白兵占

（ABB（中國）有限公司，北京 100176）

1 故障電弧及其危害

環(huán)網(wǎng)柜是12～40.5kV 重要的供電設(shè)備，除了保證正常供電和切開正常工作電流外，還必須滿足安全要求，防止傷害到供電設(shè)備附近的相關(guān)人員，為此國家電網(wǎng)對(duì)金屬封閉開關(guān)和控制設(shè)備進(jìn)行內(nèi)部故障電弧試驗(yàn)。GB 3906—2006 附錄A 對(duì)其試驗(yàn)布置和試驗(yàn)設(shè)計(jì)以及合格判據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的說明。

近十多年來，隨著科技的發(fā)展，環(huán)網(wǎng)柜多采用了全絕緣技術(shù)，出現(xiàn)內(nèi)部故障的概率越來越低，但是，但開關(guān)柜設(shè)備在使用過程中,由于操作和維護(hù)故障、大氣過電壓和操作過電壓、固體絕緣材料的故障和負(fù)荷開關(guān)、斷路器或熔斷器過載等一些不可預(yù)知因素，還會(huì)引內(nèi)部電弧故障，因此設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)能耐受內(nèi)部電弧故障的開關(guān)設(shè)備十分重要[1]。

內(nèi)部故障產(chǎn)生的電弧能量可達(dá)107量級(jí)，其破壞力驚人，根據(jù)用戶的反饋，曾有一個(gè)200m2的配電室因PT 柜爆炸，導(dǎo)致配電室有玻璃炸碎，而配電室原本很沉重的雙層金屬大門亦被推開，由此可見其威力。

關(guān)于試驗(yàn)合格判據(jù)，可以通俗地理解，試驗(yàn)中的指示旗就是模擬的電器設(shè)備運(yùn)行中周圍的人員，指示旗燒著就意味著人員受傷。可接觸范圍內(nèi)柜體外殼不允許有開裂和孔洞，試驗(yàn)后外殼和接地良好也都是為了保證人員的安全。

2 內(nèi)部故障試驗(yàn)樣柜及試驗(yàn)安排

按照相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)備出廠前對(duì)環(huán)網(wǎng)柜的開關(guān)室和電纜室分別進(jìn)行了短接。開關(guān)室將邊柜的三相直接短接。電纜室的短接位置為邊柜靠近邊板的兩相間。開關(guān)安裝在500mm 高的金屬支架上，模擬電纜溝。支架為半封閉結(jié)構(gòu)，僅留一側(cè)供氣體排出。試驗(yàn)時(shí)全部開關(guān)處于合閘位置。該環(huán)網(wǎng)柜在前、側(cè)、后三面設(shè)置指示旗，如圖1所示。

圖1 指示旗布置

3 短路故障室壓力分析

根據(jù)國家電網(wǎng)要求，對(duì)環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行了12kV，20kA1s 的試驗(yàn)研究。圖2是該環(huán)網(wǎng)柜的空間示意。該環(huán)網(wǎng)柜主要由開關(guān)室，電纜室及機(jī)構(gòu)室3 部分組成，其中機(jī)構(gòu)室是低壓室，不會(huì)發(fā)生對(duì)人員有影響的高能量電弧。這里只對(duì)前兩個(gè)室進(jìn)行分析。

圖2 環(huán)網(wǎng)柜空間示意

短路故障發(fā)生時(shí)的氣體壓力對(duì)柜體結(jié)構(gòu)會(huì)造成沖擊，要求柜體強(qiáng)度足以承受氣體沖擊。氣體在燃弧過程中的壓力值與故障室的容積和氣體排放的通道有密切關(guān)系。故障室容積越大，氣體排放越順暢，則最大氣體壓力越低，設(shè)備越容易通過該試驗(yàn)。

開關(guān)室為全焊接結(jié)構(gòu)，其體積大約為單個(gè)電纜室容積的4 倍，在該室底部有泄壓孔，當(dāng)壓力達(dá)到大約2 大氣壓時(shí)，泄壓閥永久打開，熱氣體從泄壓孔排除，壓力最終完全釋放。

電纜室容積較小，電纜室發(fā)生燃弧故障時(shí)熱氣流大部分向后排放，一部分也可向下排放，為此電纜室后隔板和下底板盡量大的范圍內(nèi)設(shè)置泄壓大方孔后再安裝泄壓片，并且泄壓片能夠非常容易打開。

為保證燃弧時(shí)相關(guān)結(jié)構(gòu)不被沖開，電纜室周圍各零件采用雙折彎，插接等結(jié)構(gòu)，有效地加強(qiáng)了彼此間的聯(lián)結(jié)，試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)電纜室結(jié)構(gòu)無變形，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠。

4 電弧溫度對(duì)環(huán)網(wǎng)柜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響

據(jù)資料[2]的電弧模型，內(nèi)部電弧可分為以下3個(gè)階段。

第一階段，壓縮階段。在最初一段時(shí)間（5～10ms）內(nèi)，溫度上升，并引起壓力升高。在這個(gè)階段，由于故障室內(nèi)部壓力升高，與周圍空氣產(chǎn)生壓力差，在壓力差的作用下，受熱氣體流動(dòng)，泄壓板被打開進(jìn)行泄壓，并帶走大量的能量。故障室內(nèi)部壓力突然升高是該階段的特征。

