淺析KYN28A-12型開關(guān)柜的燃弧故障及泄壓滅弧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（城發(fā)集團(tuán)（青島）啟盛投資開發(fā)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(guān)設(shè)備（以下簡稱開關(guān)柜）作為國內(nèi)目前比較常見的一種高壓開關(guān)柜，在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，并且得到了廣泛的應(yīng)用。

近年來，隨著電氣標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備造成極大的危害，這顯然與標(biāo)準(zhǔn)的修訂相沖突。所以，認(rèn)識故障電弧的危害并加以防護(hù)，是開關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行等部門的共同職責(zé)[1]。

燃弧故障發(fā)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(qiáng)。因此在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)開關(guān)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(fā)生時帶來的不必要危害，使損失降到最低，成為設(shè)計(jì)人員所面臨解決的一個關(guān)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(hù)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(fù)荷開關(guān)、斷路器或熔斷器過載；（5）環(huán)境引起的電氣故障。

1.2 燃弧故障柜體內(nèi)氣壓變化

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

燃弧故障試驗(yàn)中開關(guān)柜內(nèi)氣壓變化如圖1所示[3]。

圖1 燃弧故障試驗(yàn)中開關(guān)柜內(nèi)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(fā)生燃弧故障開始到泄壓通道開始動作之前，柜體內(nèi)出現(xiàn)大功率電弧，室內(nèi)溫度升高，氣體受熱快速膨脹，柜體內(nèi)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(jié)束。（2）動作階段：t1～t2，當(dāng)柜體內(nèi)氣體壓力到達(dá)一定值后，泄壓通道開始動作，隔室內(nèi)的氣體通過泄壓通道開始向外釋放，柜體內(nèi)氣壓上升速率減緩，該階段的變化與泄壓通道的各參數(shù)相關(guān)。（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(nèi)氣壓迅速釋放。（4）穩(wěn)定階段：大于t3，壓力釋放結(jié)束，電弧完全熄滅，整個開關(guān)柜處于穩(wěn)定狀態(tài)。

1.3 燃弧故障危害

開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生燃弧故障是一種突發(fā)的、毀滅性的嚴(yán)重故障，一旦故障發(fā)生，就會對設(shè)備及工作人員的安全產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。當(dāng)開關(guān)柜的內(nèi)部發(fā)生燃弧故障時，故障電弧會迅速燃燒，釋放高達(dá)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(shè)備隔室的氣壓升高，會對設(shè)備產(chǎn)生強(qiáng)有力的機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)。

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

對人：故障發(fā)生時的熱效應(yīng)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(zāi)甚至爆炸；汽化的過程中會產(chǎn)生毒氣，在壓力作用下，向柜體外排出，極易對開關(guān)柜附近的設(shè)備運(yùn)行人員造成致命傷害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近幾年來發(fā)生的電氣事故引起人員傷亡的各項(xiàng)因素中，與燃弧故障有關(guān)的大于50%。

2.燃弧故障的防護(hù)

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(jìn)行防護(hù)與限制：

（1）開關(guān)柜在生產(chǎn)過程中提高柜體抵抗內(nèi)部燃弧故障的能力，合理設(shè)計(jì)殼體和絕緣子等來提高耐受能力，增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度、改進(jìn)壓力釋放通道，提高泄壓能力；（2）對于使用的設(shè)備定期進(jìn)行檢查和維護(hù)，防止出現(xiàn)帶電連接部位的松動現(xiàn)象；（3）及時的清洗和檢驗(yàn)絕緣件；（4）將帶電件加以絕緣保護(hù)，使用的元件進(jìn)行過電壓保護(hù)；（5）合理完善的五防聯(lián)鎖，能夠確保操作人員不按照規(guī)定操作無法使柜子正常運(yùn)行；（6）對操作人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)，防止誤操作。

通過以上辦法的實(shí)施可以盡量避免內(nèi)部燃弧故障事故的發(fā)生，保證設(shè)備安全可靠的運(yùn)行。下面介紹一種能提高柜體抗內(nèi)部燃弧故障能力的泄壓滅弧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

3.泄壓滅弧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 滅弧裝置原理

泄壓通道中安裝滅弧裝置，滅弧裝置結(jié)構(gòu)如圖2所示，其結(jié)構(gòu)簡單，主要由滅弧柵片和金屬網(wǎng)格組成。

圖2 滅弧裝置結(jié)構(gòu)圖

燃弧故障產(chǎn)生的電弧及金屬粒子流經(jīng)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(wǎng)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)將明火轉(zhuǎn)換成煙霧的目的。

泄壓滅弧通道安裝在開關(guān)柜的頂端，如圖3所示。故障電弧產(chǎn)生的氣流沿泄壓通道向上排出經(jīng)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(guān)于壓力釋放通道，沒有明確的規(guī)定有多大。但是如果設(shè)計(jì)得太小，勢必將阻止壓力的釋放進(jìn)而危機(jī)相鄰零部件，一般單獨(dú)的通道應(yīng)保證大于50mm2。通道中分隔板的層數(shù)也沒有明確規(guī)定，如果分割層數(shù)太少，滅弧效果會大大降低；如果分割層數(shù)過多，開關(guān)柜內(nèi)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(yù)計(jì)的后果。因此，并不是分隔板層數(shù)越多越好。

4.總結(jié)

燃弧故障對開關(guān)柜的破壞是非常強(qiáng)大的，通過設(shè)計(jì)合理的泄壓滅弧結(jié)構(gòu)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(shè)備的傷害，提高工作人員的安全系數(shù)，從而保證電力系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。