SF6充气柜内部电弧故障的结构设计与防护措施

2021-11-18毛振塔

科学与生活 2021年20期

毛振塔

摘要：六氟化硫（SF6）充气柜作为新型供电设备现在越来越普及，其作用也越来越重要。本文主要分析了SF6充气柜的内部结构，并对其发生电弧故障做出了分析以及提供了几点防护措施在保证生产的同时能进行檢修，为处理同类故障提供参考。

关键词：SF6充气柜、电弧故障、结构设计、防护措施

SF6充气柜作为新型供电设备现在越来越普及，SF6充气柜虽然在出厂时会做设备检测，但是随着充气柜的日积月累使用，其内部电弧故障的时有发生给整个SF6充气柜和用电设备的正常运行带来了安全隐患。现针对于此做一些关于SF6充气柜内部电弧故障的分析，对其结构进行分析并提出防护措施，以有效地减少电弧故障这种问题的发生。

一、SF6充气柜简介

SF6本身作为一种人为制造的惰性气体，化学性能稳定且无色无味无毒。SF6还具有强电负性，它的分子极易吸附自由电子而形成质量大的负离子，SF6还具有较低的离解温度、较好的耐电性能、强大的绝缘能力和强力的灭弧能力等[1]。

SF6充气柜的结构组成主要有母线，断路器，负荷、隔离、接地开关及CT/PT等高压电气元件。将这些元件装在密封箱体中，并充入SF6气体，这个一体式封闭箱作为集成了各种元件和SF6气体设备不仅具有开断、隔离、接地等功能，还由于SF6气体具备强大的绝缘能力、强力的灭弧能力和较好的耐电性能使得此充气柜的安全性和可靠性大大提高[2]。

相较于空气柜，SF6充气柜体积相对较小、重量普遍较轻。SF6气体的绝缘强度较空气高，这导致相同电压等级的SF6充气柜较空气柜的体积可缩小不少。SF6充气柜适应性强，这得益于一体式封闭箱受到环境的影响较小，所以空气潮湿多尘、安装位置狭小、盐渍严重等环境都可以安装SF6充气柜[3]。

二、电弧故障及柜内压力变化

由于SF6充气柜的自身出厂时有所缺陷或在环境较为恶劣的条件下长时间工作导致SF6充气柜的绝缘强度降低，也有可能在人工操作过程中出现了失误等原因造成SF6充气柜柜体内部气体被击穿造成其内部发生电弧故障，可能会造成以下事故：

一是使电弧故障的严重化，例如电弧范围扩大。在内部超高温和动力的驱动下强力的电弧将微量的等离子体在充气柜内部移动，电弧的根部飘忽不定，在导体中可以迅速转移，这很容易将电弧故障严重化，甚至造成充气柜燃烧，造成断电现象使用电设备损坏。二是电弧故障的破坏性强大，由于电弧本身的温度高，其破坏性之强无法估量，再加上外加的使用功率较大，这使得充气柜内部的材料在经过电弧故障后都无法正常工作，基本上处于报废的状态，甚至一些金属、合金和固体材料零件都无法幸免。对于绝缘材料碰上电弧也是不够看，电弧能直接将绝缘材料气化产生剧毒和腐蚀性的气体进而危害生产人员的安全。第三就是电弧故障会带来严重的生产人员安全问题。一旦产生电弧故障，由于电弧的强大破坏性和自身的高温特性，在密闭狭小的充气柜中温度上升明显，能轻易将绝缘器材气化，产生的剧毒和腐蚀性的气体是影响人员安全的因素之一，还有在密闭狭小的充气柜中电弧故障带来的温度骤升造成柜内压力的急剧上升，轻则充气柜变形，重则发生爆炸，严重危及生命和生产安全。

SF6充气柜的开关室与电缆室是电弧故障的重要场所。出厂时对其进行内部电弧故障试验要做到五点，一是充气柜的盖板和门没有被冲击开，但是可以允许轻微程度的变形;二是箱体没有明显裂缝，没有小零件等被炸出;三是电弧未能将不超过2 m的面上烧蚀出孔洞;四是平和垂直指示器未被点燃;五是充气柜的外壳不能偏移接地处[4]。

