SF6充氣柜內部電弧故障的結構設計與防護措施

李曉松

摘 要：介紹了SF₆充氣柜發生內部故障電弧的危害，分析了發生故障時電弧使殼體燒穿及氣壓升高使殼體爆裂的產生機理，從而提出了在設計上應采取的措施。

關鍵詞：電弧故障；結構設計；措施

1 內部電弧故障

由于環網柜設備的自身缺陷或異常的環境或惡劣的工作條件導致絕緣性能降低，也許因工作人員的誤操作等原因，有可能造成柜體內氣體間隙擊穿而導致引起內部弧故障，可能會造成以下事故：

使電弧故障范圍變大并迅速擴散。電弧使質量很輕的等離子體，在點動力和內部高溫的作用下，可在柜體內部發生高速移動，弧根可沿著導體跳動或轉移，因此很容易造成事故擴大化，最嚴重的情況可使一組并排的環網柜設備完全燃燒，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10000～20000°C），其破壞力很強，任何氣體和固體材料都無法經受電弧的灼燒。在這種溫度情況下，電弧碰到金屬，金屬將會融化，蒸發，零件表面會產生嚴重變形和損傷；電弧碰到絕緣材料絕緣材料則會氣化，并分解出有毒和腐蝕性氣體，次之絕緣件也會受到嚴重的損傷，從而造成損壞。

危及人員安全。在高溫、高功率的電弧作用下，會使柜體內部的空間氣體溫度在短時間內會驟然上升，使金屬材料，絕緣材料氣化，柜體內部壓力的驟然上升會對空間內的隔板、蓋板、門板、觀察窗和連接件等發生變形，損壞或是零部件向外部飛出，嚴重情況下會因柜體鈑金的強大不足使環網柜發生爆炸危及人員安全。

2 柜體內壓力過程

在柜體內部出現電弧故障以后，電弧能量將迅速傳遞給周圍的氣體，導致柜體內的氣壓上升。如過空氣中的壓強超過泄壓裝置設計的釋放壓力，泄壓裝置將會迅速打開，氣體將從泄壓裝置通道釋放，進入到柜體外部，使柜體內部壓強下降，降低壓力。

內部故障產生的破壞力與電弧產生的間隔容積，電弧電壓，持續的時間，短路電流大小有關。在電弧產生后，柜體內的壓力過程如圖1所示，壓力過程可以分為四個物理階段，見圖1。

壓縮階段。0～t1時間內，柜體內部產生電弧到泄壓裝置通道口排出。設在t=0時柜體內部出現強大功率電弧，故障室內的壓力上升很快。內部故障電流越大，電弧電壓越高，隔內體積越小，則壓力上升越快。直到排氣口打開，這一階段才結束，持續的時間大約為5～10ms。

膨脹階段。t1～t2時間內排氣口從開始到完全打開，當柜體內的壓強上升到一定值后，壓力釋放裝置的排氣口將會打開，隔室內的氣體通過釋放裝置的排氣口釋放，使壓力上升變化，見小壓強上升，這與壓力釋放裝置的排氣口的尺寸，結構和質量有關，這段時間持續大約為5～10ms。

釋放階段。t2～t3時間內，釋放裝置的排氣口完全打開后到電話熄滅。這一階段的持續時間與繼電保護裝置和斷路器的開端時間有關。時間短的只有幾十到上百毫秒，長得可達1s。

電弧熄滅以后。>t3時間內為壓力釋放后電弧熄滅后的狀態，處于穩定狀態。

從圖可知，t1時刻對環網柜的危險最大，此時刻柜體內的氣體被壓縮，溫度和壓強急劇升高，泄壓裝置開始動作時破壞最大，因此環網柜應以此時刻沖擊為設計準則，能承受主次時刻的壓強。

3 開關柜結構強度優化設計

當內部電弧故障發生時，不同間隔內的壓強和問題隨時間變化是不同的，斷路器壓強最大；電纜室次之，母線室最小。本論文采用的模型斷路器和母線在同一間隔內，其壓強最大，電纜室產生的電弧方向難以確定，因此電纜室和氣室為分析的重點。

3.2 氣室的設計 氣室的壓強計破壞也是很大的，在內燃弧試驗時泄爆膜能否開啟起著決定性作用，在安裝泄爆膜時要安裝設計力矩進行安裝。氣室設計選用3mm的不銹鋼板，在泄爆膜打開時其強度可以滿足要求，因此鋼板之間的焊縫為薄弱環節，特別是后封板，在焊接時應采用填料形式焊接，增加其強度。氣室內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整體，使氣室強度增加。

4 結束語

內部電弧故障對環網柜的破壞是很強大的，特別是對電纜室和短路氣室，對有透視窗的環網柜此處也是脆弱環節。在關鍵部位進行設計，增加強度以保障人員安全，在結構強度和成本方面仍是一個長期的課題。次柜體經過內燃弧試驗驗證，此設計通過實驗，柜體電纜室試驗后的狀態和內部破壞嚴重，電弧已經燒穿2層板，第三層燒掉部分，因此為了保證人員安全在側面增加0.7mm敷鋁鋅板。從試驗結果來看，此試驗結果支持了本次的結構設計，也為以后產品的設計提供了參考依據。

參考文獻：

[1]熊泰昌.中內部電弧故障試驗情況下中壓開關柜強度計算[J].高壓電器，2002，39（04）：42-44.

[2]徐國政，張節容，錢家驪.高壓斷路器原理和應用[M].北京：清華大學出版社，2000.