大，爆破片处O型橡胶密封圈压紧力降低，爆破片的实际夹紧力减小，导致爆破片爆破压力低于额定爆破压力，爆破片持久寿命降低。若选用的O型橡胶密封圈硬度过大，压紧时其也会分担较大扭矩，引发上述问题，所以该O型橡胶密封圈的硬度应尽量小。

4.2.2 与夹持环组焊成套爆破片

从使用情况看，与夹持环组焊成套爆破片的性能更优，但成本较高。组焊成套爆破片的夹持环结构尺寸及其与爆破片的配合尺寸由爆破片生产厂家根据试验和经验确定，不会影响爆破片的性能，用户的安装结构和夹紧力对爆破片性能影响很小。组焊成套反拱十字槽爆破片外形见图8，常见的安装结构简图见图9。

图8 组焊成套反拱十字槽爆破片外形结构

图9 组焊成套反拱十字槽爆破片安装结构简图

组焊成套爆破片的上、下夹持环结构尺寸由爆破片制造公司确定，理论上有爆破片设计、制造经验的生产厂家制造的产品一般不会出现问题，夹持环结构设计应能满足爆破片长久寿命要求。进行安装结构设计时要注意O型橡胶密封圈密封槽结构设计及爆破片安装处的设备尺寸设计，通常爆破片安装处设备尺寸应比爆破片装置的名义外径尺寸大1 mm左右，因为上、下夹持环及爆破片3件组焊后的外圆尺寸变化在0～0.5 mm。

实际使用中组焊成套爆破片安装结构存在的最主要问题是，上夹持法兰内径设计得过小，比焊接的上夹持环内径至少小5 mm，当爆破片失稳翻转时，上面的泄压侧由凹面变为凸面，爆破片凸起碰到上法兰内孔边缘，爆破片无法开裂泄压，导致严重后果。结构设计时务必注意上夹持法兰内径不得小于爆破片上夹持环内径。

5 爆破片螺栓夹紧力对爆破片性能影响

爆破片的螺栓夹紧力对不同类型爆破片性能的影响有所不同，在安装中必须严格满足扭矩规定。从爆破片性能及密封角度出发，实际施加的扭矩不得小于规定值，并且扭矩越大越好。

5.1 正拱形爆破片

若爆破片密封面处螺栓夹紧力过小，达不到要求的密封比压，设备充压后，O型橡胶密封圈处可能泄漏。另外，螺栓夹紧力过小，爆破片凹面受压后会引起爆破片边缘夹持面处抽动，影响密封效果，严重时会导致爆破片低压脱落飞出。

5.2 反拱形爆破片

5.2.1 反拱开缝爆破片

由于反拱开缝爆破片的爆破机理是支撑桥受压失稳弯曲引起的爆破泄压，爆破片的夹紧区域远离支撑桥，所以夹紧力对反拱开缝爆破片的爆破功能影响很小。不过夹紧力会影响爆破片的密封性，夹紧力过小会引起泄漏增加。

5.2.2 反拱十字槽爆破片

（1）单片反拱十字槽爆破片 螺栓夹紧力对单片反拱十字槽爆破片性能有较大影响，压紧力小会使爆破压力降低，影响爆破片爆破开裂，使爆破片持久寿命缩短。因此，在GIS上安装单片反拱十字槽爆破片时，应严格安照规定的扭矩对称均匀加载，不得减小扭矩。各爆破片生产厂家也在给定扭矩下进行了爆破试验，部分试验表明，若爆破片在某扭矩下爆破压力达到一定值，如果扭矩降低20%，则爆破片爆破压力会降低5%～20%。所以对于安装单片反拱十字槽爆破片的安装结构，施加的扭矩必须满足要求。

（2）组焊成套反拱形爆破片 对组焊成套反拱形爆破片，螺栓夹紧力主要影响密封性，对爆破片性能影响很小。

6 爆破片防护要求

爆破片是一种精密的超压泄放装置，在使用中必须得到很好的保护。爆破片拱面不得受到撞击、磕碰和按压，特别是反拱形爆破片的承压拱面不得受到损伤，因此在爆破片的泄压侧必须设置保护罩，防止雨、冰雹、雪或者沙尘等落到爆破片表面而损伤爆破片。反拱形爆破片的凹面泄压侧如果积聚了雨、雪或沙尘，不仅会影响爆破片超压开裂，导致反拱形爆破片超压时无法爆破，而且冬天雨、雪水冰冻膨胀会损伤爆破片，致使爆破片低压破坏。

另外，要尽可能保证爆破片表面干燥，如果表面积水，而环境中又存在各种酸、碱、盐腐蚀性介质，腐蚀性介质溶于水就会对爆破片产生各种类型的腐蚀。

7 结语

文中论述了目前GIS上使用的各类爆破片的结构特点、安全系数选用及安装使用要求，总结了国内外GIS的充气压力与爆破片爆破压力之间的关系，给出了各类爆破片安装结构要求，详细介绍了单片反拱十字槽爆破片的安装结构尺寸设计，分析了个别爆破片安装结构设计不合理所引发的问题，希望能为GIS上各类爆破片的正确安装使用提供参考。