在SF6充气柜柜体内部出现电弧故障以后，电弧自身所携带的能量将瞬间将柜内气体温度提升，导致柜体内的气压上升。SF6充气柜会具有泄压装置，一旦超过泄压装置限制的压力则泄压装置将会打开泄压通道泄压，降低充气柜内部压力，减少因充气柜柜体内部压力过大而发生爆炸的可能性。电弧故障带来的破坏力与其间隔容积，电压及时间和短路电流有关。一般产生电弧故障后，柜内压力会产生四个阶段即气体压缩、气体膨胀、气体释放及气压稳定阶段。如图一所示。0-t1时间段即为气体压缩阶段，此阶段电弧故障刚发生，电弧自身所携带的能量将瞬间将柜内气体温度提升，导致柜体内的气压急剧上升，直到充气柜内部压强达到泄压装置的设计的临界压强为止，t1时充气柜最为危险，不仅充气柜内部压力大温度高，电弧故障还在发生而且还未开始泄压。这一时间大约持续5-10ms。t1-t2时间段即为膨胀阶段，此时充气柜内部泄压装置的设计的临界压强在t1时达到，开启泄压，到t2时泄压通道完全打开，由于在这一时间段中泄压通道并未完全打开，再加上电弧带来的温度提升和气体的膨胀导致充气柜内部压强还会有所上升。这一阶段的持续时间大约为5-10ms，与泄压装置的设计的泄压通道尺寸和电弧故障的程度有关。t2-t3时间段即为气体释放过程，此阶段由于泄压装置中泄压通道的完全打开使得气压陡降并恢复到正常压强同时电弧熄灭温度降低。这一阶段的持续时间大约为10ms-1s，持续时间与继电保护装置和断路器的开端时间有关。t3-∞时间段即为压强稳定阶段，此时电弧熄灭，经过完全泄压后柜内气压稳定[5]。

三、结构设计与防护措施

有些SF6充气柜具有防止电弧故障的结构设计，一般在充气柜的顶盖、封板、电缆室、母线室和断路器室的柜体以及柜门等部位进行防护。

电缆室的泄压板设计可以采用自攻钉安装固定，采用三层板组成下前门，采用高强度抗拉的挂钩固定前挂门，电缆室的左侧和右侧为了应对电弧故障可以采用多层板，同时可以起到对气流的缓冲作用。泄爆板可以采用活门法，利用自攻钉进行固定同样减缓了气流的冲击，达到了防护的目的。

对于气室的设计，关键在于泄爆膜。不锈钢板的强度较好，可以用于气室的设计，泄爆膜的开启的冲击很大，安装时要受力平衡，，后封板可以采用填料形式焊接，增加其强度。同时气室中可以增加增加前后和上下拉杆，前后拉杆与后封板焊接，使其在安装完成后成为一个整体，使气室强度增加。

针对与顶盖的设计主要可以分为两部分，仪表室的顶盖可以进行全封闭式设计，从电缆室到母线室的地方可以对不锈钢板进行开孔泄压。采用铝板压条及铝铆钉压紧泄压装置，一旦发生电弧故障可以将其冲开泄压，若未发生故障也可以起到有效防护的目的[6]。

四、结语

当前，随着社会的进步和经济的快速发展，我国各地区的用电负量均在不断增长，这使得供电可靠性的要求越来越高。SF6充气柜作为配电系统中的主导产品其内部电弧故障不可轻视。结合具体的故障实例进行分析，总结出合理的处理方式和防范措施是解决问题的关键所在。

参考文献

[1]李长庚，刘强兴.SF_6充气式开关柜特点分析[J].电工技术，2017（11）：89+91.

[2]周慧东，晁志刚.浅谈SF_6充气柜的柜体设计[J].电气制造，2009（12）：38-39.

[3]王军委，李如壁.中压SF_6充气柜密封性能研究[J].通信电源技术，2020，37（10）：49-50.

[4]独田娃，徐忠秋，季茂芳，周程，陈龙.SF_6全绝缘充气环网柜的技术问题浅析[J].机电工程技术，2013，42（10）：63-65.