500 kV罐式斷路器瓷質(zhì)套管炸裂能量估算及仿真分析

趙建利，姚樹(shù)華，劉 卓，劉建軍

（1.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020；2.內(nèi)蒙古自治區(qū)高電壓與絕緣技術(shù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010020；3.北京化工大學(xué)，北京 100029）

0 引言

罐式斷路器[1]是滅弧室處在1 個(gè)接地金屬箱中的斷路器，作為重要電力設(shè)備，在電力系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。套管是罐式斷路器主要部件之一，主要作用是將設(shè)備內(nèi)部高低壓引線引到外部、固定引線和作為引線對(duì)地絕緣部件，其安全穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到電網(wǎng)的安全。在500 kV系統(tǒng)中，罐式斷路器套管包括瓷質(zhì)套管和復(fù)合套管兩類(lèi)，其典型結(jié)構(gòu)為雙屏蔽結(jié)構(gòu)和單屏蔽結(jié)構(gòu)[2-4]。雙屏蔽結(jié)構(gòu)套管由均壓環(huán)、中心導(dǎo)體、復(fù)合套管（瓷質(zhì)套管）、中間屏蔽、接地屏蔽、絕緣支撐等構(gòu)成。其中，中間屏蔽由鋁質(zhì)材料制作而成，采用懸空設(shè)計(jì)，不人為施加電壓，起分壓作用，使中心導(dǎo)體和接地屏蔽間的電場(chǎng)均勻分布；接地屏蔽經(jīng)金屬法蘭與大地相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)地等電位。單屏蔽結(jié)構(gòu)只有接地屏蔽而沒(méi)有中間屏蔽，雖然單屏蔽套管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝制作方便、成本較低，但是單屏蔽套管場(chǎng)強(qiáng)較雙屏蔽套管大、難以控制，需進(jìn)行更加精準(zhǔn)的場(chǎng)強(qiáng)分布設(shè)計(jì)。

目前，為了嚴(yán)格控制套管內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)過(guò)高及分布不均等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外各大生產(chǎn)廠在瓷質(zhì)套管結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程中均利用ANSYS 電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)套管內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)分布進(jìn)行嚴(yán)格的仿真計(jì)算分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。同樣，對(duì)于高壓開(kāi)關(guān)所配瓷質(zhì)套管場(chǎng)強(qiáng)分布問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外各高校和研究機(jī)構(gòu)也開(kāi)展了相關(guān)建模與仿真計(jì)算工作，文獻(xiàn)[5]對(duì)套管內(nèi)電場(chǎng)三維分布進(jìn)行了仿真分析，文獻(xiàn)[6-8]研究了套管內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，研究成果在斷路器用套管場(chǎng)強(qiáng)設(shè)計(jì)裕度分析及場(chǎng)強(qiáng)分布對(duì)套管安全穩(wěn)定運(yùn)行影響等方面具有指導(dǎo)意義。

本文以某500 kV 變電站罐式斷路器瓷質(zhì)套管炸裂故障為例，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集到的瓷質(zhì)碎塊數(shù)據(jù)，從瓷塊拋射速度計(jì)算、瓷質(zhì)套管炸裂能量估算等方面，進(jìn)行了3D 動(dòng)態(tài)模擬及仿真計(jì)算，為其他類(lèi)似故障處理提供參考。

1 故障概況

2016-12-17，天氣晴，氣溫-20 ℃以下，某500 kV變電站罐式斷路器V相主變壓器側(cè)瓷質(zhì)套管在防爆膜未破裂、正常運(yùn)行條件下發(fā)生炸裂，炸裂產(chǎn)生的瓷質(zhì)碎塊散落于周?chē)?0 m范圍內(nèi)，造成多臺(tái)電力一次設(shè)備受損，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。此次故障發(fā)生時(shí)，故障斷路器未發(fā)生SF6低氣壓告警且監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行正常，設(shè)備額定壓力為0.6 MPa，現(xiàn)場(chǎng)只有炸裂拋射的陶瓷碎塊及個(gè)別內(nèi)表面釉面燒蝕的瓷塊。

