李曉松

摘 要：介紹了SF₆充氣柜發(fā)生內(nèi)部故障電弧的危害，分析了發(fā)生故障時(shí)電弧使殼體燒穿及氣壓升高使殼體爆裂的產(chǎn)生機(jī)理，從而提出了在設(shè)計(jì)上應(yīng)采取的措施。

關(guān)鍵詞：電弧故障；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；措施

1 內(nèi)部電弧故障

由于環(huán)網(wǎng)柜設(shè)備的自身缺陷或異常的環(huán)境或惡劣的工作條件導(dǎo)致絕緣性能降低，也許因工作人員的誤操作等原因，有可能造成柜體內(nèi)氣體間隙擊穿而導(dǎo)致引起內(nèi)部弧故障，可能會(huì)造成以下事故：

使電弧故障范圍變大并迅速擴(kuò)散。電弧使質(zhì)量很輕的等離子體，在點(diǎn)動(dòng)力和內(nèi)部高溫的作用下，可在柜體內(nèi)部發(fā)生高速移動(dòng)，弧根可沿著導(dǎo)體跳動(dòng)或轉(zhuǎn)移，因此很容易造成事故擴(kuò)大化，最嚴(yán)重的情況可使一組并排的環(huán)網(wǎng)柜設(shè)備完全燃燒，造成大面積斷電。

破壞性大。電弧使功率大，溫度高（大氣中的電弧可達(dá)10000～20000°C），其破壞力很強(qiáng)，任何氣體和固體材料都無(wú)法經(jīng)受電弧的灼燒。在這種溫度情況下，電弧碰到金屬，金屬將會(huì)融化，蒸發(fā)，零件表面會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重變形和損傷；電弧碰到絕緣材料絕緣材料則會(huì)氣化，并分解出有毒和腐蝕性氣體，次之絕緣件也會(huì)受到嚴(yán)重的損傷，從而造成損壞。

危及人員安全。在高溫、高功率的電弧作用下，會(huì)使柜體內(nèi)部的空間氣體溫度在短時(shí)間內(nèi)會(huì)驟然上升，使金屬材料，絕緣材料氣化，柜體內(nèi)部壓力的驟然上升會(huì)對(duì)空間內(nèi)的隔板、蓋板、門(mén)板、觀察窗和連接件等發(fā)生變形，損壞或是零部件向外部飛出，嚴(yán)重情況下會(huì)因柜體鈑金的強(qiáng)大不足使環(huán)網(wǎng)柜發(fā)生爆炸危及人員安全。

2 柜體內(nèi)壓力過(guò)程

在柜體內(nèi)部出現(xiàn)電弧故障以后，電弧能量將迅速傳遞給周?chē)臍怏w，導(dǎo)致柜體內(nèi)的氣壓上升。如過(guò)空氣中的壓強(qiáng)超過(guò)泄壓裝置設(shè)計(jì)的釋放壓力，泄壓裝置將會(huì)迅速打開(kāi)，氣體將從泄壓裝置通道釋放，進(jìn)入到柜體外部，使柜體內(nèi)部壓強(qiáng)下降，降低壓力。

內(nèi)部故障產(chǎn)生的破壞力與電弧產(chǎn)生的間隔容積，電弧電壓，持續(xù)的時(shí)間，短路電流大小有關(guān)。在電弧產(chǎn)生后，柜體內(nèi)的壓力過(guò)程如圖1所示，壓力過(guò)程可以分為四個(gè)物理階段，見(jiàn)圖1。

壓縮階段。0～t1時(shí)間內(nèi)，柜體內(nèi)部產(chǎn)生電弧到泄壓裝置通道口排出。設(shè)在t=0時(shí)柜體內(nèi)部出現(xiàn)強(qiáng)大功率電弧，故障室內(nèi)的壓力上升很快。內(nèi)部故障電流越大，電弧電壓越高，隔內(nèi)體積越小，則壓力上升越快。直到排氣口打開(kāi)，這一階段才結(jié)束，持續(xù)的時(shí)間大約為5～10ms。

