摘要：內(nèi)部電弧故障試驗(yàn)是高壓開關(guān)柜的強(qiáng)制試驗(yàn)項(xiàng)目（適用時），內(nèi)部電弧故障能量大、對開關(guān)柜及門板蓋板沖擊壓力大；且由于電弧的質(zhì)量輕、電弧發(fā)生的復(fù)雜性，試驗(yàn)中有很多不確定性。本文通過對十年來30余次內(nèi)部燃弧故障試驗(yàn)發(fā)生的一些現(xiàn)象、問題進(jìn)行總結(jié)，結(jié)合客戶需求和實(shí)際應(yīng)用對抗內(nèi)燃弧故障開關(guān)柜的設(shè)計進(jìn)行。
引言
對于中壓開關(guān)設(shè)備，根據(jù)IEC62271-200、GB/T3906等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，內(nèi)部電弧故障試驗(yàn)已經(jīng)成為適用時的強(qiáng)制試驗(yàn)項(xiàng)目， 中壓開關(guān)設(shè)備關(guān)系到操作人員的生命安全，每年有大量的人員傷害和財產(chǎn)損失與內(nèi)部電弧故障相關(guān)，越來越多的客戶要求高壓開關(guān)柜必須具有內(nèi)部故障等級并通過相應(yīng)的內(nèi)部故障型式試驗(yàn)。
燃弧時的能量
壓力測量
為了指導(dǎo)開關(guān)柜的設(shè)計，通過采用HONERWELL的壓力傳感器在試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)采集，得出關(guān)鍵部位的較大壓力和較大壓力發(fā)生的時間。
壓力數(shù)據(jù)如下：
中置柜內(nèi)燃弧壓力釋放順暢時，
l 31.5KA/1s的IAC試驗(yàn)，開關(guān)隔室門較大壓力0.102Mpa @11.2ms；
l 電纜室頂蓋板0.0877Mpa @ 18.2ms；
l 40KA/1s IAC試驗(yàn)時，后蓋板較大壓力0.229Mpa@8ms。
對于壓力釋放不通暢的充氣柜，母線室氣箱壓力釋放朝下部，通過柜底部的水平通道引致開關(guān)柜端柜兩側(cè)的垂直泄壓通道，再連至柜頂部的水平壓力釋放通道釋放到戶外。如圖1所示，內(nèi)部故障試驗(yàn)時，由于存在壓力的反彈，對安裝在柜底部水平泄壓通道的壓力傳感器數(shù)據(jù)分析，可以看出共出現(xiàn)3波壓力上升值，明顯反映出燃弧故障發(fā)生時電弧釋放的過程，首先母線室壓力釋放到底部，然后反彈（1），20ms左右壓力到達(dá)0.23Mpa，進(jìn)而壓力沖擊波回彈到到側(cè)面垂直通道，壓力達(dá)到較大值（2），即50ms左右壓力0.5Mpa, 反彈后后續(xù)壓力釋放形成第三波壓力,壓力值回到0.2Mpa，而后隨著壓力逐步減小至平穩(wěn)。
電弧是強(qiáng)功率、高溫度（可達(dá)20000度），破壞力極強(qiáng)，任何氣體和固體材料都不能耐受電弧燒灼，在此情況下，金屬會熔化、蒸發(fā)，零件表面嚴(yán)重變形，絕緣材料氣化，分解出有毒氣體，開關(guān)柜內(nèi)部燃弧時，電弧能量是巨大的.電弧是質(zhì)量極輕的等離子體，在電動力和熱氣的作用下，可在柜內(nèi)高速移動，因此電弧故障范圍廣并能迅速轉(zhuǎn)移擴(kuò)大。在最嚴(yán)重時，可將一排開關(guān)柜完全燒毀，造成火燒連營的重大事故。
電弧長度在越寬的開關(guān)柜、相對空間越大的隔室里，電弧長度越長，即使燃弧電流不大，但產(chǎn)生的能量非常大，因此，開關(guān)柜的設(shè)計需要充分考慮限制電弧的長度，如一種開關(guān)設(shè)備相間及對地完全采用GPO-3耐電弧絕緣板完全阻隔，試驗(yàn)證明，隔板阻止了電弧的蔓延長度，電弧能量明顯減少。
