建十一路工程ZF6A-252 GIS 内部故障电弧分析计算
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摘要：本文对建十一路工程 ZF6A-252 GIS 内部故障电弧进行了分析计算，并在各独立气室的罐体上设置防爆膜，满足ZF6A-252 GIS设计要求，罐体不存在发生爆炸的可能。
关键词：故障电弧；烧穿时间；最小气室；压力升高；防爆膜
1．计算简述
本计算对建十一路工程ZF6A-252 GIS内部故障电弧进行分析计算。
2．计算标准
GB7674-2008《额定电压72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备》第5.102、5.103、5.105、6.103、6.105条规定了关于内部故障、外壳、压力释放以及由于内部故障产生的故障电弧下外壳的验证试验。
其中规定外壳设计应满足以下几点重要要求：
（1）为了对人身提供保护，应使电弧的外部效应仅限于外壳出现穿孔或开裂而无碎裂。
（2）第一保护阶段故障清除时间
40kA及以上电流0.1s，小于40kA电流0.2s
（3）第二保护阶段故障清除时间
40kA及以上电流0.3s，小于40kA电流0.5s
（4）外壳的厚度应以设计压力和下述的最小耐受时间而不烧穿为依据
40kA及以上电流0.1s，小于40kA电流0.2s
（5）根据GB7674-2008规定
额定短路电流 保护段 电流持续时间 性能判据
40 kA
（有效值） 1 0.1s 除了适当的压力释放装置动作外，没有外部效应
2 0.3s 没有碎片（允许烧穿）
3．ZF6A-252 GIS主要技术参数
建十一路工程ZF6A-252 GIS的最小气室容积为165L，罐体壁厚最小为8mm，其主要技术参数如下表所示。
罐体
容积
（L） 罐体
壁厚
（mm） 带否防爆膜及防爆膜启动压力（MPa） 额定
气压
（MPa） 例行试验压力
（MPa） 罐体爆破压力
（MPa） 罐体材料
165 8 带（1.15MPa） 0.5 1.4 3.5 Al材
4． 罐体因内部故障导致烧穿时间的计算
高压开关设备当产生内部故障时，故障电弧会对罐体产生灼烧，罐体有可能被烧穿。
在充SF6气体的封闭隔室内因内部故障电弧产生烧穿的时间按（1）式计算：
（1）
式中t1：烧穿时间 [ms]
C材: 材料系数
d: 外壳厚度 [mm]
I: 故障电弧电流 [kA]
建十一路工程ZF6A-252 GIS罐体最小壁厚为8mm，即d=8mm；C材=87.4（铝材）；I=50kA。
把上述数值代入式（1），得：
t1=87.4=252ms
即当GIS内部发生接地故障产生电弧时，GIS罐体至少需要252ms才能被烧穿，大于标准规定的100ms，因此满足要求。
5．内部故障电弧引起的压力升高计算
由于内部故障会使封闭气室压力瞬间升高，如果升高的压力超过防爆膜的启动压力，防爆膜就会动作；如果不设置防爆膜且升高的压力超过罐体所能承受的极限压力，罐体就会发生爆炸进而造成设备损坏或人员伤亡。
在充SF6的封闭隔室内因内部故障造成的压力升高可按式（2）计算：
（2）
式中：压力升高 （MPa）；： 故障电弧电流 （kA，有效值）；
： 隔室的容积 （L）；： 电弧持续时间 （s）；
=0.45 为设备系数
根据ZF6A-252 GIS的相关技术参数，故障电流取I=50kA；一段保护时间100ms。基于上述计算方法和计算条件可以得到ZF6A-252 GIS最小气室的压力升高如下表所示。
罐体容积（L） 额定气压
（MPa） 一段保护100ms
升高压力（MPa） 最高压力（MPa）
165 0.5 1.36 1.86
由上表可知，对应一段保护时间t=100ms，气室内的压力最大值为1.86 MPa，该压力值大于了防爆膜的启动压力1.15 MPa，所以防爆膜动作。
6．结论
本报告对建十一路工程ZF6A-252 GIS内部故障电弧引起的压力升高及烧穿时间进行了计算分析，计算结果表明：
1）对应50kA的电弧电流，罐体需要252ms才能烧穿，大于标准规定的100ms，因此满足要求。
2） 对应50kA的电弧电流及电弧持续时间t=100ms，当罐体容积为165L 时，其气室内的压力最大值为1.86 MPa，该压力值大于了防爆膜的启动压力1.15MPa，所以防爆膜动作。
3）建十一路工程ZF6A-252 GIS独立气室均设置有防爆膜，且防爆膜的启动压力为1.15 MPa，不仅远小于各罐体的爆破压力，而且也小于各罐体的例行试验压力，所以ZF6A-252 GIS设计合理，没有发生罐体爆炸的可能性。
参考文献：
【1】GB7674-2008《额定电压72.5kV及以上气体绝缘金属封闭开关设备》
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