淺析KYN28A-12型開關柜的燃弧故障及泄壓滅弧結構設計

（城發集團（青島）啟盛投資開發有限公司，山東青島 266500）

0.引言

KYN28A-12型鎧裝移開式交流金屬封閉開關設備（以下簡稱開關柜）作為國內目前比較常見的一種高壓開關柜，在電力系統中發揮著至關重要的作用，并且得到了廣泛的應用。

近年來，隨著電氣標準不斷完善，更加站在使用者的立場來考慮問題，而燃弧故障又將對人身及設備造成極大的危害，這顯然與標準的修訂相沖突。所以，認識故障電弧的危害并加以防護，是開關設備設計、制造和運行等部門的共同職責[1]。

燃弧故障發生過程是一個驟變的過程，它的主要特征是時間短、能量大、破壞力強。因此在設計和生產開關柜的時候，必須將燃弧故障問題作為首要考慮的因素，如何減少故障發生時帶來的不必要危害，使損失降到最低，成為設計人員所面臨解決的一個關鍵問題。

1.燃弧故障分析

1.1 燃弧故障原因

引起燃弧故障的原因多種多樣，主要有[2]：

（1）操作和維護故障；（2）大氣過電壓和操作過電壓；（3）固體絕緣材料的電氣故障；（4）負荷開關、斷路器或熔斷器過載；（5）環境引起的電氣故障。

1.2 燃弧故障柜體內氣壓變化

當開關柜內部發生燃弧故障時，故障電弧會在10ms內將溫度提升到13000K，在15ms內將柜體內氣壓升高至2×105Pa～3×105Pa，能量大量釋放，柜體內氣壓急劇上升，當柜內氣體壓力超過了泄壓通道的額定壓力時，通道打開，柜體內氣體釋放，壓力降低。

燃弧故障試驗中開關柜內氣壓變化如圖1所示[3]。

圖1 燃弧故障試驗中開關柜內氣壓變化曲線

整個過程過程可分為4個階段：

（1）壓縮階段：0～t1，從發生燃弧故障開始到泄壓通道開始動作之前，柜體內出現大功率電弧，室內溫度升高，氣體受熱快速膨脹，柜體內的氣壓呈線性快速上升。直至泄壓通道開始動作，這一階段才結束。（2）動作階段：t1～t2，當柜體內氣體壓力到達一定值后，泄壓通道開始動作，隔室內的氣體通過泄壓通道開始向外釋放，柜體內氣壓上升速率減緩，該階段的變化與泄壓通道的各參數相關。（3）釋壓階段：t2～t3，柜體上的釋壓通道完全打開到電弧完全熄滅，整個過程柜體內氣壓迅速釋放。（4）穩定階段：大于t3，壓力釋放結束，電弧完全熄滅，整個開關柜處于穩定狀態。

1.3 燃弧故障危害

開關柜內部發生燃弧故障是一種突發的、毀滅性的嚴重故障，一旦故障發生，就會對設備及工作人員的安全產生嚴重威脅。當開關柜的內部發生燃弧故障時，故障電弧會迅速燃燒，釋放高達幾十兆瓦的熱能，對周圍絕緣氣體加熱，周圍氣體受熱膨脹，使整個設備隔室的氣壓升高，會對設備產生強有力的機械效應和熱效應。

對設備：柜門、隔板、連接件等在拉力或者剪切力的作用下會發生形變甚至脫離，如果開關柜的強度不足以支撐發生燃弧故障產生的破壞力時，整個柜體可能會被撕裂。

對人：故障發生時的熱效應會沖擊損壞柜體元器件，銅排等金屬元器件迅速汽化，形成金屬粒子流并攜帶其他灼熱微粒向柜體外噴射，引起火災甚至爆炸；汽化的過程中會產生毒氣，在壓力作用下，向柜體外排出，極易對開關柜附近的設備運行人員造成致命傷害。據統計，近幾年來發生的電氣事故引起人員傷亡的各項因素中，與燃弧故障有關的大于50%。

2.燃弧故障的防護

為避免燃弧故障造成危害，可以采取以下措施對故障電弧進行防護與限制：

（1）開關柜在生產過程中提高柜體抵抗內部燃弧故障的能力，合理設計殼體和絕緣子等來提高耐受能力，增強機械強度、改進壓力釋放通道，提高泄壓能力；（2）對于使用的設備定期進行檢查和維護，防止出現帶電連接部位的松動現象；（3）及時的清洗和檢驗絕緣件；（4）將帶電件加以絕緣保護，使用的元件進行過電壓保護；（5）合理完善的五防聯鎖，能夠確保操作人員不按照規定操作無法使柜子正常運行；（6）對操作人員進行專業培訓，防止誤操作。

通過以上辦法的實施可以盡量避免內部燃弧故障事故的發生，保證設備安全可靠的運行。下面介紹一種能提高柜體抗內部燃弧故障能力的泄壓滅弧結構設計方案。

3.泄壓滅弧結構設計

3.1 滅弧裝置原理

泄壓通道中安裝滅弧裝置，滅弧裝置結構如圖2所示，其結構簡單，主要由滅弧柵片和金屬網格組成。

圖2 滅弧裝置結構圖

燃弧故障產生的電弧及金屬粒子流經過滅弧裝置時，首先通過滅弧柵片，在滅弧柵片的作用下，將電弧分割成段，再依次通過金屬網格，再次將電弧分割，整個過程就是不斷分割的過程，電弧及金屬粒子流由段到塊再到點，一方面減小了電弧及金屬粒子流的體積，另一方面增加了其與空氣的接觸面積，降低了電弧及噴射出來的粒子溫度，實現將明火轉換成煙霧的目的。

泄壓滅弧通道安裝在開關柜的頂端，如圖3所示。故障電弧產生的氣流沿泄壓通道向上排出經過滅弧裝置，避免氣流從柜體正面排出，給附近的工作人員造成傷害。

圖3 泄壓滅弧通道位置示意圖

3.2 對泄壓滅弧通道的討論

關于壓力釋放通道，沒有明確的規定有多大。但是如果設計得太小，勢必將阻止壓力的釋放進而危機相鄰零部件，一般單獨的通道應保證大于50mm2。通道中分隔板的層數也沒有明確規定，如果分割層數太少，滅弧效果會大大降低；如果分割層數過多，開關柜內的氣體膨脹泄壓受阻，就會向柜體施壓，壓力過大，可能會將柜體撕裂，造成難以預計的后果。因此，并不是分隔板層數越多越好。

4.總結

燃弧故障對開關柜的破壞是非常強大的，通過設計合理的泄壓滅弧結構及通道，可以有效的減少電弧及高壓高溫金屬粒子流從柜體正面釋放的幾率，減小對設備的傷害，提高工作人員的安全系數，從而保證電力系統安全可靠運行。