弧根轉(zhuǎn)移
電弧是質(zhì)量極輕的等離子體，弧根可沿導(dǎo)體跳動和轉(zhuǎn)移，因此電弧轉(zhuǎn)移就是燃弧試驗(yàn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象。
以2000A 50kA800mm 寬和4000A 50kA 1000mm寬開關(guān)柜燃弧試驗(yàn)為例，介紹電弧轉(zhuǎn)移現(xiàn)象既然800mm寬的開關(guān)柜通過50kA燃弧試驗(yàn)，為什么1000mm寬的還需要試驗(yàn)？
原因主要有
不同寬度的柜體燃弧能量不同，不能以800mm寬開關(guān)柜做過50kA/1s的內(nèi)部故障試驗(yàn)，1000mm寬就可以不做，因?yàn)槟芰坎煌?，雖然1000mm寬空間大，泄壓板面積大，但由于內(nèi)部電弧長度不同，能量不同，不能證明800mm寬通過試驗(yàn)1000mm寬就一定能夠通過試驗(yàn)；IEC62271-307也規(guī)定IAC型式試驗(yàn)小的不能覆蓋大的，因此需要對4000A 1000mm寬開關(guān)柜進(jìn)行試驗(yàn);
4000A采用強(qiáng)制風(fēng)冷，手車室、母線室頂部有強(qiáng)制風(fēng)冷風(fēng)扇，風(fēng)扇對壓力釋放的影響需要試驗(yàn)驗(yàn)證。
試驗(yàn)中的電弧轉(zhuǎn)移：
2000A 50KA 手車室燃弧試驗(yàn)
手車室試驗(yàn)，短接在斷路器下部觸臂的根部，
正常實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該是在觸臂根部持續(xù)燃燒，把觸臂燒蝕甚至燒斷，但是燃弧試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)觸臂燒蝕很少,而發(fā)現(xiàn)燃弧發(fā)生在斷路器極柱頂部的散熱器與開關(guān)柜手車室上部IP護(hù)板之間，2000A極柱頂部鋁合金散熱架幾乎完全燒掉，這是因?yàn)橄掠|臂三相圓銅棒雖然引弧成功，但電弧很快向電流回路絕緣強(qiáng)度相對低的部位轉(zhuǎn)移，因此電弧弧根轉(zhuǎn)移到散熱架上并持續(xù)燃燒。
1. 4000A 50KA 手車室試驗(yàn)，短接在斷路器下部觸臂的根部，由于觸臂是環(huán)氧硫化絕緣，因此打磨掉環(huán)氧層，露出金屬進(jìn)行短接。
2. 4000A 50kA 燃弧試驗(yàn)后根部同樣沒有燒蝕，而發(fā)現(xiàn)母線室大彎板下部通風(fēng)長腰孔處燒蝕嚴(yán)重，原因分析是電弧同樣向絕緣強(qiáng)度較弱的地方轉(zhuǎn)移。
3. 由于存在電弧向絕緣相對薄弱的地方轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象，EATON公司發(fā)明了--用于開關(guān)柜的防燃弧機(jī)構(gòu)，人為設(shè)計引弧點(diǎn)，當(dāng)內(nèi)部燃弧故障發(fā)生時，使電弧在指定點(diǎn)燃燒，從而降低電弧長度和能量，保護(hù)開關(guān)設(shè)備。
內(nèi)部故障時壓力的限制措施
在很多特殊應(yīng)用場合要求開關(guān)柜出現(xiàn)內(nèi)部燃弧故障時，不要有過大的壓力和火焰釋放，如船舶、地下空間、化工等場合，也沒有條件采用如壓力釋放通道等措施將電弧壓力釋放到指定空間，因此要求“零電弧釋放”，即需要開關(guān)柜采取措施限制釋放到開關(guān)柜外部的氣體壓力和電弧火焰，GB3906標(biāo)準(zhǔn)也說明，對戶內(nèi)設(shè)備，由于金屬封閉開關(guān)設(shè)備內(nèi)部故障產(chǎn)生的電弧可能會導(dǎo)致開關(guān)設(shè)備安裝房間內(nèi)過壓力，需要設(shè)備設(shè)計時予以考慮。
