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。開關(guān)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(guó)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等人將流體動(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)(ComputationalFluidDynamic,CFD)計(jì)算法,該方法運(yùn)用了有限體積法(FiniteVolumeMethod,FVM)對(duì)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,可以方便地獲得內(nèi)部壓力狀態(tài)和流動(dòng)情況。

文獻(xiàn)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)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(duì)熱轉(zhuǎn)換系數(shù)的影響情況。

對(duì)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(duì)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(chǎng)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(dòng)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(shè)備預(yù)制艙壓力安全閾值以內(nèi),證明艙體安全可靠。

1GIS設(shè)備預(yù)制艙和泄壓口介紹

由于需要進(jìn)行流場(chǎng)分析,文中對(duì)GIS設(shè)備預(yù)制艙體進(jìn)行了簡(jiǎn)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13m×6m×3.24m:4個(gè)泄壓口,位于預(yù)制艙頂部,單個(gè)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(shè)備方提供的資料,設(shè)備內(nèi)的氣體泄漏會(huì)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15kPa(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)1.1kPa,艙體開始泄壓。設(shè)備故障氣體泄漏的時(shí)間是2.5s,到達(dá)2.5s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15mm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(huì)打開。

3CFD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(duì)壓力情況下進(jìn)行,即外界環(huán)境壓力設(shè)為1Pa(軟件設(shè)置不能為0,1Pa被認(rèn)為很小,接近0Pa)。根據(jù)圖4,設(shè)備內(nèi)部壓力在0~2.5s由0Pa增長(zhǎng)至15kPa,泄壓口在壓力大于1.1kPa時(shí)開始泄壓,泄壓口外界壓力為1Pa。

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1s、2s、3s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1012.4Pa,設(shè)備爆破膜處局部壓力最大為7363.9Pa。

5結(jié)語

本文對(duì)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(chǎng)分布情況,可知該故障下艙體內(nèi)的壓力始終小于337kPa,證明該泄壓口設(shè)計(jì)合理、安全可靠。