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摘 要：以GIS设备预制舱为研究对象，研究具备泄压口的预制舱内电力设备电气故障引起舱内压力随时间变化的情况。采用CFD软件进行瞬态流场分析，获得了各时间点舱内压力分布情况和流体流动情况，由分析可知舱内压力在3 s内始终小于3.7 kPa，在预制舱压力安全阈值以内，证明舱体安全可靠。

关键词：GIS设备;预制舱;爆破;泄压口;泄压分析

中图分类号：TM63    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2022）08-0001-03

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

0    引言

预制舱内电力设备电弧故障严重影响电力系统的安全稳定运行，故障时产生的瞬态高压爆炸效应给设备、工作人员以及建筑物的安全带来了严重的威胁[1-2]。开关柜内部短路燃弧的发生率约为1.3面/（10 000面·年），虽然概率较低，但我国高压开关柜的装配量高达数百万面，因此，开关柜内部短路爆炸事故一直是电力系统无法忽视的安全隐患。2011年，Iwata、Tanaka与Ohtaka等人[3-5]将流体动力学方程应用到内部燃弧故障分析中，该方程是在连续性、动量、能量守恒和气体状态等方程基础上研究发展而来的计算流体动力学（Computational Fluid Dynamic，CFD）计算法，该方法运用了有限体积法（Finite Volume Method，FVM）对研究区域进行离散化，从而导出基于单元节点变量的线性方程组并加以求解[6]，可以方便地获得内部压力状态和流动情况。

文献[7]中利用CFD法计算了封闭容器内部不同频率电弧电流引起的压力升大小，并分析了压力升幅值、振荡周期随时间和电弧能量的变化规律;文献[8-9]中基于CFD法研究了气体密度、介质类型、电极材料以及容器尺寸等对热转换系数的影响情况。

对于具有泄压口的GIS设备预制舱，其内部压力仿真计算目前鲜见报道，因此，本文以某GIS设备预制舱为研究对象，研究具备泄压口的GIS设备预制舱内设备电气故障引起舱内压力随时间变化的情况。采用CFD软件进行瞬态流场分析，获得了各时间点舱内压力分布情况和流体流动情况，由分析可知舱内压力在3 s内始终小于3.7 kPa，在GIS设备预制舱压力安全阈值以内，证明舱体安全可靠。

1    GIS设备预制舱和泄压口介绍

由于需要进行流场分析，文中对GIS设备预制舱体进行了简化，忽略舱体内壁不影响流体的细节，考虑体积影响，将内部设备所占体积用块体模型代替。如图1所示，舱体尺寸为13 m×6 m×3.24 m;4个泄压口，位于预制舱顶部，单个泄压口尺寸为740 mm×440 mm。

2    电气故障压力情况

根據内部电力设备方提供的资料，设备内的气体泄漏会随时间变化逐渐增加舱内气压，整个故障局部瞬间最大峰值为15 kPa（即爆破膜处局部压力），气体泄漏达到泄压口的开启压强1.1 kPa，舱体开始泄压。设备故障气体泄漏的时间是2.5 s，到达2.5 s设备将停止运行。设备有多个气体隔室，隔室内有多个防爆膜（直径约15 mm的圆，内部情况如图2所示），设备发生燃弧故障，防爆膜就会打开。

3    CFD模型和边界条件

采用CFD流体软件进行建模，根据舱体大小、泄压口位置和大小建立流体分析模型，整体计算过程随时间变化，因此分析类型为瞬态分析。CFD网格模型如图3所示。

根据电力设备方提供的资料，绘制如图4所示的近似曲线，进行边界设置。整个计算在相对压力情况下进行，即外界环境压力设为1 Pa（软件设置不能为0，1 Pa被认为很小，接近0 Pa）。根据图4，设备内部压力在0～2.5 s由0 Pa增长至15 kPa，泄压口在压力大于1.1 kPa时开始泄压，泄压口外界压力为1 Pa。

4    计算结果

根据上述模型和边界条件进行分析，结果如图5所示，分别给出了1 s、2 s、3 s时刻中间切面的压力分布（中间切面位于舱体中心，具有代表性）和压力流线分布。由结果可见，舱内壁最大压力为1 012.4 Pa，设备爆破膜处局部压力最大为7 363.9 Pa。

5    结语

本文对某具备泄压口的GIS设备预制舱内电力设备故障产生的瞬态爆破压力进行了流体力学仿真分析，获得了舱体内压力随时间的变化情况以及内流场分布情况，可知该故障下舱体内的压力始终小于3.7 kPa，证明该泄压口设计合理、安全可靠。

[参考文献]

[1] 阮江军，黎鹏，黄道春，等.中压开关柜内部短路燃弧热-力效应研究综述[J].高电压技术，2018，44（10）：3340-3351.

[2] 李渊，淡淑恒.开关柜内部故障电弧危害及其防护综述[J].高压电器，2018，54（7）：73-78.

[3] LUTZ F，PIETSCH G J.The calculation of overpre-

ssure in metal-enclosed switchgear due to internal arcing[J].IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1982，101（11）：4230-4236.

[4] LI P，RUAN J J，HUANG D C，et al.Pressure rise calculation during short circuit fault in a closed container based on arc energy equivalent

method[C]//2016 IEEE International Conference on High Voltage Engineering and Application （ICHVE），2016：1-5.

[5] IWATA M，TANAKA S I，OHTAKA T，et al.CFD calcula-

tion of pressure rise due to internal AC and DC arcing in a closed container[J].IEEE Transactions on Power Delivery，

2011，26（3）：1700-1709.

[6] 王永强，马伦，律方成，等.基于有限差分和有限体积法相结合的油浸式变压器三维温度场计算[J].高电压技术，2014，40（10）：3179-3185.

[7] IWATA M，TANAKA S，OHTAKA T.CFD calculation of pressure rise due to internal AC and DC arcing in a closed container[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2011，26（3）：1700-1709.

[8] ZHANG X，PIETSCH G，GOCKENBACH E.Investigation of the thermal transfer coefficient by the energy balance of fault arcs in electrical installations[J].IEEE Transactions on Power Delivery，2006，21（1）：425-431.

[9] ZHANG X，ZHANG J，GOCKENBACH E.Calculation of pressure and temperature in medium-voltage electrical installations due to fault arcs[J]. Journal of Physics D：Applied Physics，2008，41（10）：1-11.

收稿日期：2022-03-07

作者簡介：燕飞飞（1988—），男，安徽宿州人，结构设计工程师，研究方向：模块化智能变电站预制舱。