采用電弧吸收器可以降低釋放壓力,減少火焰釋放到開關(guān)設(shè)備房間，通過使用具有吸收表面積達(dá)9m2的陶瓷割斷并過濾氣體壓力和火焰。也有通過鋼板加陶瓷片制成迷宮型式的吸收器， 開關(guān)柜內(nèi)部故障釋放的壓力降低70~80%，對開關(guān)室建筑的影響顯著降低，對比31.5kA/1s燃弧試驗(yàn)，未裝吸收器的壓力達(dá)到110mbar，而安裝了吸收器的壓力只有38mbar，明顯減少，從而大大減少了對建筑和人員的傷害。在環(huán)網(wǎng)柜后部壓力釋放通道頂部安裝有蜂窩陶瓷組合的吸收器進(jìn)行內(nèi)部故障試驗(yàn)，也有效的降低了沖出的氣體壓力和火焰，需要指出的是增加了電弧吸收器的開關(guān)柜，與直接快速壓力釋放板打開的開關(guān)柜比較，火焰和壓力明顯減少，但也意味著壓力釋放時間會減慢，因此柜體需要承受的壓力會增大，對于蓋板、門板等需要比壓力直接釋放的要加強(qiáng)。
抗內(nèi)部燃弧故障開關(guān)柜的設(shè)計
開關(guān)柜的內(nèi)部燃弧的能量是巨大，破壞力也是驚人的，因此開關(guān)柜的結(jié)構(gòu)設(shè)計就顯得非常重要，合理的設(shè)計會保證壓力釋放迅速，減少對蓋板、門等的沖擊，減少噴出火光對人員、其它設(shè)備的破壞；如電纜室內(nèi)部燃弧故障，一般8ms內(nèi)應(yīng)該達(dá)到釋放，內(nèi)部壓力應(yīng)達(dá)到峰值，增加1ms也會對設(shè)備增加破壞，可能造成人員傷亡。
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釋放通道的設(shè)計
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釋放通道應(yīng)足夠大，對于IAC AFLR31.5kA/1s截面積應(yīng)大于0.2m2，通道應(yīng)流暢，適合氣流快速通過，例如設(shè)計設(shè)計斜面等，增加氣流進(jìn)入喇叭口等；無阻擋，避免如電流互感器、接地開關(guān)、橫梁等安裝在通道內(nèi)阻擋氣流通過。
· 泄壓蓋板的設(shè)計
泄壓蓋板應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，薄弱環(huán)節(jié)處不要過于脆弱，防止弧光沖出時沖斷，泄壓板飛出，重量大于60g的物件飛出就算試驗(yàn)失敗，不用擔(dān)心沖不開，只要釋放通道流暢，沖出的壓力是巨大，如分析二中介紹；不建議一端采用鉸鏈方式，內(nèi)部故障發(fā)生時，柜體內(nèi)部各個方向均承受著沖擊波的沖擊，沖擊波可以通過隔室間的任何孔隙，基本上是柜頂?shù)男箟喊宥紩蜷_，打開時需要保持在垂直位置，如薄弱環(huán)節(jié)折彎處會保持在適當(dāng)位置，而鉸鏈蓋板打開后無固定在一個位置，可能造成隔室泄壓蓋板打開時互相干涉，影響泄壓效果;特別是40kA或者50kA的內(nèi)部燃弧故障試驗(yàn)。
· 柜頂部防護(hù)的設(shè)計
