GIS設(shè)備預(yù)制艙爆破壓力泄壓分析

燕飛飛 王說說 崔璐創(chuàng) 邵士福

摘 要：以GIS設(shè)備預(yù)制艙為研究對象，研究具備泄壓口的預(yù)制艙內(nèi)電力設(shè)備電氣故障引起艙內(nèi)壓力隨時(shí)間變化的情況。采用CFD軟件進(jìn)行瞬態(tài)流場分析，獲得了各時(shí)間點(diǎn)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3 s內(nèi)始終小于3.7 kPa，在預(yù)制艙壓力安全閾值以內(nèi)，證明艙體安全可靠。

關(guān)鍵詞：GIS設(shè)備;預(yù)制艙;爆破;泄壓口;泄壓分析

中圖分類號：TM63? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）08-0001-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.08.001

0? ? 引言

預(yù)制艙內(nèi)電力設(shè)備電弧故障嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，故障時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)高壓爆炸效應(yīng)給設(shè)備、工作人員以及建筑物的安全帶來了嚴(yán)重的威脅[1-2]。開關(guān)柜內(nèi)部短路燃弧的發(fā)生率約為1.3面/（10 000面·年），雖然概率較低，但我國高壓開關(guān)柜的裝配量高達(dá)數(shù)百萬面，因此，開關(guān)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，Iwata、Tanaka與Ohtaka等人[3-5]將流體動力學(xué)方程應(yīng)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(chǔ)上研究發(fā)展而來的計(jì)算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamic，CFD）計(jì)算法，該方法運(yùn)用了有限體積法（Finite Volume Method，F(xiàn)VM）對研究區(qū)域進(jìn)行離散化，從而導(dǎo)出基于單元節(jié)點(diǎn)變量的線性方程組并加以求解[6]，可以方便地獲得內(nèi)部壓力狀態(tài)和流動情況。

文獻(xiàn)[7]中利用CFD法計(jì)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(shí)間和電弧能量的變化規(guī)律;文獻(xiàn)[8-9]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(shè)備預(yù)制艙，其內(nèi)部壓力仿真計(jì)算目前鮮見報(bào)道，因此，本文以某GIS設(shè)備預(yù)制艙為研究對象，研究具備泄壓口的GIS設(shè)備預(yù)制艙內(nèi)設(shè)備電氣故障引起艙內(nèi)壓力隨時(shí)間變化的情況。采用CFD軟件進(jìn)行瞬態(tài)流場分析，獲得了各時(shí)間點(diǎn)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3 s內(nèi)始終小于3.7 kPa，在GIS設(shè)備預(yù)制艙壓力安全閾值以內(nèi)，證明艙體安全可靠。

1? ? GIS設(shè)備預(yù)制艙和泄壓口介紹

由于需要進(jìn)行流場分析，文中對GIS設(shè)備預(yù)制艙體進(jìn)行了簡化，忽略艙體內(nèi)壁不影響流體的細(xì)節(jié)，考慮體積影響，將內(nèi)部設(shè)備所占體積用塊體模型代替。如圖1所示，艙體尺寸為13 m×6 m×3.24 m;4個(gè)泄壓口，位于預(yù)制艙頂部，單個(gè)泄壓口尺寸為740 mm×440 mm。

2? ? 電氣故障壓力情況

根據(jù)內(nèi)部電力設(shè)備方提供的資料，設(shè)備內(nèi)的氣體泄漏會隨時(shí)間變化逐漸增加艙內(nèi)氣壓，整個(gè)故障局部瞬間最大峰值為15 kPa（即爆破膜處局部壓力），氣體泄漏達(dá)到泄壓口的開啟壓強(qiáng)1.1 kPa，艙體開始泄壓。設(shè)備故障氣體泄漏的時(shí)間是2.5 s，到達(dá)2.5 s設(shè)備將停止運(yùn)行。設(shè)備有多個(gè)氣體隔室，隔室內(nèi)有多個(gè)防爆膜（直徑約15 mm的圓，內(nèi)部情況如圖2所示），設(shè)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(jìn)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(jì)算過程隨時(shí)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(shè)備方提供的資料，繪制如圖4所示的近似曲線，進(jìn)行邊界設(shè)置。整個(gè)計(jì)算在相對壓力情況下進(jìn)行，即外界環(huán)境壓力設(shè)為1 Pa（軟件設(shè)置不能為0，1 Pa被認(rèn)為很小，接近0 Pa）。根據(jù)圖4，設(shè)備內(nèi)部壓力在0～2.5 s由0 Pa增長至15 kPa，泄壓口在壓力大于1.1 kPa時(shí)開始泄壓，泄壓口外界壓力為1 Pa。

4? ? 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述模型和邊界條件進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示，分別給出了1 s、2 s、3 s時(shí)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1 012.4 Pa，設(shè)備爆破膜處局部壓力最大為7 363.9 Pa。

5? ? 結(jié)語

本文對某具備泄壓口的GIS設(shè)備預(yù)制艙內(nèi)電力設(shè)備故障產(chǎn)生的瞬態(tài)爆破壓力進(jìn)行了流體力學(xué)仿真分析，獲得了艙體內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化情況以及內(nèi)流場分布情況，可知該故障下艙體內(nèi)的壓力始終小于3.7 kPa，證明該泄壓口設(shè)計(jì)合理、安全可靠。

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收稿日期：2022-03-07

作者簡介：燕飛飛（1988—），男，安徽宿州人，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師，研究方向：模塊化智能變電站預(yù)制艙。