GIS設備預制艙爆破壓力泄壓分析

摘

要：以GIS設備預制艙為研究對象，研究具備泄壓口的預制艙內(nèi)電力設備電氣故障引起艙內(nèi)壓力隨時間變化的情況。采用CFD軟件進行瞬態(tài)流場分析，獲得了各時間點艙內(nèi)壓力分布情況和流體流動情況，由分析可知艙內(nèi)壓力在3s內(nèi)始終小于3.7kPa，在預制艙壓力安全閾值以內(nèi)，證明艙體安全可靠。關鍵詞：GIS設備；預制艙；爆破；泄壓口；泄壓分析0

引言預制艙內(nèi)電力設備電弧故障嚴重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，故障時產(chǎn)生的瞬態(tài)高壓爆炸效應給設備、工作人員以及建筑物的安全帶來了嚴重的威脅。開關柜內(nèi)部短路燃弧的發(fā)生率約為1.3面/（10000面·年），雖然概率較低，但我國高壓開關柜的裝配量高達數(shù)百萬面，因此，開關柜內(nèi)部短路爆炸事故一直是電力系統(tǒng)無法忽視的安全隱患。2011年，將流體動力學方程應用到內(nèi)部燃弧故障分析中，該方程是在連續(xù)性、動量、能量守恒和氣體狀態(tài)等方程基礎上研究發(fā)展而來的計算流體動力學（ComputationalFluidDynamic，CFD）計算法，該方法運用了有限體積法（FiniteVolumeMethod，F(xiàn)VM）對研究區(qū)域進行離散化，從而導出基于單元節(jié)點變量的線性方程組并加以求解，可以方便地獲得內(nèi)部壓力狀態(tài)和流動情況。文獻中利用CFD法計算了封閉容器內(nèi)部不同頻率電弧電流引起的壓力升大小，并分析了壓力升幅值、振蕩周期隨時間和電弧能量的變化規(guī)律；文獻中基于CFD法研究了氣體密度、介質(zhì)類型、電極材料以及容器尺寸等對熱轉(zhuǎn)換系數(shù)的影響情況。對于具有泄壓口的GIS設備預制艙，其內(nèi)部壓力仿真計算目前鮮見報道，因此，本文以某GIS設備預制艙為研究對象，研究具備泄壓口的GIS設備預制艙內(nèi)設備電氣故障引起艙內(nèi)壓力隨時間變化的情況。采用CFD軟件進行瞬態(tài)流場分析，獲得了各時間點艙內(nèi)壓力分布情況和流體流動情況，由分析可知艙內(nèi)壓力在3s內(nèi)始終小于3.7kPa，在GIS設備預制艙壓力安全閾值以內(nèi)，證明艙體安全可靠。1

GIS設備預制艙和泄壓口介紹由于需要進行流場分析，文中對GIS設備預制艙體進行了簡化，忽略艙體內(nèi)壁不影響流體的細節(jié)，考慮體積影響，將內(nèi)部設備所占體積用塊體模型代替。如圖1所示，艙體尺寸為13m×6m×3.24m；4個泄壓口，位于預制艙頂部，單個泄壓口尺寸為740mm×440mm。2

電氣故障壓力情況根據(jù)內(nèi)部電力設備方提供的資料，設備內(nèi)的氣體泄漏會隨時間變化逐漸增加艙內(nèi)氣壓，整個故障局部瞬間最大峰值為15kPa（即爆破膜處局部壓力），氣體泄漏達到泄壓口的開啟壓強1.1kPa，艙體開始泄壓。設備故障氣體泄漏的時間是2.5s，到達2.5s設備將停止運行。設備有多個氣體隔室，隔室內(nèi)有多個防爆膜（直徑約15mm的圓，內(nèi)部情況如圖2所示），設備發(fā)生燃弧故障，防爆膜就會打開。3

CFD模型和邊界條件采用CFD流體軟件進行建模，根據(jù)艙體大小、泄壓口位置和大小建立流體分析模型，整體計算過程隨時間變化，因此分析類型為瞬態(tài)分析。CFD網(wǎng)格模型如圖3所示。根據(jù)電力設備方提供的資料，繪制如圖4所示的近似曲線，進行邊界設置。整個計算在相對壓力情況下進行，即外界環(huán)境壓力設為1Pa（軟件設置不能為0，1Pa被認為很小，接近0Pa）。根據(jù)圖4，設備內(nèi)部壓力在0～2.5s由0Pa增長至15kPa，泄壓口在壓力大于1.1kPa時開始泄壓，泄壓口外界壓力為1Pa。4

計算結(jié)果根據(jù)上述模型和邊界條件進行分析，結(jié)果如圖5所示，分別給出了1s、2s、3s時刻中間切面的壓力分布（中間切面位于艙體中心，具有代表性）和壓力流線分布。由結(jié)果可見，艙內(nèi)壁最大壓力為1012.4Pa，設備爆破膜處局部壓力最大為7363.9Pa。5

結(jié)語本文對某具備泄壓口的GIS設備預制艙內(nèi)電力設備故障產(chǎn)生的瞬