500 kV罐式断路器瓷质套管炸裂能量估算及仿真分析

赵建利，姚树华，刘 卓，刘建军

（1.内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020；2.内蒙古自治区高电压与绝缘技术企业重点实验室，呼和浩特 010020；3.北京化工大学，北京 100029）

0 引言

罐式断路器[1]是灭弧室处在1 个接地金属箱中的断路器，作为重要电力设备，在电力系统中被广泛应用。套管是罐式断路器主要部件之一，主要作用是将设备内部高低压引线引到外部、固定引线和作为引线对地绝缘部件，其安全稳定运行关系到电网的安全。在500 kV系统中，罐式断路器套管包括瓷质套管和复合套管两类，其典型结构为双屏蔽结构和单屏蔽结构[2-4]。双屏蔽结构套管由均压环、中心导体、复合套管（瓷质套管）、中间屏蔽、接地屏蔽、绝缘支撑等构成。其中，中间屏蔽由铝质材料制作而成，采用悬空设计，不人为施加电压，起分压作用，使中心导体和接地屏蔽间的电场均匀分布；接地屏蔽经金属法兰与大地相连，实现对地等电位。单屏蔽结构只有接地屏蔽而没有中间屏蔽，虽然单屏蔽套管结构简单、安装制作方便、成本较低，但是单屏蔽套管场强较双屏蔽套管大、难以控制，需进行更加精准的场强分布设计。

目前，为了严格控制套管内场强过高及分布不均等问题，国内外各大生产厂在瓷质套管结构参数设计过程中均利用ANSYS 电磁场仿真软件对套管内部场强分布进行严格的仿真计算分析和结构优化设计。同样，对于高压开关所配瓷质套管场强分布问题，国内外各高校和研究机构也开展了相关建模与仿真计算工作，文献[5]对套管内电场三维分布进行了仿真分析，文献[6-8]研究了套管内电场强度优化设计问题，研究成果在断路器用套管场强设计裕度分析及场强分布对套管安全稳定运行影响等方面具有指导意义。

本文以某500 kV 变电站罐式断路器瓷质套管炸裂故障为例，根据现场采集到的瓷质碎块数据，从瓷块抛射速度计算、瓷质套管炸裂能量估算等方面，进行了3D 动态模拟及仿真计算，为其他类似故障处理提供参考。

1 故障概况

2016-12-17，天气晴，气温-20 ℃以下，某500 kV变电站罐式断路器V相主变压器侧瓷质套管在防爆膜未破裂、正常运行条件下发生炸裂，炸裂产生的瓷质碎块散落于周围60 m范围内，造成多台电力一次设备受损，严重影响了电网安全稳定运行。此次故障发生时，故障断路器未发生SF6低气压告警且监测系统运行正常，设备额定压力为0.6 MPa，现场只有炸裂抛射的陶瓷碎块及个别内表面釉面烧蚀的瓷块。

2 炸裂瓷质碎块数据测量及抛射速度计算

500 kV 罐式断路器的日常运维工作依据相关规程开展，瓷质套管作为断路器主要部件，其结构尺寸随断路器设备制造厂家不同而不同，日常运维工作仅进行伞裙和金属法兰粘接部位的外观检查。此次炸裂故障事先无征兆，故障原因分析较为困难。从爆炸所需能量角度，对此次套管炸裂原因进行分析，收集故障现场散落的具有典型特征的瓷质碎块，现场共采样14个点，含方位（粗略估计）、抛射距离（激光测距仪）和碎块质量（电子体重秤）。由于碎块飞行速度较低，空气阻力可以忽略且瓷质套管基本呈竖直状态，所以炸裂碎块抛射角很小，基本是水平抛射。炸裂套管距离地面高度约为6 m，通过现场勘察瓷质碎块到炸裂点的水平距离，依据瓷质碎块运动的动力学方程[9-11]，可得各瓷质碎块的水平初速度，其质量加权平均速度为22.36 m/s，采集的炸裂现场陶瓷碎块分布及相关数据如表1所示。

表1 炸裂现场陶瓷碎块分布及相关数据

由表1可见，在采样范围内，5号碎块最重，位于爆心正北方向；14 号为次重碎块，位于爆心东南方向。表1中，大于10 kg的陶瓷碎块共5块，均位于爆心的东北和东南方向，由此推测套管的炸裂方位可能在套管偏东侧位置。

