环网柜的内部故障电弧试验

2013-05-29白兵占

电气技术 2013年4期

白兵占

（ABB（中国）有限公司，北京 100176）

1 故障电弧及其危害

环网柜是12～40.5kV 重要的供电设备，除了保证正常供电和切开正常工作电流外，还必须满足安全要求，防止伤害到供电设备附近的相关人员，为此国家电网对金属封闭开关和控制设备进行内部故障电弧试验。GB 3906—2006 附录A 对其试验布置和试验设计以及合格判据进行了详细的说明。

近十多年来，随着科技的发展，环网柜多采用了全绝缘技术，出现内部故障的概率越来越低，但是，但开关柜设备在使用过程中,由于操作和维护故障、大气过电压和操作过电压、固体绝缘材料的故障和负荷开关、断路器或熔断器过载等一些不可预知因素，还会引内部电弧故障，因此设计、试验、生产能耐受内部电弧故障的开关设备十分重要[1]。

内部故障产生的电弧能量可达107量级，其破坏力惊人，根据用户的反馈，曾有一个200m2的配电室因PT 柜爆炸，导致配电室有玻璃炸碎，而配电室原本很沉重的双层金属大门亦被推开，由此可见其威力。

关于试验合格判据，可以通俗地理解，试验中的指示旗就是模拟的电器设备运行中周围的人员，指示旗烧着就意味着人员受伤。可接触范围内柜体外壳不允许有开裂和孔洞，试验后外壳和接地良好也都是为了保证人员的安全。

2 内部故障试验样柜及试验安排

按照相应的国家标准，在设备出厂前对环网柜的开关室和电缆室分别进行了短接。开关室将边柜的三相直接短接。电缆室的短接位置为边柜靠近边板的两相间。开关安装在500mm 高的金属支架上，模拟电缆沟。支架为半封闭结构，仅留一侧供气体排出。试验时全部开关处于合闸位置。该环网柜在前、侧、后三面设置指示旗，如图1所示。

图1 指示旗布置

3 短路故障室压力分析

根据国家电网要求，对环网柜进行了12kV，20kA1s 的试验研究。图2是该环网柜的空间示意。该环网柜主要由开关室，电缆室及机构室3 部分组成，其中机构室是低压室，不会发生对人员有影响的高能量电弧。这里只对前两个室进行分析。

图2 环网柜空间示意

短路故障发生时的气体压力对柜体结构会造成冲击，要求柜体强度足以承受气体冲击。气体在燃弧过程中的压力值与故障室的容积和气体排放的通道有密切关系。故障室容积越大，气体排放越顺畅，则最大气体压力越低，设备越容易通过该试验。

开关室为全焊接结构，其体积大约为单个电缆室容积的4 倍，在该室底部有泄压孔，当压力达到大约2 大气压时，泄压阀永久打开，热气体从泄压孔排除，压力最终完全释放。

电缆室容积较小，电缆室发生燃弧故障时热气流大部分向后排放，一部分也可向下排放，为此电缆室后隔板和下底板尽量大的范围内设置泄压大方孔后再安装泄压片，并且泄压片能够非常容易打开。

为保证燃弧时相关结构不被冲开，电缆室周围各零件采用双折弯，插接等结构，有效地加强了彼此间的联结，试验后发现电缆室结构无变形，结构强度足够。

4 电弧温度对环网柜结构设计的影响

据资料[2]的电弧模型，内部电弧可分为以下3个阶段。

第一阶段，压缩阶段。在最初一段时间（5～10ms）内，温度上升，并引起压力升高。在这个阶段，由于故障室内部压力升高，与周围空气产生压力差，在压力差的作用下，受热气体流动，泄压板被打开进行泄压，并带走大量的能量。故障室内部压力突然升高是该阶段的特征。

第二阶段，膨胀排放阶段。柜内气体压力开始下降。由于不断有电能输入弧根处，内部形成空气流、气体流与微粒流，这种高速气体炽热且含有一定量的灼热微粒，是内部电弧所产生的外部效应。

第三阶段，热效应阶段。当大多数空气被排出时，电弧周围的空气温度最终几乎达到电弧温度。从这个时刻起，绝大部分电弧能量作用到周围开关设备中的固体元件上，开关柜有被烧穿的危险。

对于电弧的第一阶段，顺畅的泄弧通道是将内部压力释放的关键，不仅可以使燃弧试验顺利成功，而且可以降低环网柜的材料成本。

电弧的第二、三阶段与燃弧时间关系密切，由电源输入的能量除了一部分由热气体沿泄压通道释放外，剩下的能量由电弧转化成热量不断加热周围的空气，因而随着时间的增加，电弧周围开关柜设备的材料逐渐被烧蚀。

标准规定燃弧时间为0.1s,0.3s,0.5s 和1s。为满足市场要求和保障人员安全，本试验分析考虑1s。

试验表明电弧周围的零部件烧损严重，必须采取措施加强。表1和表2分别是电缆室和开关室在不同设计结构下的试验结果。

表1 电缆室不同设计结构下的试验结果

表2 开关室不同设计结构下的试验结果

图3

图4

图5

图6

图7

图8

不难看出，随着结构的一步步加强，最终通过了燃弧试验。

在电缆室试验过程中，亦曾将通过内部故障试验的相同结构的环网柜进行三相短接燃弧试验，试验未通过，而任何两相短接的燃弧试验均已通过，这充分说明了电弧能量对电缆室结构设计有着多大的影响。

5 电场结构的优化

开关设备在正常工况下，开关室绝缘介质为六氟化硫，电缆室为电缆头复合绝缘设计，故相间及相对地间距离较小的情况下也能够耐受标准规定的工频电压和冲击电压。但是在进行内部燃弧故障试验时，试验工况不同于正常工况。为减少对环境的影响，开关室绝缘介质一般充空气或氮气，电缆室的电缆联接头则直接省掉，改为裸铜连接以模拟故障条件。这样实际上缩短了相间及相对地的距离，这对电弧的走向有较大的影响。

进行电场优化前，开关室的内部故障后的图片如图8所示，气室侧板对应3 条母线端部位置有3个烧穿的孔洞。分析此试验结果，原因在于母线端部为高压源，而开关室侧板为接地端，电弧与高压源几乎等电位，沿母线瞬间爬至母线端部，从而将侧板烧穿。通过改善母线结构，加大此处空间距离后，再进行此试验，未发现烧穿痕迹。

电缆室的情况与开关室类似，由于电缆联接的开关柜试验要求在边柜的靠近柜边的两相间短接，最外侧一相距地过近，因而在未优化电场前电弧直接将侧板烧穿。电场优化后，此试验成功。

国外有试验室在进行此试验时采取降压（3.6kV）进行，没有采取类似的电场优化设计，试验通过了同样标准。而国内直接采用12kV 进行试验，因而在试验的结果上有些差别。通过电场设计优化，进一步提高了设备耐受故障的性能。