高压开关用防爆膜选型及运维探讨

马宏明，杨明昆，程志万

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，昆明 650217）

0 前言

气体绝缘金属封闭开关设备（GIS）、罐式断路器由于其封闭气室结构的特点，当内部产生异常电弧时，SF6气体压力会在极短时间内升高造成外壳塑形变形甚至发生爆炸[1-3]。为保护设备和人员安全，应采用压力释放和快速保护等一些措施来限制和避免内部故障造成的不良影响。

压力释放装置可以防止设备内部故障时产生的过压力。GIS、罐式断路器常用的压力释放装置为防爆膜。由于电力设备的特殊性，高压开关设备用的防爆膜应具有密封性好、爆破压力稳定、动作响应准确、使用寿命长、能承受冷热冲击等要求[4-6]。正常情况下，防爆膜将伴随高压开关设备整个使用寿命周期，无需进行更换或难以进行拆卸检修，同时在运行状态下对防爆膜进行性能试验检测也是不可行的，因此防爆膜的选型及运维至关重要。

本文归纳总结了高压开关常用不同形状、材质防爆膜的优缺点及影响其性能的主要因素，并根据防爆膜的使用经验和电力设备对防爆膜的特殊要求，提出了有效的运维技术措施。

1 防爆膜选型

1.1 形状[7]

电力常用的防爆膜有正拱带槽型爆破片、反拱带槽型爆破片、平板形（带槽或开缝）爆破片。

正拱带槽型爆破片呈拱形且带槽，凹面处于压力系统的高压侧，动作时因拉伸而破裂，其结构如下图所示。其抗压力疲劳能力性较好，爆破时无碎片。

图1 正拱形爆破片

反拱带槽型爆破片呈拱形且带槽，凸面处于压力系统的高压侧，动作时因压缩失稳而破裂，其结构如下图所示。其抗压力疲劳能力性优良，爆破时无碎片。

图2 反拱形爆破片

平板形（带槽或开缝）爆破片呈平板形，动作时因拉伸、剪切或弯曲而破裂，其结构如下图所示。其抗压力疲劳能力性差，爆破时可能有碎片（特殊设计时没有）。

图3 平板形爆破片

由于正拱带槽型爆破片和反拱带槽型爆破片的抗压力疲劳能力强、性能稳定、爆破无碎片，因此推荐优先采用这两种形式。

1.2 材质

电力常用的防爆膜材质有不锈钢、镍和石墨。

表1 材质优缺点对比

由于高压开关设备内部充有无腐蚀性的SF6气体，且通常变电站周围也无腐蚀性气体、液体，一般无需考虑抗腐蚀性，即针对高压开关设备而言，石墨防爆膜无任何优势。镍材质防爆膜由于存在生锈风险，需要做特殊的防护。因此，综合考虑性能、成本、安装工艺等因素优先推荐不锈钢材质。

综上所示，针对GIS、罐式断路器用的防爆膜优先推荐采用：正拱带槽型的不锈钢爆破片或反拱带槽型的不锈钢爆破片。

2 性能影响关键因素

防爆膜的动作情况分两种：

1）正确动作：因罐体内部故障引起气体压力升高导致防爆膜破裂。

2）误动作：由于受材质劣化、设计参数不合理以及外部环境等因素的影响，气室内的压力未达到爆破压力时，防爆膜爆裂；或者当压力达到爆破压力时，防爆膜不动作。

为防止防爆膜误动作，运维中应关注以下几种常见的影响因素[8-10]：

a.无防护装置或者防护装置安装不当

当爆破片的泄压侧没有防护装置或者防护装置安装不当时，爆破片可能遭受外力（如冰雹、外力）损伤或腐蚀（如酸雨），造成爆破片异常破裂。同时，当无防护装置，爆破片正常动作时，其产生的碎片或气流可能会伤及运维人员。

b.异常损伤

防爆膜在储存、运输、安装和使用过程中遭受损伤，防爆膜的爆破压力或抗压力疲劳能力性降低。

c.夹持器安装不当

根据爆破片的使用要求，应选用合适的夹持器安装形式。若安装过程中，没有按照使用说明书进行合理的夹紧固定，造成爆破片夹持边缘处于非刚性约束状态，将会对防爆膜的爆破压力或抗压力疲劳能力性能造成严重影响。

d.极端天气影响

在我国北方地区，冬季若爆破片泄压侧积水后结冰，由于爆破片厚度一般较薄，且电力用爆破片大部分都带槽型开口，所有爆破片极有可能发生形变，甚至直接爆裂。

在南方地区，夏天阳光直射下外壳（含防爆膜）表面温度可达80℃及以上，此时爆破片的爆破压力就会降低。同时，由于温度升高，高压开关内的SF6气体压力也相应升高，若爆破片的裕度不够，就有可能发生异常爆破。

3 运维建议

高压开关用防爆膜由于其使用环境的特殊性，在选用、安装、运行、检修时应重点关注以下几点：

1）防爆膜应保证在高压开关设备使用年限内不会老化开裂；

2）爆破片必须安装在与之配套的夹持器内，且应严格按照产品使用说明书进行精心安装，切记装反或损伤爆破片；

3）室外安装的防爆膜必须有防护罩；

4）防爆膜的布置及保护罩的位置，应确保排出压力气体时，不危及在正常运行时可触及的位置工作的运行人员；

5）运维人员应定期检查防爆膜有无锈蚀、氧化、变形、裂纹等异常现象；

6）从高压开关设备上拆下来的爆破片，建议不再重复安装使用。

4 结束语

防爆膜作为高压开关设备内部故障情况下的重要保护组件，正常情况下，防爆膜将伴随高压开关设备整个使用寿命周期，但若由于选型、安装、运维不当，导致其运行性能降低，将是电力系统安全稳定运行的重大隐患。因此，必须从选型、安装、运维等环节加强管控，以保证高压开关设备的安全可靠运行。