3 瓷质套管炸裂能量估算

3.1 化学炸裂能量估算

依据空心柱体装药的格尼公式[6]，对瓷质套管炸裂时所需等效炸药量（TNT 炸药当量）进行估算，见式（1）：

式中：V0—瓷质套管的加权平均初速，m/s；

M—瓷质套管的质量，为650～850 kg；

C—炸药的质量，g；

由式（1）计算可得，瓷质套管化学炸裂时所需TNT炸药当量为55～75 g，威力较大，其对应的化学爆炸能量范围为251～342 kJ（按1 kg TNT 释放能量4200 kJ计算）。

3.2 物理炸裂能量估算

由文献[12]可知，气瓶物理炸裂是瓶内气体由炸裂前的高压力迅速降至大气压的降压膨胀过程，属于永久气体的爆破。由于爆破时间很短，可认为膨胀过程是在绝热状态下进行的，所以永久气体的爆炸（瓷质套管物理炸裂）能量也就是气体膨胀时所做的功，可由式（2）表示：

式中：E1—气体膨胀所做的功，kJ；

p—气体压力，MPa；

V —瓷瓶容积，m3；

K —SF6气体的比热容比。

将p=0.6 MPa，V=0.628 m3，K=1.095 代入式（2），可求得SF6气体膨胀所做的功，即瓷质套管物理炸裂的能量E1=57.1 kJ，远小于瓷质套管碎块抛射估算的TNT 炸药当量（251～342 kJ）。因此，可以判定此次瓷质套管炸裂不是内充高压SF6气体的物理爆炸，而应归属于化学爆炸。

4 瓷质套管炸裂过程3D动态模拟及仿真计算分析

4.1 炸裂过程3D数值建模

利用AUTODYN 有限元程序，采用流固耦合方法对内部炸药爆炸条件下瓷质套管壳体的破坏过程进行建模。建模过程中，炸药和空气（代替SF6气体）使用欧拉算法，陶瓷使用拉格朗日算法，通过耦合作用建立轴对称模型如图1、图2所示。使用单层网格，在对称面上施加对称约束，对整个模型施加厚度方向上的约束，采用cm-g-μs建模。

图1 模拟炸药（黄色）、陶瓷（绿色）及空气（蓝色）的有限元爆炸模型

图2 炸药（红色）与瓷质套管（绿色）的网格模型

4.2 炸裂过程3D动态模拟及仿真计算分析

在图1、图2 所示模型中，施加激励模拟瓷质套管炸裂过程，瓷质套管起爆不同时刻套管壳体的应力和应变分布图分别如图3、图4 所示。图3（a）为54 ms时应力仿真效果图、图3（b）为84 ms时应力仿真效果图、图3（c）为230 ms时应力仿真效果图、图3（d）为1300 ms 时应力仿真效果图、图3（e）为1800 ms 时应力仿真效果图、图3（f）为2200 ms 时应力仿真效果图；图4（a）为93 ms时应变分布仿真效果图、图4（b）为415 ms时应变分布仿真效果图、图4（c）为1017 ms时应变分布仿真效果图、图4（d）为1330 ms时应变分布仿真效果图、图4（e）为1775 ms 时应变分布仿真效果图、图4（f）为2200 ms 时应变分布仿真效果图。

图4 瓷质套管炸裂不同时刻的塑性应变分布图

由图3（b）和图4（a）对比结果可以看出，冲击波作用于瓷质套管壳体时，压力最大的位置与应变最大位置并不重叠；由图3（b）所示结果可以看出，在距离爆炸中心最近的瓷质套管壳体处压力为零，而图4（a）显示该处应力最大且应力分布在壳体外表面，这是由于压缩波传播至壳体自由面后形成反射拉伸波，在壳体中形成拉应力的缘故；由图3（f）和图4（f）对比结果可以看出，瓷质套管最终破裂产生于拉伸波叠加的位置。上述分析表明瓷质套管炸裂是由爆炸产生冲击波传播至瓷质套管壳体外表面形成的拉应力所致，而非普通的气体压力增大膨胀所致[13-17]。

5 结论

通过对现场采集的瓷质碎块数据，从瓷块抛射速度计算，瓷质套管炸裂能量估算和炸裂过程3D动态模拟及仿真计算，分析了套管炸裂的性质和原因，得出以下结论。

（1）基于套管炸裂能量分析，根据碎片飞行轨迹，由爆炸力学经验公式推算出瓷质套管炸裂威力为55～75 g的TNT当量，威力较大。

（2）从炸裂类型来看，瓷瓶内压产生的物理炸裂能量远小于实际炸裂能量，可以排除物理炸裂的可能，判断此次瓷瓶炸裂性质属于化学炸裂。