2 炸裂瓷質(zhì)碎塊數(shù)據(jù)測(cè)量及拋射速度計(jì)算

500 kV 罐式斷路器的日常運(yùn)維工作依據(jù)相關(guān)規(guī)程開(kāi)展，瓷質(zhì)套管作為斷路器主要部件，其結(jié)構(gòu)尺寸隨斷路器設(shè)備制造廠家不同而不同，日常運(yùn)維工作僅進(jìn)行傘裙和金屬法蘭粘接部位的外觀檢查。此次炸裂故障事先無(wú)征兆，故障原因分析較為困難。從爆炸所需能量角度，對(duì)此次套管炸裂原因進(jìn)行分析，收集故障現(xiàn)場(chǎng)散落的具有典型特征的瓷質(zhì)碎塊，現(xiàn)場(chǎng)共采樣14個(gè)點(diǎn)，含方位（粗略估計(jì)）、拋射距離（激光測(cè)距儀）和碎塊質(zhì)量（電子體重秤）。由于碎塊飛行速度較低，空氣阻力可以忽略且瓷質(zhì)套管基本呈豎直狀態(tài)，所以炸裂碎塊拋射角很小，基本是水平拋射。炸裂套管距離地面高度約為6 m，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)勘察瓷質(zhì)碎塊到炸裂點(diǎn)的水平距離，依據(jù)瓷質(zhì)碎塊運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程[9-11]，可得各瓷質(zhì)碎塊的水平初速度，其質(zhì)量加權(quán)平均速度為22.36 m/s，采集的炸裂現(xiàn)場(chǎng)陶瓷碎塊分布及相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 炸裂現(xiàn)場(chǎng)陶瓷碎塊分布及相關(guān)數(shù)據(jù)

由表1可見(jiàn)，在采樣范圍內(nèi)，5號(hào)碎塊最重，位于爆心正北方向；14 號(hào)為次重碎塊，位于爆心東南方向。表1中，大于10 kg的陶瓷碎塊共5塊，均位于爆心的東北和東南方向，由此推測(cè)套管的炸裂方位可能在套管偏東側(cè)位置。

3 瓷質(zhì)套管炸裂能量估算

3.1 化學(xué)炸裂能量估算

依據(jù)空心柱體裝藥的格尼公式[6]，對(duì)瓷質(zhì)套管炸裂時(shí)所需等效炸藥量（TNT 炸藥當(dāng)量）進(jìn)行估算，見(jiàn)式（1）：

式中：V0—瓷質(zhì)套管的加權(quán)平均初速，m/s；

M—瓷質(zhì)套管的質(zhì)量，為650～850 kg；

C—炸藥的質(zhì)量，g；

由式（1）計(jì)算可得，瓷質(zhì)套管化學(xué)炸裂時(shí)所需TNT炸藥當(dāng)量為55～75 g，威力較大，其對(duì)應(yīng)的化學(xué)爆炸能量范圍為251～342 kJ（按1 kg TNT 釋放能量4200 kJ計(jì)算）。

3.2 物理炸裂能量估算

由文獻(xiàn)[12]可知，氣瓶物理炸裂是瓶?jī)?nèi)氣體由炸裂前的高壓力迅速降至大氣壓的降壓膨脹過(guò)程，屬于永久氣體的爆破。由于爆破時(shí)間很短，可認(rèn)為膨脹過(guò)程是在絕熱狀態(tài)下進(jìn)行的，所以永久氣體的爆炸（瓷質(zhì)套管物理炸裂）能量也就是氣體膨脹時(shí)所做的功，可由式（2）表示：

式中：E1—?dú)怏w膨脹所做的功，kJ；

p—?dú)怏w壓力，MPa；

V —瓷瓶容積，m3；

K —SF6氣體的比熱容比。

將p=0.6 MPa，V=0.628 m3，K=1.095 代入式（2），可求得SF6氣體膨脹所做的功，即瓷質(zhì)套管物理炸裂的能量E1=57.1 kJ，遠(yuǎn)小于瓷質(zhì)套管碎塊拋射估算的TNT 炸藥當(dāng)量（251～342 kJ）。因此，可以判定此次瓷質(zhì)套管炸裂不是內(nèi)充高壓SF6氣體的物理爆炸，而應(yīng)歸屬于化學(xué)爆炸。