膨脹階段。t1～t2時(shí)間內(nèi)排氣口從開(kāi)始到完全打開(kāi)，當(dāng)柜體內(nèi)的壓強(qiáng)上升到一定值后，壓力釋放裝置的排氣口將會(huì)打開(kāi)，隔室內(nèi)的氣體通過(guò)釋放裝置的排氣口釋放，使壓力上升變化，見(jiàn)小壓強(qiáng)上升，這與壓力釋放裝置的排氣口的尺寸，結(jié)構(gòu)和質(zhì)量有關(guān)，這段時(shí)間持續(xù)大約為5～10ms。

釋放階段。t2～t3時(shí)間內(nèi)，釋放裝置的排氣口完全打開(kāi)后到電話(huà)熄滅。這一階段的持續(xù)時(shí)間與繼電保護(hù)裝置和斷路器的開(kāi)端時(shí)間有關(guān)。時(shí)間短的只有幾十到上百毫秒，長(zhǎng)得可達(dá)1s。

電弧熄滅以后。>t3時(shí)間內(nèi)為壓力釋放后電弧熄滅后的狀態(tài)，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖可知，t1時(shí)刻對(duì)環(huán)網(wǎng)柜的危險(xiǎn)最大，此時(shí)刻柜體內(nèi)的氣體被壓縮，溫度和壓強(qiáng)急劇升高，泄壓裝置開(kāi)始動(dòng)作時(shí)破壞最大，因此環(huán)網(wǎng)柜應(yīng)以此時(shí)刻沖擊為設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，能承受主次時(shí)刻的壓強(qiáng)。

3 開(kāi)關(guān)柜結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

當(dāng)內(nèi)部電弧故障發(fā)生時(shí)，不同間隔內(nèi)的壓強(qiáng)和問(wèn)題隨時(shí)間變化是不同的，斷路器壓強(qiáng)最大；電纜室次之，母線(xiàn)室最小。本論文采用的模型斷路器和母線(xiàn)在同一間隔內(nèi)，其壓強(qiáng)最大，電纜室產(chǎn)生的電弧方向難以確定，因此電纜室和氣室為分析的重點(diǎn)。

3.2 氣室的設(shè)計(jì) 氣室的壓強(qiáng)計(jì)破壞也是很大的，在內(nèi)燃弧試驗(yàn)時(shí)泄爆膜能否開(kāi)啟起著決定性作用，在安裝泄爆膜時(shí)要安裝設(shè)計(jì)力矩進(jìn)行安裝。氣室設(shè)計(jì)選用3mm的不銹鋼板，在泄爆膜打開(kāi)時(shí)其強(qiáng)度可以滿(mǎn)足要求，因此鋼板之間的焊縫為薄弱環(huán)節(jié)，特別是后封板，在焊接時(shí)應(yīng)采用填料形式焊接，增加其強(qiáng)度。氣室內(nèi)部在保證絕緣的前提下，增加前后和上下拉桿，前后拉桿與后封板焊接，使其在安裝完成后成為一個(gè)整體，使氣室強(qiáng)度增加。

4 結(jié)束語(yǔ)

內(nèi)部電弧故障對(duì)環(huán)網(wǎng)柜的破壞是很強(qiáng)大的，特別是對(duì)電纜室和短路氣室，對(duì)有透視窗的環(huán)網(wǎng)柜此處也是脆弱環(huán)節(jié)。在關(guān)鍵部位進(jìn)行設(shè)計(jì)，增加強(qiáng)度以保障人員安全，在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和成本方面仍是一個(gè)長(zhǎng)期的課題。次柜體經(jīng)過(guò)內(nèi)燃弧試驗(yàn)驗(yàn)證，此設(shè)計(jì)通過(guò)實(shí)驗(yàn)，柜體電纜室試驗(yàn)后的狀態(tài)和內(nèi)部破壞嚴(yán)重，電弧已經(jīng)燒穿2層板，第三層燒掉部分，因此為了保證人員安全在側(cè)面增加0.7mm敷鋁鋅板。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，此試驗(yàn)結(jié)果支持了本次的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也為以后產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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