第二階段，膨脹排放階段。柜內(nèi)氣體壓力開始下降。由于不斷有電能輸入弧根處，內(nèi)部形成空氣流、氣體流與微粒流，這種高速氣體熾熱且含有一定量的灼熱微粒，是內(nèi)部電弧所產(chǎn)生的外部效應(yīng)。

第三階段，熱效應(yīng)階段。當(dāng)大多數(shù)空氣被排出時(shí)，電弧周圍的空氣溫度最終幾乎達(dá)到電弧溫度。從這個(gè)時(shí)刻起，絕大部分電弧能量作用到周圍開關(guān)設(shè)備中的固體元件上，開關(guān)柜有被燒穿的危險(xiǎn)。

對(duì)于電弧的第一階段，順暢的泄弧通道是將內(nèi)部壓力釋放的關(guān)鍵，不僅可以使燃弧試驗(yàn)順利成功，而且可以降低環(huán)網(wǎng)柜的材料成本。

電弧的第二、三階段與燃弧時(shí)間關(guān)系密切，由電源輸入的能量除了一部分由熱氣體沿泄壓通道釋放外，剩下的能量由電弧轉(zhuǎn)化成熱量不斷加熱周圍的空氣，因而隨著時(shí)間的增加，電弧周圍開關(guān)柜設(shè)備的材料逐漸被燒蝕。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定燃弧時(shí)間為0.1s,0.3s,0.5s 和1s。為滿足市場(chǎng)要求和保障人員安全，本試驗(yàn)分析考慮1s。

試驗(yàn)表明電弧周圍的零部件燒損嚴(yán)重，必須采取措施加強(qiáng)。表1和表2分別是電纜室和開關(guān)室在不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)下的試驗(yàn)結(jié)果。

表1 電纜室不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)下的試驗(yàn)結(jié)果

表2 開關(guān)室不同設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)下的試驗(yàn)結(jié)果

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

不難看出，隨著結(jié)構(gòu)的一步步加強(qiáng)，最終通過了燃弧試驗(yàn)。

在電纜室試驗(yàn)過程中，亦曾將通過內(nèi)部故障試驗(yàn)的相同結(jié)構(gòu)的環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)行三相短接燃弧試驗(yàn)，試驗(yàn)未通過，而任何兩相短接的燃弧試驗(yàn)均已通過，這充分說明了電弧能量對(duì)電纜室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有著多大的影響。

5 電場(chǎng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

開關(guān)設(shè)備在正常工況下，開關(guān)室絕緣介質(zhì)為六氟化硫，電纜室為電纜頭復(fù)合絕緣設(shè)計(jì)，故相間及相對(duì)地間距離較小的情況下也能夠耐受標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的工頻電壓和沖擊電壓。但是在進(jìn)行內(nèi)部燃弧故障試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)工況不同于正常工況。為減少對(duì)環(huán)境的影響，開關(guān)室絕緣介質(zhì)一般充空氣或氮?dú)猓娎|室 的電纜聯(lián)接頭則直接省掉，改為裸銅連接以模擬故障條件。這樣實(shí)際上縮短了相間及相對(duì)地的距離，這對(duì)電弧的走向有較大的影響。

進(jìn)行電場(chǎng)優(yōu)化前，開關(guān)室的內(nèi)部故障后的圖片如圖8所示，氣室側(cè)板對(duì)應(yīng)3 條母線端部位置有3個(gè)燒穿的孔洞。分析此試驗(yàn)結(jié)果，原因在于母線端部為高壓源，而開關(guān)室側(cè)板為接地端，電弧與高壓源幾乎等電位，沿母線瞬間爬至母線端部，從而將側(cè)板燒穿。通過改善母線結(jié)構(gòu)，加大此處空間距離后，再進(jìn)行此試驗(yàn)，未發(fā)現(xiàn)燒穿痕跡。

電纜室的情況與開關(guān)室類似，由于電纜聯(lián)接的開關(guān)柜試驗(yàn)要求在邊柜的靠近柜邊的兩相間短接，最外側(cè)一相距地過近，因而在未優(yōu)化電場(chǎng)前電弧直接將側(cè)板燒穿。電場(chǎng)優(yōu)化后，此試驗(yàn)成功。

國外有試驗(yàn)室在進(jìn)行此試驗(yàn)時(shí)采取降壓（3.6kV）進(jìn)行，沒有采取類似的電場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，試驗(yàn)通過了同樣標(biāo)準(zhǔn)。而國內(nèi)直接采用12kV 進(jìn)行試驗(yàn)，因而在試驗(yàn)的結(jié)果上有些差別。通過電場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化，進(jìn)一步提高了設(shè)備耐受故障的性能。

6 結(jié)論

通過多次的環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部故障電弧試驗(yàn)，得出以下結(jié)論。

1）設(shè)計(jì)暢通的泄壓通道是內(nèi)部故障試驗(yàn)的關(guān)鍵。

2）在電弧易到達(dá)部位增加擋弧板能防止外部結(jié)構(gòu)燒穿。

3）電場(chǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)有利于試驗(yàn)的順利進(jìn)行。

4）充分理解標(biāo)準(zhǔn)，按標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)芄?jié)省試驗(yàn)時(shí)間，快速實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

[1] 張曉蕓.KYN28A 型開關(guān)柜內(nèi)部故障的電弧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械研究與應(yīng)用,2009(4): 134-136.

[2] 黃銳,馬炳烈,胡毅亭,等.開關(guān)柜內(nèi)部電弧故障產(chǎn)生力和熱的計(jì)算模型[J].爆炸與沖擊,2000,20(2): 15-18.