4 瓷質(zhì)套管炸裂過(guò)程3D動(dòng)態(tài)模擬及仿真計(jì)算分析

4.1 炸裂過(guò)程3D數(shù)值建模

利用AUTODYN 有限元程序，采用流固耦合方法對(duì)內(nèi)部炸藥爆炸條件下瓷質(zhì)套管殼體的破壞過(guò)程進(jìn)行建模。建模過(guò)程中，炸藥和空氣（代替SF6氣體）使用歐拉算法，陶瓷使用拉格朗日算法，通過(guò)耦合作用建立軸對(duì)稱(chēng)模型如圖1、圖2所示。使用單層網(wǎng)格，在對(duì)稱(chēng)面上施加對(duì)稱(chēng)約束，對(duì)整個(gè)模型施加厚度方向上的約束，采用cm-g-μs建模。

圖1 模擬炸藥（黃色）、陶瓷（綠色）及空氣（藍(lán)色）的有限元爆炸模型

圖2 炸藥（紅色）與瓷質(zhì)套管（綠色）的網(wǎng)格模型

4.2 炸裂過(guò)程3D動(dòng)態(tài)模擬及仿真計(jì)算分析

在圖1、圖2 所示模型中，施加激勵(lì)模擬瓷質(zhì)套管炸裂過(guò)程，瓷質(zhì)套管起爆不同時(shí)刻套管殼體的應(yīng)力和應(yīng)變分布圖分別如圖3、圖4 所示。圖3（a）為54 ms時(shí)應(yīng)力仿真效果圖、圖3（b）為84 ms時(shí)應(yīng)力仿真效果圖、圖3（c）為230 ms時(shí)應(yīng)力仿真效果圖、圖3（d）為1300 ms 時(shí)應(yīng)力仿真效果圖、圖3（e）為1800 ms 時(shí)應(yīng)力仿真效果圖、圖3（f）為2200 ms 時(shí)應(yīng)力仿真效果圖；圖4（a）為93 ms時(shí)應(yīng)變分布仿真效果圖、圖4（b）為415 ms時(shí)應(yīng)變分布仿真效果圖、圖4（c）為1017 ms時(shí)應(yīng)變分布仿真效果圖、圖4（d）為1330 ms時(shí)應(yīng)變分布仿真效果圖、圖4（e）為1775 ms 時(shí)應(yīng)變分布仿真效果圖、圖4（f）為2200 ms 時(shí)應(yīng)變分布仿真效果圖。

圖4 瓷質(zhì)套管炸裂不同時(shí)刻的塑性應(yīng)變分布圖

由圖3（b）和圖4（a）對(duì)比結(jié)果可以看出，沖擊波作用于瓷質(zhì)套管殼體時(shí)，壓力最大的位置與應(yīng)變最大位置并不重疊；由圖3（b）所示結(jié)果可以看出，在距離爆炸中心最近的瓷質(zhì)套管殼體處壓力為零，而圖4（a）顯示該處應(yīng)力最大且應(yīng)力分布在殼體外表面，這是由于壓縮波傳播至殼體自由面后形成反射拉伸波，在殼體中形成拉應(yīng)力的緣故；由圖3（f）和圖4（f）對(duì)比結(jié)果可以看出，瓷質(zhì)套管最終破裂產(chǎn)生于拉伸波疊加的位置。上述分析表明瓷質(zhì)套管炸裂是由爆炸產(chǎn)生沖擊波傳播至瓷質(zhì)套管殼體外表面形成的拉應(yīng)力所致，而非普通的氣體壓力增大膨脹所致[13-17]。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的瓷質(zhì)碎塊數(shù)據(jù)，從瓷塊拋射速度計(jì)算，瓷質(zhì)套管炸裂能量估算和炸裂過(guò)程3D動(dòng)態(tài)模擬及仿真計(jì)算，分析了套管炸裂的性質(zhì)和原因，得出以下結(jié)論。

（1）基于套管炸裂能量分析，根據(jù)碎片飛行軌跡，由爆炸力學(xué)經(jīng)驗(yàn)公式推算出瓷質(zhì)套管炸裂威力為55～75 g的TNT當(dāng)量，威力較大。

（2）從炸裂類(lèi)型來(lái)看，瓷瓶?jī)?nèi)壓產(chǎn)生的物理炸裂能量遠(yuǎn)小于實(shí)際炸裂能量，可以排除物理炸裂的可能，判斷此次瓷瓶炸裂性質(zhì)屬于化學(xué)炸裂。