中压开关柜内部电弧影响及防护一

摘要：由于开关柜内部的凝露、污秽、动物侵入、绝缘材料的失效(老化、机械损伤等)等原因会造成内部电弧故障。当发生内部电弧时,开关柜需要先后承受巨大的机械冲击和热效应的作用，按照IEEE防范电弧危害的安全距离计算，以及爆炸理论和基于试验数据的CFD模拟分析，都证明内部电弧初期的冲击波产生的压力会对10米内的人员造成重大伤害，后期热效应会使开关柜内部金属、绝缘件燃烧、气化直至完全烧毁。内部电弧的人员保护以及限制应采用具有IAC等级的开关设备、弧光保护装置来切断电源，创新解决方案是将电弧故障转化为接地导体短路故障，熄灭电弧则可以从根本上减轻甚至消除内部电弧机械和热效应危害。

电弧闪光是两个带电导体之间或导体与地之间通过空气的短路连接。当空气电阻发生电击穿时，就会发生这种连接。空气变得电离并具有导电性，并且是最高温度达到20,oC的过热等离子体。当系统中有足够高的电压，通过空气击穿路径到达低电压一端时，就会发生电弧闪光。它以热、光和爆炸性爆炸的形式释放大量能量。

1.电弧故障的形成

关于“电弧故障”或“电弧闪光”，要了解电弧故障实际上是什么以及它如何影响开关设备，必须首先了解电弧故障与另一种“导体故障”的故障之间的区别。导体连接故障基本上是通过两个不同相位之间或相位与接地导体之间的高导电介质造成的完全短路，即短路电流流经的是相间铜排或铜排与大地。

众所周知，电弧故障是非常危险的，它与导体短路故障截然不同。电弧故障也是相间或相与地之间的短路，但这次短路电流流经空气，而不是流经铜等实际导电材料。发生电弧故障时，故障位置的温度会立即升高至20oC以上（铜的熔点为oC）。由于温度迅速大幅升高，内部组件汽化，形成过热的气体球，导致破坏性爆炸，爆炸是一种极为迅速的能量释放过程，能量瞬间释放导致产生的高温和高压，在爆炸产生的高压的推动下，爆炸点周围的那一圈空气就会向四周扩散，由于爆炸释放的能量特别大，爆炸物向外扩散的速度会超过声速，爆炸点挤压周围空气的速度，会远远超越空气向外传递压力的速度，这就是爆炸产生的冲击波。

爆炸冲击波以起弧点为中心快速传导，隔板、柜体、门板、盖板等受到巨大的冲击。当压力释放盖板打开瞬间，压力得以释放。当压力释放板打开时，巨大的冲击波伴随着气化的高温粒子等会对开关室的产生非常大的破坏，笔者曾看到在35kV开关柜内部故障后，10米高的开关室顶部灯罩、墙皮全部脱落，冲击波顺着电缆沟一直到主变室，造成主变天花板脱落，可想而知冲击波的压力是巨大的。

开关设备的设计、试验额定值能够承受可能发生的导体短路故障电流水平，因为与空气相比，相间导体的电流阻抗更低，因此导体短路故障水平是高于电弧故障的，导体短路没有电弧产生。开关设备的设计能够确保导体故障电流不超过导体的最大载流量及发热量，因此，设备不会因故障而损坏。通过计算可以算出铜排承受短路电流的能力，而且设计留有足够的裕度以保证安全，如中压开关柜导体回路的短时耐受电流水平31.5/40/50kA，耐受时间3秒。

2.电弧产生原因及安全防护

电弧故障通常是由以下对开关柜内部静止系统的动态干预措施造成的：异物入侵、掉落的金属件、绝缘介质击穿、机械故障、联锁失效导致的误操作等，如果小动物、金属工具等到达带电导体附近，并且电弧通过空气从导体跳到小动物或工具上，则可能会发生电弧。电弧也可能在开关柜的两相之间传播，导致相间故障，设备故障、绝缘间隙小和灰尘堆积都会导致电弧放电。如北京某变电站，操作人员将接地开关分闸后，随手将操作手柄放在抽出式断路器触臂上，然后将断路器推进到工作位置，推进过程中当手车动触头与静触头距离过小，电气击穿放电同时引发三相短路，操作人员感觉不对没有将手车继续推进，而是选择拉出手车，拉出手车意味着拉长电弧，电弧能量进一步加大，事故造成两名操作人员98%的烧伤。

安全防护之一是必须控制电弧中释放的大量能量，以最大限度地降低工人受伤和设备损坏的风险。电弧闪光期间会产生非常高的压力。有时，这种压力可以与炸药相媲美，并可能对附近的人员、设备和建筑物造成损坏。在操作高压设备之前，强烈建议操作员确保所有盖板或门都已安全锁定。这一点非常重要，很多开关柜采用螺栓锁，一个门上有3~5个螺栓不等，螺栓全部锁紧到位才可以承受内部电弧故障，但如果没有锁紧到位，内部电弧故障的冲击波会冲开门板，造成巨大伤害，如某变电站开关柜，老鼠从电缆沟进入柜体，造成内部电弧，由于只有一个螺栓锁锁紧，造成门板冲开，造成整个开关室的破坏。