按標(biāo)準(zhǔn)GB/T3906-2006規(guī)定除非制造廠規(guī)定了更大的最小間距，否則需要距柜頂部600mm處安裝模擬天花板進(jìn)行試驗(yàn)（新標(biāo)準(zhǔn)GB/T3906-2020已經(jīng)取消了600mm的要求，IEC62271-200標(biāo)準(zhǔn)還有此規(guī)定），內(nèi)部燃弧火光沖出后會從天花板反彈從而點(diǎn)燃試驗(yàn)的水平指示器，造成試驗(yàn)失敗，特別是母線室內(nèi)部故障，母線室距柜頂較近，釋放迅速，瞬間沖出能量大，雖然在柜中間，仍然會反彈燃燒水平指示器。主要有以下幾個解決方案：
l 安裝反射擋板，把壓力、火焰擋在柜頂范圍，典型設(shè)計如“中國館”，漏斗型式安裝在柜頂部，也有設(shè)計指定釋放方向，使噴射火光越過水平指示器；
l 緩沖空間，壓力火焰在此空間內(nèi)聚集再釋放，壓力明顯減少，基本無反彈；而且可以滿足IP44等頂部防護(hù)等級的要求。
l 設(shè)計壓力釋放通道，把電弧光引出開關(guān)柜室外。
通風(fēng)孔的防護(hù)
對于操作孔，抗燃弧柜需要采用蓋板，擋板等方式擋住，只有在操作時打開；而對于柜內(nèi)通風(fēng)進(jìn)口，需要一直開啟，特別是大電流的柜子，即要保持持續(xù)新鮮冷空氣進(jìn)入，當(dāng)內(nèi)部燃弧故障發(fā)生時，又要快速閉合，保證火光不會噴射，引燃指示器，燒傷人員。一般來說，小的燃弧電流，如25kA 0.5s，向下的百葉窗沖出的火光不會引燃指示器，大電流時沖出火光較多壓力大，反彈后會引燃指示器，必須設(shè)計擋板快速封堵。
對于大電流柜頂部安裝風(fēng)機(jī)的設(shè)計，可以在風(fēng)機(jī)周邊設(shè)計壓力釋放板，通過特定釋放方向，也可以使風(fēng)機(jī)盒子向上打開釋放壓力。
結(jié)語
中壓開關(guān)柜內(nèi)部燃弧等級是關(guān)系到人身安全的重要指標(biāo)，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)，不弄虛作假，如把柜門從內(nèi)部鎖死，封板焊接在框架上等做法來通過試驗(yàn)，在實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)品時則偷工減料，不滿足內(nèi)部故障等級。還有應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置模擬天花板，真實(shí)模擬實(shí)際情況進(jìn)行試驗(yàn)，在沒有天花板時，壓力、火焰可以直接上沖，沒有反彈，落下時已經(jīng)接近熄滅，不會點(diǎn)燃水平指示器，而有了距柜頂600mm或其它尺寸的模擬天花板，試驗(yàn)時就不僅要保證開關(guān)柜沒有燒穿，柜門等沒有打開，垂直指示器沒有被點(diǎn)燃；還需要滿足反彈不造成水平指示器點(diǎn)燃和大于60g的部件噴出的判據(jù)要求；通過了試驗(yàn)的天花板與柜頂間的距離將作為產(chǎn)品實(shí)際應(yīng)用時的標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品不能用于小于該距離的環(huán)境，否則將造成人身傷害；而有些應(yīng)用需要較小的柜頂距離，這時就要設(shè)計反射板等措施保證安全，或吸弧裝置降低壓力、減少損害。燃弧試驗(yàn)時有些現(xiàn)象是可以被利用的，如弧根的轉(zhuǎn)移，人為設(shè)計絕緣相對薄弱點(diǎn)將電弧引致指定位置和空間，就可以減少故障對開關(guān)柜的破壞程度?？谷蓟」裨O(shè)計需要充分考慮氣流、沖擊波等因素，對于大電流柜還要充分平衡通風(fēng)與內(nèi)部故障影響的關(guān)系，保證產(chǎn)品滿足內(nèi)部故障要求，實(shí)實(shí)在在通過內(nèi)部故障試驗(yàn)。
